DE2219054C3 - Dehnungsmeßstreifenanordnung zur Umformung mechanischer Spannungen in entsprechende binär codierte elektrische Größen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dehnungsmeßstreifenanordnung zur Umformung mechanischer Spannungen in entsprechende binär codierte elektrische Größen.

Dehnungsmeßstreifen sind Vorrichtungen zur Umwandlung einer (gegebenenfalls zeitlich veränderlichen) physikalischen Größe in ein (gegebenenfalls veränderliches) elektrisches Signal. Die bekannten Dehnungsmeßstreifen liefern im allgemeinen analoge elektrische Ausgangssignale, deren Größe sich in Abhängigkeit von dem Wert der zu messenden mechanischen Größe stetig ändert. Solche analoge elektrische Signale eignen sich nicht für die unmittelbare Eingabe in modernen Datenerfassungsund Datenverarbeitungssystemen, da diese digitale Signale benötigen, die den Analogwert nach Quantisierung in codierter Form darstellen. In solchen Anwendungsfällen müssen daher den bekannten Dehnungsmeßstreifen elektronische Analog-Digital-Umsetzer zugeordnet werden. Solche Umsetzer sind verhältnismäßig kompliziert und teuer, insbesondere wenn kurze Umwandlungszeiten benötigt werden, was bei schnell veränderlichen Größen der Fall ist. Sie kennen ferner Umwandlungsfehler verursachen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Dehnungsmeßstreifenanordnung, die unmittelbar binär codierte elektrische Ausgangssignale abgibt.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß auf einem Träger eine dünne, anisotrope, magnetostriktive Schicht aufgetragen ist, an die Abfrageschaltungen über Abfrageleitungen sowie Leseschaltungen über die Abfrageleitungen kreuzende Leseleitungen zur Bildung von Abfragezellen angeschlossen sind.

Die Dehnungsmeßstreifenanordnung nach der Erfindung beruht auf der Anwendung der anisotropen Eigenschaften magnetostriktiven Ursprungs in dünnen ferromagnetischen Schichten. Bekanntlich können solche Schichten eine induzierte einachsige Anisotropie aufweisen, die sich beispielsweise ä'ps den Herstellungsbedingungen ergibt. Infolge dieser Anisotropie weisen die dünnen Magnetschichten eine Richtung leichter Magnetisierung (leichte Achse) und eine Richtung schwerer Magnetisierung (schwere Achse) auf. Der Magnetisierungsvektor sucht sich

beim Fehlen eines äußeren Magnetfeldes in die Richtung der leichten Achse einzustellen, wobei er zwei Lagen einnehmen kann, die den Binärwerten »ü« und »1« zugeordnet werden können. Beim Anlegen eines äußeren Magnetfeldes, dessen Richtung von der Richtung der leichten Achse verschieden ist und insbesondere in der Richtung der schweren Achse liegt, wird der Magnetisierungsvektor gedreht, und er springt beim Aufhören des äußeren Magnetfeldes wieder in die Richtung der leichten Achse zurück. Diese Drehung des Magnetisierungsvektors entspricht einer Flußänderung, die in der damit gekoppelten Leseleitung einen elektrischen Impuls induziert.

Außerdem wird bei der Dehnungsmeßstreifenanordnung nach der Erfindung die Eigenschaft dünner anisotroper magnetostriktiver Schichten ausgenutzt, daß eine Drehung der leichten Achse in der Schicht unter der Einwirkung einer mechanischen Verformung erfolgt. Wenn diese Drehung der leichten Achse an der einer Abfragezelle zugeordneten *° Stelle der Magnetschicht einen bestimmten Betrag überschreitet, kann bei geeigneter Richtung des durch den Abfragestromimpuls in der Abfrageleitung erzeugten Abfragemagnetfelds erreicht werden, Haß der Magnetisierungsvektor am Ende des Abfrage-Stromimpulses in die Richtung zurückspringt, die der Richtung entgegengesetzt ist, die der Magnetisierungsvektor ursprünglich hatte. Der dadurch in der Leseleitung induzierte Impuls hat dann die entgegengesetzte Polarität. Man erhält dadurch in Form der Polarität des induzierten Impulses ein binäres Ausgangsmaterial, das anzeigt, ob die mechanische Verformung (und demzufolge die mechanische Spannung) an der der Abfragezelle entsprechenden Stelle der Magnetschicht über oder unter einem zugeordneten Wert liegt.

Durch geeignete Verteilung mehrerer Abfragezellen über die Magnetschicht können binäre Ausgangssignale mit unterschiedlicher Wertigkeit erhalten werden, die verschiedenen Werten der von außen ausgeübten mechanischen Spannung entsprechen. Dadurch wird die Codierung des von dem Dehnungsmeßstreifen abgegebenen binären Signals erreicht.

Der Träger dient als Übertrager für die auf die Magnetschicht einwirkenden mechanischen Spannungen und kann so ausgebildet sein, daß er die Bewertungsfunktion für die abgegebenen Binärsignale festlegt. Zu diesem Zweck ist es gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der Träger zur Erzielung einer vorgegebenen Verteilung der mechanischen Spannung geformt und/oder angeordnet ist.

In diesem Fall können mehrere Abfrageleitungen parallel zueinander so auf dem Träger angeordnet sein, daß die Abfragezellen an Stellen unterschiedlicher mechanischer Spannungen liegen.

Eine Bewertung der abgegebenen Binärsignale ist jedoch auch dadurch möglich, daß die den einzelnen Abfragezellen zugeordneten Abfragemagnetfelder unterschiedliche Richtungen haben. Dies wird gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht, daß mehrere Abfrageleitungen schräg zueinander auf der Schicht angebracht sind. Auch in diesem Fall ergibt sich die Änderung der Polarität der Ausgangsimpulse bei unterschiedlichen Werten der mechanischen Spannung in den verschiedenen Abfragezellen.

Die erfindungsgemäße Dehnungsmeßstreifeneinrichiung kann für die gleichen Zwecke eingesetzt werden wie die bisher bekannten Dehnungsmeßstreifen. Sie eignet sich insbesondere zur Messung einer Kraft oder eines Drucks. Dies kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dadurch erfolgen, daß der Träger an einer Seite eingespannt ist und eine Vorrichtung zur Ausübung der Kraft bzw. einer dem Druck proportionalen Kraft auf das freie Ende des Trägers vorgesehen ist.

Wenn nur eine einzige Abfragezelle vorgesehen ist, eignet sich die Dehnungsmeßstreifenanordnung zur Verwendung als Schwellenwertdetektor, der anzeigt, ob eine mechanische Spannung (bzw. eine Kraft oder ein Druck) über oder unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips,

Fig. 2 schematisch den mechanischen Aufbau einer Druckmeßvorrichtung mit einem Dehnungsmeßstreifen nach der Erfindung,

F i g. 3 eine Oberansicht der Magnetschicht und der zugeordneten gedruckten Schaltungen des Dehnungsmeßstreifens,

F i g. 4 die Abfrage- und Leseschaltungen, die den Zellen des Dehnungsmeßstreifens zugeordnet sind,

F i g. 5 ein Diagramm von Signalen zur Erläuterung des Betriebs der Schaltungen von F i g. 4 und F i g. 6 ein Schaltbild des Abfragestromerzeugers.

Zum besseren Verständnis der der Erfindung zugrunde liegenden physikalischen Erscheinungen soll zunächst unter Bezugnahme auf Fig. 1 an gewisse Eigenschaften dünner ferromagnetische!· Schichten erinnert werden. Bekanntlich können diese Schichten eine induzierte einachsige Anisotropie aufweisen, die sich beispielsweise aus den Herstellungsbedingungen ergibt. Demzufolge liegt die Magnetisierung in der Ebene der Schicht parallel zu der Anisotropieachse, und sie kann zwei Lagen einnehmen, die mit »0« und »1« bezeichnet werden, je nachdem, ob die Magnetisierungsrichtung die gleiche Richtung oder die entgegengesetzte Richtung wie die Anisotropieachse hat.

Wenn die dünne Schicht eine solche Zusammensetzung hat, daß der Magnetostriktionskoeffizient k_s Null ist, ist die einachsige Anisotropie nach Größe und Richtung unabhängig von den auf die Schicht ausgeübten mechanischen Spannungen. Diese Zusammensetzung liegt im Fall von Permalloy bekanntlich in der Nähe von 81% Nickel und 19% Eisen. Die Anisotropie-Energie (oder innere Energie als Funktion der Orientierung) hat die folgende Form:

E₁ = Jt₁ sin 2 Θ (1)

Dabei ist Θ der Winkel zwischen der Richtung des Magnetisierungsvektors und der leichten Achse, und für A-, gilt:

t₁ = M,-H_k
¹ 2

M_s = Sättigungsmagnetisierung
H_k = Anisotropiefeldstärke

Das verwendete Maßsystem ist das GGS-System. Eine Untersuchung der Erscheinung der induzier-

ten Anisotropie ist unter anderem von Soshin Chikazumi in dem Buch »Physics of magnetism«, Verlag Wiley and Son, 1964. S. 359 R., angestellt worden. Auf S. 361 dieses Buches ist eine Definition der mit K₁₁ bezeichneten Konstante der induzierten Anisotropie angegeben.

Dünne Magnetschichten besitzen im allgemeinen die Eigenschaft der Magnetostriktion, d. h., daß sie unter der Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes mechanisch verformt (gedehnt oder gestaucht) werden. Sie zeigen auch den inversen magnetostriktiven EITekt, d. h., daß eine Drehung der Richtung leichter Magnetisierung in der Magnetschicht unter der Einwirkung einer mechanischen Verformung erfolgt. Eine mathematische Untersuchung dieser Eigenschaft ist von dem bereits zuvor erwähnten Verfasser angestellt worden und erscheint auf S. 182 des gleichen Buches.

In Fig. 1 ist OX die Richtung der leichten Magnetisierung (leichte Achse), wenn keine mechanische Spannung ausgeübt wird. Die Richtung der auf den Punkt O der Schicht ausgeübten mecha nischen Spannung und der sich daraus ergebenden Dehnung oder Stauchung ist bei OC gezeigt, und die Richtung OA ist die neue Lage der Richtung leichter Magnetisierung, die sich durch die Beanspruchung in der Richtung OC ergibt. Es sei der Winkel zwischen den Richtungen OX und OC mit φ und der Winkel zwischen den Richtungen OX und OA mit Θ bezeichnet. Es wird angenommen, daß infolge der Elastizität des Materials der dünnen Schicht und des Substrats die mechanische Spannung in einer Linie mit der sich daraus ergebenden Dehnung bzw. Stauchung liegt.

Unter den Bedingungen von Fig. 1 wird die Anisotropie-Energie:

verteilt, daß sie jeweils unter der Wirkung eines impulsförmigen Abfragefeldes ein impulsförmiges binäres Ausgangssignal liefern, dessen Zustandsänderung bei einem für jede Zelle besonderen Wert der S mechanischen Spannung erhalten wird. Diese Werte bestimmen die Funktion der Bewertung oder Codierung des binären Signals, das von dem Dehnungsmetsstreifen abgegeben wird.

Bei Verwendung einer Schicht, bei der die Achse

ίο induzierter Anisotropie in einem Winkel β = 45° zu der Richtung der mechanischen Spannung liegt, kann die Formel (3) folgendermaßen geschrieben werden:

tg 2 β =

■ H_k

E = K₂ sin2((p-e)

X₂= -?._so

Darin sind.

/_s = Magnetostriktionskoeffizient bei Sättigung ο = mechanische Spannung

Die Drehung θ der leichten Achse kann aus den Gleichungen (1) und (2) abgeleitet werden:

te2ö = —KJKj*™-²-*'-1 + KZKCI

(3)

Der Dehnungsmeßstreifen nach der Erfindung beruht auf der Drehung der leichten Achse einer magnetostriktiven Schicht unter der Einwirkung einer mechanischen Spannung, die nicht in einer Linie mit der leichten Achse liegt, wobei die von der Achse leichter Magnetisierung angenommene neue Richtung mit Hilfe von mehreren an verschiedenen Punkten der Schicht liegenden Zellen in Form der Spannung festgestellt wird, die durch die Änderung des Flusses induziert wird, der von einem impulsförmigen magnetischen Abfragefeld erzeugt wird, dessen Richtung nahezu senkrecht zu der Richtung liegt, welche die Achse leichter Magnetisierung vor der Ausübung der mechanischen Spannung hat. Die verschiedenen abgefragten Zellen sind über die Fläche der Schicht so Daraus ist zu erkennen, daß bei jedem abgefragten Punkt der Drehwinkel der leichten Achse, falls er sehr klein ist, zu der mechanischen Spannung pro-

ao portional bleibt. Diese Bedingung ist weder für den Betrieb des Dehnungsmeßstreifens noch für seine Verwendung zwingend.

Die Abfragung mit Hilfe eines impulsförmigen Magnetfelds ermöglicht die Messung von zeitlich

»5 schnell veränderlichen mechanischen Spannungen durch die Anwendung von Hochfrequenzimpulsen.

Die Anwendung eines Abfrageteldes, das in einer

Richtung verläuft, die nahe bei der Normalen auf die Richtung der leichten Achse liegt, aber davon verschieden ist, macht es möglich, ein binäres Ausgangssignal zu erhalten, dessen Polarität sich mit dem Winkel zwischen der Abfrageleitung und der leichten Achse ändert. Diese Eigenschaft kann für die Bewertung oder Codierung der binären Ausgangsinformation verwendet werden, d. h. für die Definition des Analogwertes der mechanischen Spannung (oder des Drehwinkels der leichten Achse), der die Zustandsänderung des Binärsignals der betreffenden Zelle hervorruft. Fig. 1 macht diese Eigenschaft verständlich. Die Richtung OH ist die Richtung des Abfragefelds, das einen Winkel λ mit der Richtung OX der leichten Achse beim Fehlen einer mechanischen Spannung bildet. In der Dar* stellung gilt λ < 90°. Das Abfragefeld hat daher die Wirkung, daß es eine Drehung des Magnetisierungsvektors um einen Winkel verursacht, der kleiner als 90° ist. Wenn das Abfragefeld aufhört, kehrt der Magnetisierungsvektor in seine ursprüngliche Richtung OX zurück. Das Ablesen ist zerstörungsfrei und erfolgt mit Hilfe der Spannung, die in der Leseleitung durch die Flußänderung induziert wird, welche die Rückkehr des Magnetisierungsvektors ir seine ursprüngliche Richtung begleitet. Während der Ausübung der mechanischen Spannung liegt die leichte Achse in der Richtung OA. Der Winke' <=£ HOA = a + Θ, um den der Magnetisieruhgs vektor beim Anlegen des Abfragefeldes in der Richtung OH gedreht wird, ist dann größer als 90°. Nacr dem Verschwinden des Abfragefeld^s kehrt dei Magnetisierungsvektor daher in die Richtung OA zurück, die der Richtung OA entgegengesetzt ist, Ir dem Lese- oder Ausgangskreis wird daher eine Fluß änderung entgegengesetzter Richtung erhalten, unc die induzierte Spannung hat demzufolge die ent gegengesetzte Polarität. Die Binärinfoimaiion ha ihren Zustand gegenüber dem Zustand beim Fehlei der mechanischen Spannung geändert. Der Wert de Winkels f. (e = 90° - <£ HOA) definiert dei

Schwellenwert der Zustandsänderung der Binärinformation und trägt daher zur Bestimmung des Stellenwerts der von der entsprechenden Zelle gelieferten Information bei.

Der von der Magnetschicht gebildete Dehnungsmeßstreifen muß notwendigerweise von einem Substrat getragen werden, da die Dicke der dünnen anisotropischen Magnetschichten in der Größenordnung von wenigen Bruchteilen eines Mikrons liegt. Das Substrat überträgt auf die Magnetschicht eine mechanische Spannung (Zugspannung oder Druckspannung), deren in einer Ebene mit der Magnetschicht liegende Komponente von dem Dehnungsmeßstreifen gemessen wird. Das Substrat kann als Umsetzer für die Art der mechanischen Spannung und als Spannung-Dehnung-Umsetzer wirken. Es hat den Zweck, die Richtung der mechanischen Spannung so zu ändern, daß sie in die Ebene der Magnetschicht gebracht wird. Bei dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine Umschaltung dieser Art angewendet. Das Substrat kann auch die Wirkung einer »Empfindlichkeitssteuerung« oder maßstäblichen Änderung haben, indem es ein bekanntes festes Verhältnis zwischen dem Wert der auf die Schicht ausgeübten mechanischen Spannung und dem Wert der äußeren mechanischen Spannung festlegt. Schließlich kann das Substrat eine räumliche Verteilung der zu messenden mechanischen Spannung ergeben, wodurch es möglich ist, die Bewertungen der von den einzelnen Zellen des Dehnungsmeßstreifens gelieferten Informationseinheiten zu definieren. Das nachstehend beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt diese Funktion des Substrats.

Die Bestimmung der Bewertungen des Binärsignals kann entweder durch eine bekannte räumliche Verteilung der Spannung über die Fläche des Films erhalten werden oder durch eine Änderung der Orientierung des Abfragefeldes in bezug auf die Richtung, welche die leichte Achse der Schicht vor dem Anlegen der mechanischen Spannung hat, oder durch eine Kombination dieser beiden Parameter.

F i g. 2 zeigt schematisch eine Druckmeßvorrichtung, bei der ein Dehnungsmeßstreifen der zuvor erläuterten Art verwendet wird. Sie besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 1, das im oberen Teil mit einem Druckanschlußstutzen 2 und im unteren Teil mit einem Ventil 2' versehen ist. Der zu messende Druck wird auf eine elastische Membran 3 ausgeübt, die rings um ihren Umfang im Gehäuse 1 eingespannt ist. Der mittlere Teil der elastischen Membran liegt über eine Klinge 4 an der freien Seite einer elastischen Platte 5 auf, die am einen Ende in das Gehäuse eingespannt ist und als Träger für die Magnetschicht 6 dient. Wie leicht zu erkennen ist, wird in der von den Teilen 5, 6 gebildeten Anordnung an jedem Punkt eine mechanische Spannung erzeugt, die einerseits der von der Klinge 4 ausgeübten Kraft und andererseits dem Abstand zwischen dem betreffenden Punkt und dem Auflage punkt der Klinge auf der Platte 5 proportional ist. Der Proportionalitälsfaktor zwischen der von der Klinge 4 ausgeübten Kraft und der auf die Schicht 6 einwirkenden Kraft hängt von der Art des Substrats 5 ab, das somit die Funktion einer Steuerung der Empfindlichkeit des Dehnungsmeßstreifens ausübt. Die Verteilung der mechanischen Spannungen auf der Oberfläche der dünnen Schicht 6 ist sn, daß sie die Bewertungen der Informationsbits bestimmt.

die von jeder der Zellen abgegeben werden, wenn darauf geachtet wird, daß die Zellen genau angeordnet werden; sie können beispielsweise entlang einer geraden Linie angeordnet werden, die nicht parallel zu der Einspannlinie ist, vorausgesetzt, daß der Meßbereich der auszuführenden Messung eine lineare Stellenbewerlung zuläßt. Das Substrat übt hier also die Funktion einer »Bewertung« oder »Codierung« aus. In den meisten Fällen ist es notwendig, den durch die räumliche Verteilung der mechanischen Spannungen erzeugten Bewertungseffekt mit dem Bewertungseffekt zu vereinigen, der durch die Änderung des Winkels zwischen der Richtung des Abfragefeldes (d. h. der Abfrageleitung) und der Richtung der leichten Achse beim Fehlen einer mechanischen Spannung erzeugt wird, wie bereits erwähnt worden ist.

Bei einer praktischen Ausführung eines Dehnungsmeßstreifens war ein Abstand von 33 mm zwischen der Einspannlinie E und der Wirkungslinie F der von der Klinge 4 ausgeübten Kraft (vgl. Fig. 3) verfügbar. Das Substrat war eine Glaslamelle von 0,1 mm Dicke. Wenn die Auslenkung an der Stelle F 1 mm betrug, wurde an der Einspannlinie E eine Dehnung von 1,38 · 10-» mm erhalten.

Die verwendete Magnetschicht hatte die folgenden Eigenschaften:

Anisotropiefeldstärke: 3 Oersted;
Sättigungsmagnetisierung: 800 Gauß;
Magnetostriktionskoeffizient: 1,7 · 10~^G.

Unter diesen Bedingungen wurde eine Drehung der leichten Achse um 15° an der Einspannsteüe und um 8° in der Mitte zwischen der Wirkungslinie F der Kraft und der Einspannlinie E erhalten. F i g. 3 zeigt eine Oberansicht der Magnetschicht 6. Die dünne Schicht 6 aus Magnetmaterial kann in der in der USA.-Patcntschrift 3 547 694 beschriebenen Weise gebildet werden. Die so erhaltene Schicht zeigt eine höhere Empfindlichkeit der Drehung der leichten Achse in Abhängigkeit von der Dehnung als Permalloyfilme. Der Magnetostriktionskoeffizient wird durch Steuerung des Ni-Fe-Verhällnisses entsprechend der Darstellung in den Kurven und der Tabelle auf S. 172 des zuvor erwähnten Buciics von Chikazumi auf den richtigen Wert eingestellt. Leiter 11. welche die Abfrageleitungen bilden, und ein Haarnadellciter 12, der die Leseleitung bildet und im wesentlichen senkrecht zu den Abfrageleilungen liegt, werden mit den in der Technik gedruckter Schaltungen angewendeten Ätzverfahren erhalten.

Die leitende Belegung, die zur Vervollständigung der elektrischen Kreise der Leitungen Il dient, ist in der Figur nicht erkennbar, da sie durch die Magnetschicht 6 verdeckt ist. Die Magnetschicht 6 endet zwischen den beiden Schenkeln der Haarnadel, so daß die Drehung des Magnetisierimgsvektors in den auf einem der Schenkel liegenden Zellen das Lcscsignal induziert, während der andere Schenkel dazu bestimmt ist, die Signale für die Kompensation von induktiven oder kapazitiven StörclTeklen /u erzeugen.

Wie aus der Darstellung hervorgeht, ist die Loseleitung 12 den verschiedenen Zellen gemeinsam, «.!·>.■ jeweils an den auf der Magnetschicht 6 liegenden Krcu/ungspiinklcn der AbfrageliMtunuen und dci I.csdcitiini! liegen uiul aus ilcr uiiici diesen Kivti-

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zungspunkten liegenden Zone des Magnetmaterials bestehen.

Wie allgemein bekannt ist, sind Isolierfilme zwischen den Leitungen und auf der Magnetschicht 6 so angebracht, daß Kurzschlüsse vermieden werden. In F i g. 3 sind vier Zellen dargestellt. Es ist offensichtlich, daß die Anzahl der Zellen von der gewünschten Meßgenauigkeit abhängt. Die Zeichnung zeigt die Richtung OC der mechanischen Spannung und die Richtung OX, welche die leichte Achse bei der mechanischen Spannung Null hat, sowie die Einspannlinie E und die Wirkungslinie F. Die Abfrageleitung für die der Einspannlinie am nächsten liegende Zelle ist um 3ⁿ gegen die der Spannung Null entsprechende leichte Achse geneigt, damit die Maximalwerte der Dispersion der leichten Achse in der Schicht und die Unbestimmtheit hinsichtlich der Richtung der Leitungen 11 berücksichtigt werden. Die Magnetschicht ist auf dem elastischen Substrat so angebracht, daß die leichte Achse bei fehlender Spannung einen Winkel von 60° mit der senkrecht zur Einspannlinie liegenden Richtung OC bildet. Dies ist ein besonderer Wert, der einer bestimmten Ausführungsform entspricht. Für eine in der Richtung F ausgeübte gegebene Spannung nimmt die Dehnung mit zunehmendem Abstand von der Einspannlinie hnear ab. Die Drehung der leichten Achse ist eine mit dem Abstand von der Einspannlinie fallende Funktion. Dadurch wird die von der mechanischen Spannung abhängige Bewertung erhalten, und die Abfrageleitungen sind parallel zueinander so angeordnet, daß die Zellen in verschiedenen Abständen von der Einspannlinie liegen. Es ist möglich, das Gesetz der Bewertung der von dem Dehnungsmeßstreifen gelieferten binären Informationseinheiten dadurch zu ändern, daß nichtparallele Abfrageleitungen verwendet werden, damit ein linearer Zusammenhang zwischen der mechanischen Spannung und dem Drehwinkel oder irgendeine andere, den Erfordernissen des Benutzers besser angepaßte Funktion erhalten wird. Durch Verwendung eines Breitband-Differenz-Verstärkers, der über eine biegsame Leitung mit den Enden der haarnadelförmigen Leseleitung verbunden wird, erhält man ein Differenz-Lesseystem, das die Beseitigung von Störetifekten ermöglicht, die sich aus der Kopplung zwischen den Abfrageleitungen und der Leseleitung ergeben. Die Abfrageleitungen sind unabhängig voneinander mit Flachleitern 14 (Fig. 4) verbunden, die zusammen mit der als. Rückleitung dienenden Massebelegung eine Gruppe von Übertragungsleitungen bilden.

In Abänderung der Anordnung von F i g. 3 wurde ein Dehnungsmeßstreifen mit sieben Zellen auf einem rechteckigen Kupfer-Beryllium-Substrat von 0,10 mm Dicke gebildet. Eine Seite wurde eingespannt, und die Kraft wurde entlang einer Linie, die parallel zu der Einspannlinie in 30 mm Abstand von dieser lag, in einer Richtung senkrecht zu der Ebene des Substrats ausgeübt. Die Leseleitung war eine Haarnadelleitung, die im Abstand von 3 mm parallel zu der Einspannlinie lag. Die !Richtungen der sieben Abfrageleitungen standen in Winkeln von 3° zueinander, und die erste Abfrageleitung war so gerichtet, daß sie einen Winkel von 42° mit der Einspannlinie bildete. Die übrigen Abfrageleitungen bildeten zunehmende Winkel mit der Einspannlinie. Die leichte Achse bildete einen Winkel von 45° mit der Einspannlinie. Wenn die Spannung so groß war.

daß die Auslenkung entlang der Wirkungslinie 3 mm betrug, war die Polarität der Ausgangsimpulse der sieben Zellen gegenüber dem Betrieb bei der mechanischen Spannung Null geändert. Die Drehung der leichten Achse betrug dann 28°. Damit ein Wechsel der Polarität des Ausgangssignals nur bei der ersten Zelle erhalten wurde, mußte die ausgeübte Kraft einer Auslenkung von 0,2 mm entsprechen. Die Drehung der leichten Achse betrug dann 6°.

ίο Fig. 4 zeigt das Blockschema einer besonderen Ausführungsform der Schaltung für die Lieferung des Abfragestroms und der Ausgangsschaltung für einen Dehnungsmeßstreifen der in F i g. 2 und 3 ge?eigten Art. Die meisten der dargestellten Schal-

tungen sind als integrierte Schaltungen erhältlich. Der Stromerzeuger für die Abfrageleitungen 11 enthält einen Taktgeber 24, der ein Multivibrator-Oszillatoi ist, und dieser speist einen Steuergenerator 23, der aus ECL-Gattern besteht, beispielsweise die von

Motorola unter der Bezeichnung MC 1010 vertrie bene integrierte Schaltung. Das vom Taktgeber 4 abgegebene Rechtecksignal wird direkt in den Abfragestromerzeuger 21 eingegeben, der im einzelnen in F i g. 6 dargestellt ist und im wesentlichen ein zweistufiger hochverstärkender Stromverstärker mit Transistoren 40 und 41 ist, der von einer Multivibratorstufe 42 über eine Treiberstufe 43 gespeist wird.

Die Anschlußleiter 14 der verschiedenen Abfrageleitungen 11 sind durch Schalter 20 mit dem Abfragestromerzeuger 21 verbunden. Die Schalter 20 sind durch Transistorgatter gebildet, die der Reihe nach geschlossen werden; dies geschieht unter der Steuerung durch ein Adressenregister 22, das aus Flip-Flop-Stufen gebildet ist, wobei jede Stufe mit

einem Adressengatter verbunden ist und von dem Steuergenerator 23 gesteuert wird. Die die Schalter 20 bildenden Transistoren sind vom Typ 2 N 3013 mit gemeinsamem Emitter, deren Kollektoren mit den aufeinanderfolgenden Anschlußleitern 14 verbunden sind.

Die von der Leseleitung gespeiste Ausgangsschaltung besteht aus einem Differenzverstärker 16, der einen Abtaster 17 speist, der an jedem Ausgang des Verstärkers 16 ein Gatter aufweist, das einen Multi-

vibrator (integrierte Schaltung) speist. Dieser Multivibrator wird durch den Steuergenerator 23 ausgelöst (vgl. Signal 32 in Fig. 5). Das Ausgangssignal des Abtasters 17 wird in einem Zähler 18 gezählt, der aus einer Anzahl von binären Stufen (Flip-Flops)

aufgebaut ist, die als integrierte Schaltungen ausgelegt sind. Die Stufenzahl hängt von der Anzahl der Abfrageleitungen ab. Das binäre Ausgangssignal des Zählers wird zu Verbraucherschaltungen übertragen, wie Sichtgeräten, Datenverarbeitungsschal-

tungen usw., wie dies vom Benutzer gefordert wird. Ein Nullrückstellsignal für den Zähler 18 wird ebenfalls vom Steuergenerator 23 abgegeben.

Fig. 5 zeigt drei Kurven 30, 31 und 32, die folgende Bedeutung haben:

Kurve 30: Abfragefeld als Funktion der Zeit; Kurve 31: Lesesignal im gleichen Zeitmaßstab; Kurve 32: Steuersignal für den Abtast-Multivibrator 17.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbekpiel liegt die Dauer der Impulse Z₁, /„.../., zwischen 20 und 30 ns, und die Dauer der abfallenden Flanke beträgt 8 ns. Die Amplitude beträgt 450 mA. Es wird ange-

iommen, daß der Impuls I₁ angelegt wird, bevor die nechanische Spannung erzeugt wird. Das Signal, das in der Leseschleife durch die Änderung des Flusses 'infolge der Drehung des Magnetisierungsvektors in der Magnetschicht der betreffenden Zelle des Dehnungsmeßstreifens) induziert wird, hat die Form von zwei Impulsen mit entgegengesetzter Polarität, die bei der Ausbildung bzw. beim Verschwinden des Abfragefeldes erzeugt werden. Unabhängig von der Richtung der Magnetisierung im vierten Qua- ίο drant von F i g. 1 hat der Impuls L₁ beim ersten Ablesen stets die gleiche Polarität. Die Polarität des Impulses L₂ kann sich in Abhängigkeit davon ändern, ob der Magnetisierungsvektor nach dem Abfragen in seine ursprüngliche Lage (nt + Θ < 90° gemäß den Bezeichnungen von Fig. 1) oder in die entgegengesetzte Richtung (» + Θ > 90°) zurückkehrt. Die Impulse /₂ und /₃ werden angelegt, nachdem der Druck in das Gehäuse 1 (Fig. 2) eingelassen ist, und sie werden an zwei benachbarte Zellen C, und C₃ angelegt. Die leichte Achse in der Zelle C₂ "hat sich kaum gedreht, so daß » + Θ₂ kleiner als 90° bleibt. Beim Verschwinden des Abfragefeldes hat der im Lesekreis induzierte Impuls /, die gleiche Polarität wie bei Abwesenheit des Drucks. Die Drehung der leichten Achse in der Zelle C₃ ist so groß, daß « -H 0₃ > 90°. Beim Verschwinden des Abfragefeldes kehrt der Magnetisierungsvektor in die Richtung zurück, die der Richtung vor der Abfragung entgegengesetzt ist. Der im Lesekreis induzierte entsprechende Impuls L, hat die entgegengesetzte Polarität wie derjenige der Zelle C₂. Das Abtaststeuersignal 32 wählt nur die Impulse L₂ für die Übertragung über den Abtaster 17 zum Zähler 18 aus.

Das obige Beispiel betrifft einen Druckmesser. Es ist offensichtlich, daß dieses Beispiel in keiner Weise die einzige Verwendung des beschriebenen Dehnungsmeßstreifens darstellt. Jede auf das Substrat ausgeübte Zug- oder Druckspannung verursacht eine Dehnung oder Stauchung des Magnetfilms, die durch sequentielle Abfragung der verschiedenen Zellen als digitales Ausgangssignal verfügbar gemacht wird.

In einer vereinfachten Form können die beschriebenen Dehnungsmeßstreifen als Schwellenanordnungen verwendet werden, die ein binäres Signal liefern, das seinen Zustand ändert, wenn die mechanische Spannung einen vorbestimmten Wert erreicht.

Zu diesem Zweck braucht nur eine einzige Zelle an einer geeignet gewählten Stelle auf einem Substrat angebracht zu werden, wobei die in der Anordnung auftretenden mechanischen Übersetzungsverhältnisse berücksichtigt werden. Unter diesen Bedingungen ist natürlich die zugehörige elektronische Schaltung wesentlich vereinfacht, da nur der Generator 21 und der Verstärker 16 sowie in einigen Fällen ein Gatter an der Stelle des Abtasters 17 und des zugehörigen Steuersignalgenerators 23 benötigt werden. Ein solches Gerät kann als Alarmeinrichtung dienen.

Zur Erhöhung der Genauigkeit kann es erwünscht sein, die Abfragungen der verschiedenen Zellen des Dehnungsmeßstreifens zu wiederholen. Wenn keine Änderung der mechanischen Spannung vorkommt, sind die erhaltenen Signale von der in F i g. 5 gezeigten Art, und nur die Polarität des der Zelle C₃ zugeordneten Impulses L₁ wird beim zweiten Ablesen geändert. Dieser Impuls wird nicht als Ausgangssignal verwendet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (14)

Patentansprüche:

1. Dehnungsmeßstreifenanordnung zur Umformung mechanischer Spannungen in entsprechende binär codierte elektrische Größen, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Träger (5) eine dünne, anisotrope, magnetostriktive Schicht (6) aufgetragen ist, an die Abtrageschaltungen (20 bis 24) über Abfrageleitungen

(11) sowie Leseschaltungen (16, 17, 18) über die Abfrageleitungen kreuzende Leseleitungen (12) zur Bildung von Abfragezellen angeschlossen sind.

2. Dehnungsmeßstreifenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfrage- und Leseieitungen (11, 12) in Form gedruckter Leiterstreifen auf die Schicht (6) und den Träger (5) aufgebracht sind. ao

3. Dehnungsmeßstreifenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (5) zur Erzielung einer vorgegebenen Verteilung der mechanischen Spannung geformt und/oder angeordnet ist. as

4. Dehnungsmeßstreifenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrers Abfrageleitungen (11) parallel zueinander so auf dem Träger (S) angeordnet sind, daß die Abfragezellen an Stellen unterschiedlicher mechanischer Spannungen liegen.

5. Dehnungsmeßstreifenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Abfrageleitungen (11) schräg zueinander auf der Schicht (6) angebracht sind. <■

6. Dehnungsmeßstreifenanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß' eine einzige Leseleitung (12) vorgesehen ist, die alle Abfrageleitungen (11) kreuzt.

7. Dehnungsmeßstreifenanordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine haarnadelförmige Leseleitung (12) mit zwei die Abfrageleitungen (11) kreuzenden parallelen Schenkeln, von denen der eine Schenkel auf der Schicht (6) und der andere Schenkel auf dem blanken Träger (5) liegt.

8. Dehnungsmeßstreifenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseschaltung einen Differenzverstärker (16) enthält und daß die beiden Schenkel der Leseleitung

(12) jeweils mit einem der beiden Eingänge des Differenzverstärkers (16) verbunden sind.

9. Dehnungsmeßstreifenanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfrageschalturg (20 bis 24) so ausgeführt ist, daß sie die Abfragestromimpulse der Reihe nach an die Abfrageleitungen (11) anlegt.

10. Dehnungsmeßstreifenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leseschaltung einen Zähler (18) zur Summierung der in der Leseleitung(12) induzierten Impulse enthält.

11. Dehnungsmeßstreifenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung einer Kraft oder eines Drucks der Träger (5) an einer Seite eingespannt ist und eine Vorrichtung (3, 4) zur Ausübung der Kraft bzw. einer dem Druck proportionalen Kraft auf das freie Ende des Trägers (S) vorgesehen ist.

12. Dehnungsmeßstreifenanordnung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Membran (3), auf die ein zu messender Druck einw^;rkt. und die über ein starres Verbindungsglied (4) mit dem freien Ende des Trägers (5) gekoppelt

ist. .

13. Dehnungsmeßstreifenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Verwendung als Schwellenwertdetektor, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Abfragezelle vorgesehen ist.

14. Dehnungsmeßstreifenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leseschaltung (16, 17, 18) so ausgeführt ist, daß sie auf die Polarität der am Ende des Abfragestromimpulses induzierten Impulse anspricht.