DE19838349A1 - Strain gauge unit; has foil strain gauge strip integrated in casing and pressure application system to press strain gauge during hardening of adhesive for measuring physical values, e.g. force and pressure - Google Patents

Strain gauge unit; has foil strain gauge strip integrated in casing and pressure application system to press strain gauge during hardening of adhesive for measuring physical values, e.g. force and pressure

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Abstract

A foil strain gauge strip (1) is arranged in an opening of a casing (4). In assembly, an adhesive layer of the strain gauge is pressed on the surface of a structural part. The pressure application system consists of a silicon cushion (2), a printed circuit board (3) and a casing (4), which is screwed with a structural part across the passage holes (5).

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Umformung von Dehnungen in ein elek­ trisches Ausgangssignal.The invention relates to a device for deforming strains in an elek trical output signal.

Folien-Dehnungsmeßstreifen (DMS) werden seit ihrer Erfindung von Dr. Arthur C. Ruge und E. E. Simmons im Jahr 1938 zur Messung von mechanischen Beanspruchun­ gen an Bauelementen und zur Messung der physikalischen Größen, Kraft, Druck, Drehmoment eingesetzt.Foil strain gauges (DMS) have been used by Dr. Arthur C. Ruge and E. E. Simmons in 1938 for the measurement of mechanical stress components and for measuring physical quantities, force, pressure, Torque used.

Insbesondere zur Messung der physikalischen Größen Kraft, Druck und Drehmoment sind eine Vielzahl von Meßeinrichtungen bekannt, die einen oder mehrere DMS enthalten, die auf einen Federkörper geklebt sind. Neben den eigentlichen DMS, die zu einer Wheatstone'schen Vollbrückenschaltung zusammengefaßt sind, sind in diesen Meßeinrichtungen weitere Vorkehrungen getroffen z. B. zum Abgleich des Nullsignals der Vollbrückenschaltung, zum Schutz des DMS gegen Feuchtigkeit, Verschmutzung und mechanische Beschädigung sowie Vorkehrungen zur Zugentlastung des Anschluß­ kabels der Meßeinrichtung.Especially for measuring the physical quantities of force, pressure and torque a variety of measuring devices are known, the one or more strain gauges included, which are glued to a spring body. In addition to the actual DMS, which too a Wheatstone full bridge circuit are summarized in these Measuring devices take additional precautions z. B. to adjust the zero signal the full bridge circuit, to protect the strain gauge against moisture, pollution and mechanical damage as well as measures to relieve the strain on the connection cables of the measuring device.

DMS werden auch direkt auf die Oberfläche von Bauteilen geklebt, wie z. B. auf Behälter oder Silos. Aus der mit dem DMS gemessenen Verformung wird dann auf den Füllstand geschlossen. Ebenso werden DMS z. B. direkt auf die Oberfläche von Maschinen geklebt, wie z. B. auf Stammaschinen oder Pressen. In diesem Fall besteht die Aufgabe, die Presskraft anhand der mit dem DMS ermittelten Verformung zu überwachen. Die Kraftmessung erfolgt dann im Kraft-Nebenschluß. Die Eigenschaften des Bauteils oder der Maschinen werden nicht durch den DMS beeinträchtigt, wie es z. B. bei der Installation einer Kraftmeßeinrichtung im Kraftfluß der Maschinen der Fall wäre. Deshalb wird eine direkte Messung der Verformung mit Hilfe eines DMS im Kraft-Nebenschluß einer Messung mit Kraftmeßeinrichtungen im Kraftschluß vorgezo­ gen.DMS are also glued directly to the surface of components, such as B. on Containers or silos. The deformation measured with the strain gauge then turns to the level closed. DMS are also used for. B. directly on the surface of Machines glued, e.g. B. on parent machines or presses. In this case there is the task of increasing the pressing force based on the deformation determined with the strain gauge monitor. The force measurement then takes place in the force shunt. The properties of the component or the machines are not affected by the strain gage as it is e.g. B. in the installation of a force measuring device in the power flow of the machines would. Therefore a direct measurement of the deformation with the help of a strain gauge in the Force shunt of a measurement with force measuring devices pre-drawn gene.

Die Dehnungsmessung bietet darüber hinaus den wesentlichen Vorteil, daß sie nach­ träglich installierbar ist.The strain measurement also has the main advantage that it can is installable.

Die direkte Klebung von DMS ist bisher mit folgenden Nachteilen verbunden:
The direct bonding of strain gauges has so far had the following disadvantages:

  • 1. Bei einer nachträglichen Installation z. B. an einem Silo vor Ort, sind die oben be­ schriebenen Vorkehrungen, wie z. B. Zugentlastungen und Abdeckungen nur mit einem hohen Aufwand an Zeit und Kosten durchzuführen. Diese Maßnahmen erfordern zudem speziell für die Dehnungsmeßtechnik geschultes Personal.1. With a subsequent installation such. B. on site at a silo, the above be Written precautions, such as B. Strain relief and covers only with one high expenditure of time and costs. These measures also require personnel specially trained for strain gauging.
  • 2. Der Nullpunkt direkt geklebter DMS in Vollbrückenschaltung bzw. die Symmetrie der Wheatstone'schen Vollbrückenschaltung muß in der Regel abgeglichen werden. Dies liegt an kleinsten Widerstandstoleranzen der DMS sowie an unsymmetrischen Verspannungen einzelner Meßgitter durch Schrumpfung des Klebstoffs oder durch Unebenheiten der Bauteiloberfläche. Dies geschieht z. B. durch Hinzufügen von Wider­ standsdrähten in die Vollbrückenschaltung, durch Abtrag mit Radierern an einzelnen Meßgittern oder durch Parallelschaltung von Widerständen zu einem Meßgitter in der Vollbrückenschaltung. Die Nullpunktverstimmung direkt geklebter DMS kann sonst den eigentlichen Meßbereich der Auswerteelektronik übersteigen. Dies ist in der Regel dann der Fall, wenn die Vorteile der direkten Klebung ausgenutzt und kleinste Dehnun­ gen zur Anzeige gebracht werden sollen. Dieser Vorgang des Abgleichens erfordert ebenfalls einen hohen Aufwand an Zeit und ist nur von geschultem Personal durchführ­ bar.2. The zero point of directly bonded strain gauges in full bridge circuit or the symmetry  the Wheatstone full bridge circuit usually has to be adjusted. This is due to the smallest resistance tolerances of the strain gauges and to asymmetrical ones Tensioning of individual measuring grids through shrinkage of the adhesive or through Bumps on the component surface. This happens e.g. B. by adding cons stand wires in the full bridge circuit, by abrasion with erasers on individual Measuring grids or by connecting resistors in parallel to a measuring grid in the Full bridge circuit. Otherwise the zero point detuning of directly glued strain gauges can exceed the actual measuring range of the evaluation electronics. This is usually the case then the case when the advantages of direct bonding are exploited and the smallest stretch conditions should be displayed. This process of matching requires also a lot of time and can only be carried out by trained personnel bar.
  • 3. Für eine fachgerechte Klebung von DMS ist ein gleichmäßiger Anpressdruck bis zum Aushärten des Klebstoffs erforderlich. Beim Kleben von DMS mit schnellaushär­ tenden Cyanacrylaten kann der Druck manuell z. B. mit dem Daumen aufgebracht werden. Für eine qualitativ hochwertige Klebung, die z. B. auch bei höheren Temperatu­ ren noch stabil ist, müssen jedoch 2-Komponenten-Epoxydharze verwendet werden. Hierfür sind längere Aushärtezeiten und eine Anpreßvorrichtung erforderlich, um einen konstanten Anpreßdruck bis zum Aushärten des Klebstoffs aufrecht zu erhalten. Dies ist wiederum mit einem hohen Aufwand an Zeit und Kosten verbunden.3. For a professional gluing of strain gauges an even contact pressure is to required to cure the adhesive. When gluing strain gauges with quick curing tendency cyanoacrylates can be printed manually z. B. applied with the thumb become. For a high quality glue, e.g. B. even at higher temperatures Ren is still stable, but 2-component epoxy resins must be used. For this, longer curing times and a pressing device are required to get a Maintain constant contact pressure until the adhesive hardens. This is in turn associated with a high expenditure of time and costs.

Zur Lösung dieser Nachteile werden bereits Dehnungsaufnehmer eingesetzt. Dabei wird der DMS auf einem Federkörper mit allen erforderlichen Vorkehrungen installiert. Der Federkörper kann nun mit niedrigem Aufwand an Zeit und Kosten z. B. durch An­ schrauben befestigt werden.Strain sensors are already used to solve these disadvantages. Doing so the strain gauge is installed on a spring body with all the necessary precautions. The Spring body can now z. B. by An screws are attached.

Die bisher bekannten Dehnungsaufnehmer zeigen jedoch folgende Nachteile:
However, the previously known strain transducers have the following disadvantages:

  • 4. Der DMS wird nicht direkt auf die Bauteiloberfläche geklebt, sondern auf einen Federkörper. Wenn Federkörper und Bauteil aus unterschiedlichen Materialien beste­ hen, z. B. Aluminium und Stahl, dann verursachen Temperaturänderungen eine sehr große Drift des Nullsignals entsprechend dem Unterschied der thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten. Die Ausdehnungskoeffizienten von Aluminium und Stahl sind 22 µm/m/°C bzw. 12 µm/m/°C, so daß pro °C vom Dehnungsaufnehmer eine Dehnung von 10 µm/m angezeigt werden würde. Mit direkt auf die Bauteiloberfläche geklebten DMS können jedoch Verformungen von 0,02 µm/m mit Hilfe elektronischer Aus­ werteschaltungen zur Anzeige gebracht werden. Um derart kleine Dehnungen mit Hilfe von Auswerteschaltungen zu verarbeiten, z. B. um den Füllstand eines Silos zu er­ mitteln, ist eine geringere Drift des Nullsignals erforderlich. Direkt geklebte Dehnungs­ meßstreifen verfügen über eine Kompensation von thermisch bedingten Dehnungen. Die Drift des Nullsignals liegt typischerweise bei 0,0005 µm/m/°C.4. The strain gauge is not glued directly onto the component surface, but onto one Spring body. When the spring body and component are made of different materials hen, e.g. B. aluminum and steel, then temperature changes cause a very large drift of the zero signal corresponding to the difference in thermal expansion coefficient of performance. The coefficients of expansion of aluminum and steel are 22 µm / m / ° C or 12 µm / m / ° C, so that one stretch per ° C from the strain gauge of 10 µm / m would be displayed. With glued directly on the component surface However, strain gauges can deflect 0.02 µm / m with the help of electronic off value circuits are displayed. To help with such small strains to process of evaluation circuits, e.g. B. to fill the level of a silo average, a lower drift of the zero signal is required. Directly glued expansion Measuring strips have compensation for thermally induced strains.  The drift of the zero signal is typically 0.0005 µm / m / ° C.
  • 5. Nach der Installation des Dehnungsaufnehmers stellen sich erhebliche Verschiebun­ gen des Nullpunkts ein, da z. B. beim Anschrauben des Federkörpers erhebliche Verspannungen des Dehnungsaufnehmers eintreten.5. After installing the extensometer, there are considerable displacements towards the zero point because z. B. considerable when screwing the spring body Strain in the extensometer.
  • 6. Bisher bekannte Dehnungsaufnehmer mit ebenem Federkörper können nur auf ebenen Oberflächen montiert werden, während direkt geklebte DMS sowohl auf ebenen und auch auf gewölbten Flächen installiert werden.6. Previously known strain transducers with a flat spring body can only on flat surfaces can be mounted, while directly glued strain gauges on both flat and can also be installed on curved surfaces.
  • 7. Bisher bekannte Dehnungsaufnehmer mit Federkörper haben eine größere Masse als direkt geklebte DMS. Durch Vibrationen an z. B. Maschinenteilen können somit erhebliche Massenkräfte auf den Dehnungsaufnehmer wirken und somit zu einem Versagen führen.7. Previously known strain transducers with spring bodies have a greater mass than directly glued strain gauges. By vibrations on z. B. Machine parts can thus considerable inertial forces act on the strain sensor and thus become one Failure.
  • 8. Aufgrund der höheren Steifigkeit des Federkörpers in bisher bekannten Dehnungs­ aufnehmern gegenüber direkt geklebten DMS müssen von den Befestigungselementen des Dehnungsaufnehmern Kräfte übertragen werden. Dies geschieht bisher z. B. durch Schraubverbindungen mittels Kraftschluß. Eine Lockerung dieser Schraubverbindung z. B. durch das Setzverhalten der Schraube kann zum völligen Ausfall der Funktion führen.8. Due to the higher stiffness of the spring body in previously known expansion Transducers compared to directly glued strain gauges must be removed from the fastening elements the strain transducer forces are transmitted. So far this has been done e.g. B. by Screw connections by means of frictional connection. A loosening of this screw connection e.g. B. by the setting behavior of the screw can lead to complete failure of the function to lead.

Aus diesen Problemen stellt sich die Aufgabe, einen DMS, der direkt geklebt wird, soweit wie möglich als Modul in ein Metall- oder Kunststoffgehäuse einzubauen. Im Gehäuse ist die komplette Verdrahtung bereits enthalten.The problem arises from these problems, a DMS that is glued directly, as far as possible to be installed as a module in a metal or plastic housing. in the Complete wiring is already included in the housing.

Das Gehäuse dient als mechanischer Schutz und enthält eine Anpreßvorrichtung zum Anpressen des DMS während der Aushärtung des Klebstoffs.The housing serves as mechanical protection and contains a pressure device for Pressing on the strain gauge during the curing of the adhesive.

Der elektrische Anschluß nach aussen erfolgt über einen Stecker oder ein zugentlastetes Anschlußkabel oder drahtlose Signalübertragung. Die Nullpunktverschiebung kann nach dem Aushärten des Klebstoffs z. B. von der Auswerteelektronik selbsttätig abgeglichen werden, falls die Nullpunktverschiebung zu einer Überschreitung des Meßbereichs der Auswerteelektronik führt. Die Dehnungsmeßeinrichtung wird dann z. B. mit einer elek­ trischen Auswerteschaltung betrieben, die die Verstärkung des elektrischen Differenzsi­ gnals der Wheatstone'schen Brückenschaltung in mindestens zwei Stufen mit zwei Differenzverstärkern vornimmt und eine Symmetrierung des Signals nach der ersten Verstärkungsstufe durchführt. Dadurch ist eine Kompensation der Nullpunktverschie­ bung der Dehnungsmeßeinrichtung über ein Vielfaches des Meßbereiches der Aus­ werteschaltung möglich.The electrical connection to the outside is via a plug or a strain relief Connection cable or wireless signal transmission. The zero offset can be after the curing of the adhesive z. B. automatically compared by the evaluation electronics if the zero point shift exceeds the measuring range of the Evaluation electronics leads. The strain gauge is then z. B. with an elec trical evaluation circuit operated, the amplification of the electrical difference si gnals the Wheatstone bridge circuit in at least two stages with two Differential amplifiers and symmetrizing the signal after the first Reinforcement stage. This compensates for the zero point shift Exercise the strain gauge over a multiple of the measuring range of the off value switching possible.

Die Symmetrierung des Signals nach der ersten Verstärkungsstufe erfolgt z. B. durch die Verwendung elektrisch steuerbarer Widerstände. Mit einem Mikroprozessor werden die Widerstände nach Maßgabe eines Nullstellen-Suchalgorithmus variiert. Das Ergeb­ nis der Nullstellensuche wird z. B. in einem elektrisch beschreib- und löschbaren Speicher (EEPROM) abgelegt.The signal is symmetrized after the first amplification stage, e.g. B. by  the use of electrically controllable resistors. With a microprocessor the resistances vary according to a zero search algorithm. The result nis the zero search is z. B. in an electrically writable and erasable Memory (EEPROM) stored.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung Fig. 1 näher erläutert:
Der Dehnungsmeßstreifen (1) liegt auf einem Silikonkissen (2), so daß die Klebeseite nach außen weist. Die Leiterplatte (3) trägt das Silikonkissen (2) und den Dehnungs­ meßstreifen (1), dessen Lötstützpunkte mit Lötstützpunkten auf der Leiterkarte z. B. durch Lackdrähte elektrisch verbunden sind. Das Anschlußkabel (7) wird über die Zugentlastung (6) in das Gehäuse (4) eingeführt. Durch Kontaktierung des Anschlußka­ bels mit Lötstützpunkten auf der Leiterkarte wird die elektrische Verbindung zwischen Dehnungsmeßstreifen (1) und Anschlußkabel (7) hergestellt. Mit den Durchgangs­ löchern (5) wird die Dehnungsmeßeinrichtung auf dem Bauteil oder der Maschine angeschraubt. Durch den Überstand des Dehnungsmeßstreifens (1) über dem Gehäuse wird beim Anschrauben durch Gehäuse (4), Leiterkarte (3) und Silikonkissen (2) die Anpreßeinrichtung realisiert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment with reference to the drawing FIG. 1:
The strain gauge ( 1 ) lies on a silicone cushion ( 2 ) so that the adhesive side faces outwards. The circuit board ( 3 ) carries the silicone pad ( 2 ) and the strain gauge ( 1 ), whose soldering points with soldering points on the circuit board z. B. are electrically connected by enamelled wires. The connecting cable ( 7 ) is inserted into the housing ( 4 ) via the strain relief ( 6 ). The electrical connection between strain gauges ( 1 ) and connecting cable ( 7 ) is established by contacting the connecting cable with soldering points on the circuit board. With the through holes ( 5 ), the strain gauge is screwed onto the component or the machine. Due to the protrusion of the strain gauge ( 1 ) over the housing, the pressure device is realized when screwing on through the housing ( 4 ), circuit board ( 3 ) and silicone cushion ( 2 ).

Claims (4)

1. Dehnungsmeßeinrichtung zur Umformung von Dehnungen in ein elektrisches Aus­ gangssignal unter Verwendung eines Folien-Dehnungsmeßstreifens, der in einem Gehäuse integriert ist, das als mechanischer Schutz dient und eine Anpreßvorrichtung zum Anpressen des DMS während der Aushärtung des Klebstoffs enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Öffnung des Gehäuses (4) ein Folien-Dehnungsmeßstreifen (1) angeordnet ist, der bei der Montage der Dehnungsmeßeinrichtung durch eine Anpreßvorrichtung mit seiner Klebeseite auf die Oberfläche eines Bauteils angedrückt wird.1. Strain gauge for transforming strains into an electrical output signal using a foil strain gauge, which is integrated in a housing that serves as mechanical protection and contains a pressing device for pressing on the strain gauge during the curing of the adhesive, characterized in that in A film strain gauge ( 1 ) is arranged in an opening of the housing ( 4 ) and is pressed with its adhesive side onto the surface of a component during assembly of the strain gauge by means of a pressing device. 2. Dehnungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpreßvorrichtung aus einem Silikonkissen (2), einer Leiterplatte (3) und einem Gehäuse (4) besteht, das über die Durchgangslöcher (5) mit einem Bauteil ver­ schraubt wird.2. Strain measuring device according to claim 1, characterized in that the pressing device consists of a silicone cushion ( 2 ), a printed circuit board ( 3 ) and a housing ( 4 ) which is screwed ver through the through holes ( 5 ) with a component. 3. Dehnungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß über die Leiterkarte (3) eine elektrische Verbindung zwischen dem Folien-Deh­ nungsmeßstreifen (1) und einem Anschlußkabel (7) hergestellt wird, das durch eine Zugentlastung (6) in das Gehäuse eingeführt wird.3. Strain gauge according to claim 1 or 2, characterized in that an electrical connection between the foil strain gauges ( 1 ) and a connecting cable ( 7 ) is made via the circuit card ( 3 ) by a strain relief ( 6 ) in the housing is introduced. 4. Dehnungsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die elektrische Auswerteschaltung die Verstärkung des elektrischen Differenzsi­ gnals der Wheatstone'schen Brückenschaltung in mindestens zwei Verstärkungsstufen vornimmt und eine Symmetrierung des Differenzsignals nach der ersten Verstärkungs­ stufe durchführt, so daß eine Kompensation der Nullpunktverschiebung des elektrischen Differenzsignals der Wheatstone'schen Brückenschaltung über ein Vielfaches des Meßbereiches der Auswerteschaltung möglich ist.4. Strain measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in net, that the electrical evaluation circuit amplifies the electrical difference gnals the Wheatstone bridge circuit in at least two gain stages carries out and a balancing of the difference signal after the first amplification stage performs so that compensation for the zero point shift of the electrical Difference signal of the Wheatstone bridge circuit over a multiple of Measuring range of the evaluation circuit is possible.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005028540B4 (en) * 2005-06-19 2007-08-02 ME-Meßsysteme GmbH Strain gauge
CN104748718A (en) * 2015-04-11 2015-07-01 蚌埠日月电子科技有限责任公司 Dependent variable measurement sensor
EP4047337A4 (en) * 2019-10-17 2023-11-22 TDK Corporation Measuring device and measuring system

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