DE2715831A1

DE2715831A1 - Vorrichtung zur kapazitiven dehnungsmessung

Info

Publication number: DE2715831A1
Application number: DE19772715831
Authority: DE
Inventors: Elwood B Norris; Lester M Yeakley
Original assignee: Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 1977-04-07
Filing date: 1977-04-07
Publication date: 1978-10-19

Description

" Vorrichtung zur kapazitiven Dehnungsmessung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Dehnungen oder Spannungen, insbesondere einen biaxialen kapazitiven Dehnungsmesser.
Es ist üblicherweise wünschenswert, die auf verschiedene Elemente einer Struktur einwirkenden Belastungen und Kräfte zu bestimmen, um sicherzustellen, daß diese Elemente in der geeigneten Weise konstruiert sind, um den auf sie einwirkenden Belastungen mit einem gewissen Sicherheitsspielraum standhalten zu können. Während in einfachen Strukturen bei Kenntnis der Belastungen die Spannungskräfte leicht berechnet werden können, werden diese Berechnungen für komplizierte Strukturen und/oder unbekannte Lasten unverhältnismäßig komplex und ihre Lösung ist in vielen Fällen praktisch unmöglich. So ist es in vielen Anwendungsbereichen wünschenswert, die Kräfte empirisch zu bestimmen. Im allgemeinen sind die Kräfte einer direkten Messung nicht zagänglich. Vielmehr wird die mit der angreifenden Kraft in einer direkten funktionalen Beziehung stehende Dehnung oder Deformation des Materials unter Verwendung von Dehnungs- oder Spannungsmessern gemessen.
Ein Dehnungsmesser oder Dehnungsmeßwandler ist eine Vorrichtung, welche eine Änderung einer-elektrischen Größe in Abhängigkeit der Spannung oder der Deformation des Materials zeigt, mit dem sie verbunden ist. Der am weitesten verbreitete Typ ist der Widerstandsdehnungsmesser, umfassend einen Draht, der bei Dehnung eine Änderung seines elektrischen Widerstandes zeigt. Dieser Draht des Widerstandsdehnungsmessers wird an-der Oberfläche des-Materials, in dem eine Spannung gemessen werden soll, so befestigt, daß die auftretende Spannung oder Dehnung eine entsprechende Änderung des Widerstandes hervorruft. Eine geeignete elektronische Schaltung, die üblicherweise eine Wheatstone-Brücke umfaßt, dient dazu, die Änderung des Widerstandes und damit die Dehnung zu erfassen und zu messen.
Unglücklicherweise zeigen Drähte, welche die wünschenswerten Eigenschaften für eine Verwendung in Widerstandsdehnungsmessern aufweisen, im allgemeinen auch Änderungen des Widerstandes in Abhängigkeit von Temperaturänderungen. Für kurze Zeitabschnitte können diese Änderungen durch eine Temperaturkompensationsschaltung kompensiert werden. Längeres Einwirken von höheren Temperaturen aber kann zu Änderungen des Widerstandes führen, die durch unter der Bezeichnung zthermisches Altern" bekannte Erscheinungen hervorgerufen werden. Diese Änderungen des Widerstandes können im allgemeinen nicht kompensiert werden.
Eine andere Art von Dehnungsmessern oder Dehnungsmeßwandlern verwendet die Änderung einer Kondensatorkapazität in Abhängigkeit der Dehnung oder Spannung als Meßgröße. Die bisherigen kapazitiven Dehnungsmesser sind in der Weise ausgebildet, daß die operativen Elemente der Vorrichtung der Belastung ausgesetzt sind. In diesen kapazitiven Dehnungsmessern und in Widerstandsdehnungsmessern, bei denen in ähnlicher Weise das elektrische Widerstandselement den einwirkenden Kräften ausgesetzt ist, ändern sich die elektrischen Eigenschaften der Meßvorrichtungen allmählich-bei längerer Einwirkung einer Belastung als Folge einer permanenten Deformation der belasteten Elemente. Diese Erscheinungen werden allgemein als "Kriechen" bezeichnet. Infolge des Kriechens und des thermischen Alterns sind Dehnungsmesser im allgemeinen instabil, wenn sie Uber lange Zeiträume-und insbesondere bei hohen Temperaturen verwendet werden.
Im allgemeinen sind Dehnungsmesser einachsig, d.h. sie reagieren nur auf Dimensionsänderungen in einer einzigen Richtung.
Um die Kräfte an einem Punkt genau bestimmen zu können, ist es aber notwendig, dle Dehnung oder Spannung in mindestens zwei Richtungen zu messen, woraus sich die wahre Größe und Richtung der Spannung bestimmten läßt. Zu diesem Zwecke können zwei oder mehr Dehnungsmesser nahe beieinander und mit einer bestimmten Winkelstellung zueinander an der zu untersuchenden Oberfläche angebracht werden. Diese Annäherung wird ungenau, j wenn die tatsächlich gemessenen Spannungen-nicht an exakt der gleichen Stelle auftreten. Daher sind im allgemeinen Dehnungsmesser vorzuziehen, die übereinandergeschichtet werden können, um auf diese Weise einen mehrachsigen Dehnungsmesser zu schaffen. Dieser kann auf in unterschiedlichen Richtungen wirkende Spannungen ansprechen, -die im wesentlichen an ein und derselben Stelle der zu prüfenden Materialoberfläche registriert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Dehnungsmesser anzugeben, der eine verbesserte Langzeitstabilität aufweist und im wesentlichen unanfällig ist für thermisches Altern und Kriechen. Ferner soll der kapazitive Dehnungsmesser so ausgebildet sein, daß er für die Herstellung eines mehrachsigen kapazitiven Dehnungsmessers geeignet ist und bei einfacher Bauart zuverlässig und genau arbeitet.
Zur Lösung dieser Aufgaben wird gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ein zweiachsiger kapazitiver Dehnungsmesser mit einer lamellaren Schichtenstruktur vorgeschlagen, die zwei einachsige kapazitive Dehnungsmesser mit orthogonal zueinander liegenden~Messrichtungen definiert. Jeder kapazitive Dehnungsmesser umfaßt aktive durch einen Oszillator erregt Kondensatorplatten und eine Kondensatormeßplatte, die in einem Abstand zu den erregten Kondensatorplatten und parallel zu diesen angeordnet ist. Ein Blendenmechanismus in Form zweier mit Durchbrechungen versehenen Blendenplatten 1st zwischen den aktiven Kondensatorplatten und den Kondensatormeßplatten angeordnet. Die Endabschnitte der mit Durch- j brechungen versehenen Blendenplatten ragen aus der Schichtenstruktur und sind mit der Oberfläche verbunden, in welcher eine Spannung oder Dehnung gemessen werden soll. Eine Spannung führt zu einer relativen Verschiebung zwischen den Blendenplatten, was wiederum elne Xnderung der durch die Durchbrechungen hindurch erfolgenden kapazitiven Kopplung zwischen der Kondensatormeßplatte und den aktiven Kondensatorplatten zur Folge hat.
Diese Rapazitätsdifferenz'steht daher in einer funktionalen Beziehung zu der zu messenden Spannung und wird durch eine geeignete elektronische Vorrichtung registriert und gemessen.
In einer besonderen Ausführung werden die aktiven Kondensatorplatten jedes Dehnungsmessers durch zwei in der Amplitude gleiche aber um18o0 gegeneinander phasenverschobene Signale erregt. Der von den Blendenplatten gebildete Blendenmechanis--mus bewirkt infolge der im Material auftretenden Spannung eine Abnahme der Kapazität zwischen der einen aktiven Kondenaatorplatte und der Kondensatormeßplatte und gleichzeitig eine Zunahme der Kapazität zwischen der anderen aktiven Kondensatorplatte-und der Kondensatormeßplatte. Die resultierende Änderung in den Signalniveaus wird von einem phasenempfindlichen Demodulator aufgenommen, der ein der Spannung proportionales Analogsignal erzeugt.
Da die den Blendenmechanismus bildenden Blendenplatten des kapazitiven Dehnungsmessers gemß der vorliegenden Erfindung keinen Spannungskräften ausgesetzt sind, ist die Erscheinung des Kriechens im wesentlichen ausgeschaltet. Ferner werden J alle Kondensatorplatten in einer festen Zuordnung zueinander gehalten, um auf diese Weise die Erscheinungen des thermischen Alterns und Kriechens auf ein Minimum zu reduzieren. Damit erhält man einen kapazitiven Dehnungsmesser mit verbesserter Langzeitstabilität. Die für den zweiachsigen kapazitiven Dehnungsmesser gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete elektronische Vorrichtung ist relativ unbeeinflußt von Verstärkerdrift oder Störsignalen. Insbesondere können die Ausgänge des Dehnungsmessers auf einem virtuellen Erdpotential -gehalten werden durch Verwendung einer geeigneten negativen R(ickkopplungsschleife in Verbindung mit den Verstärkern, die mit den Ausgängen des.Dehnungsmessers verbunden sind. Wenn die Rapazitäten zwlschen den aktiven Bondensatorplatten und der Kondensatormeßplatte nicht im Gleichgewicht stehen, liefert daher der Ausgang des Verstärkers über die RUckkopplungsschleife die notwendige Ladung, um den Eingang auf das virtuelle Erdpotential zu bringen. Wenn die Ausgangsleitungen des Dehnungsmessers auf dem Erdpotential liegen, gibt es keine - kapazitive Kopplung zwischen diesen Leitungen und der Erde.
So kann ein geerdetes abgeschirmtes Kabel verwendet werden, us die Leitungen gegen Störsignale abzuschirmen. Die Drähte von beiden Kondensatormeßplatten des zweiachsigen Dehnungsmessers können in der gleichen Abschirmung geführt werden, ohne daß ein UberaprechenW stattfindet Die Kabel können lang ausgeführt sein und eine Umwicklung tragen, ohne daß dabei nachteilige Auswirkungen auf treten.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der in Verbindung mit den beiliegenden J Zeichnungen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wird. Es stellen dar: Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht eines zweiachsigen kapazitiven Dehnungsmessers gemäß einer bevorzugten Aus führungs form der vorliegenden Erfindung, Fig. 2 einen Querschnitt durch die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung, Fig. 3a und 3b Draufsichten auf die aktiven Kondensatorplatten der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung, Fig. 4 eine teilweise aufgebrochene Draufsicht auf die den Blendenmechanismus bildenden Blendenplatten in der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung, und Fig. 5 ein schematisches Diagramm des zweiachsigen kapazitiven Dehnungsmessers gemäß der Erfindung mit der zugehörigen elektronischen Schaltung.
In den Fig. 1 und 2 erkennt man einen allgemein mit A bezeichneten zweiachsigen kapazitiven Dehnungsmesser gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der Dehnungsmesser A umfaßt drei Trägerplatten oder Lamellen 1o, 12 und 14, die aufeinandergeschichtet sind, wobei jeweils zwei Lamellen lo, 12 bzw. 12. 14 einen Spalt zwischen sich be- grenzen. Ein erster einachsiger kapazitiver Dehnungsmesser 16, der auf eine Spannung in einer ersten Richtung oder Achse anspricht, ist in dem Spalt zwischen den einander benachbarten und in einem Abstand zueinander angeordneten Oberflächen der Lamellen 10 und 12 ausgebildet. In gleicher Weise ist ein zweiter Dehnungsmesser 16' in dem Spalt zwischen den einander benachbarten und in einem Abstand zueinander angeordneten Oberflächen der Lamellen 12 und 14 ausgebildet. Der zweite Dehnungsmesser 16' spricht aufeine Spannung in einer zweiten Richtung oder Achse an, die in einem rechten Winkel zu der ersten Achse verläuft.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Dehnungsmesser 16' in seinem Aufbau im wesentlichen identisch mit dem ersten Dehnungsmesser 16, jedoch gegenüber diesem um 900 versetzt, um dadurch die Meßachsen der Dehnungsmesser 16 und 16' orthogonal zueinander auszurichten. Es wird daher nur der erste Dehnungsmesser 16 im Detail beschrieben, wobei dlese Beschreibung auch für den zweiten Dehnungsmesser 16' gilt. Zum leichteren Verständnis sind die in Verbindung mit dem ersten Dehnungsmesser 16 verwendeten Bezugsziffern in den Zeichnungen auch für entsprechende Elemente des zweiten Dehnungsmessers 16' verwendet worden unter HinzufUgen eines Striches. Das heißt die Elemente 22, 24 usw. des ersten Dehnungsmessers 16 entsprechen Elementen 22', 24' usw. des zweiten Dehnungsmessers 16'.
Der Dehnungsmesser 16 umfaßt zwei aktive Kondensatorplatten 22 und 24, die auf der zum Spaltinneren hinweisenden Oberfläche der Lamelle 12 angeordnet sind. Die Kondensatorplatten 22 und 24 werden als aktive Kondensatorplatten bezeichnet, da sie durch Signale von der in Verbindung mit dem Dehnungsmesser verwendeten elektronischen Einrichtung erregt-werden. In Fig. 3a erkennt man, daß die aktiven Kondensatorplatten 22 und 24 in einer Ebene liegen und-jeweils mit einer Reihe von parallel zueinander liegenden länglichen Vorsprüngen oder Fingern ausgebildet sind, die an ihrer Basis miteinander verbunden sind. Die Finger der aktiven Kondensatorplatten 22 und 24 greifen derart ineinander,-daß die Finger der aktiven Kondensatorplatten-22 und 24 in alternierender Folge parallel zueinander in einer Reihe liegen. Wie man aus dem folgenden noch genauer erkennen-wird, verlaufen die Finger der aktiven Kondensatorplatten 22 und 24 im wesentlichen senkrecht zur Spannungsmeßachse des Dehnungsmessers 16. So erkennt man aus Fig. 3b, in der die aktiven Kondensatorplatten 22' und 24' des zweiten Dehnungsmessers 16' dargestellt sind, daß die Kondensatorplatten 22' und 24' um 9o relativ zu den Kondensatorplatten 22 und 24 gedreht sind, wodurch die Spannungsmeßachse des Dehnungsmessers 16' rechtwinklig zur Spannungsmeßachse des Dehnungsmessers 16 verläuft.
Ein Überzug aus einem dielektrischen Material bedeckt die Kondensatorplatten22 und 24. Der dielektrische Überzug 26 dient zur Isolierung der aktiven Kondensatorplatten 22 und 24 gegenüber den anderen Elementen des Dehnungsmessers 16.
Eine Ecke der Kondensatorplatten 22 und 24 ist jeweils nicht isoliert, so daß elektrische Leitungen 38 und 40 an den entsprechenden Kondensatorplatten 22 und 24 befestigt werden können, was üblicherweise durch Punktschweißen erfolgt.
Auf der zum Spaltinneren hinweisenden inneren Oberfläche der Lamelle 1o ist eine Kondensatormeßplatte 28 angeordnet. Die Kondensatormeßplatte 28 ist auf diese Weise parallel und in einem Abstand zu den aktiven Kondensatorplatten 22 und 24 gehalten. Die Kondensatormeßplatte 28 hat allgemein eine rechteckige Form, entsprechend dem von den Fingern der Kondensatorplatte -22 und 24 eingenommenen Bereich. Die Kondensatormeßplatte 28 wird so genannt, weil sie mit einer geeigneten elektronischen Vorrichtung zum Messen der Änderung in der Kapazitätsdifferenz der aktiven Platten 22 und 24 Der bunden ist. Eine elektrische Leitung 36 ist daher an der Kondensatormeßplatte 28 befestigt, und zwar vorzugsweise durch Punktschweißen an einer Ecke der Kondensatormeßplatte 28. Die Oberfläche der Kondensatormeßplatte 28 ist von einer dielektrischen Schicht 30 bedeckt, ähnlich dem die Kondensatorplatten 22 und 24 bedeckenden dielektrischen Überzug 26, um die Kondensatormeßplatte 28 von den übrigen Elementen des Dehnungsmessers 16 zu isolieren.
Wie man aus den Fig. 2 und 4 erkennt, ist zwischen den aktiven Kondensatorplatten 22 und 24 und der Kondensatormeßplatte 28 ein Blendenmechanismus in Form von mit Durchbrechungen versehenen Blendenplatten 32 und 34 angeordnet.Die Blendenplatten 32 und 34 sind in dem zwischen den Lamellen 1o und 12 definierten Spalt so gelagert, daß sie längs der Spannungsmeßachse des Dehnungsmessers 16 bewegt werden können.
Die Blendenplatten 32 und 34 erstrecken sich nach entgegengesetzten Seiten über die Lamellenlo und 12 hinaus, so daß sie mit der Oberfläche verbunden werden können, in der eine Dehnung oder Spannung gemessen werden soll. Zu diesem Zweck sind an den äußeren Enden der Blendenplatten 32 und 34 Distanzelemente 33 bzw. 35 befestigt. Die Dicke der Distanzelemente 33 und 35 entspricht dem Abstand zwischen den Blendenplatten 32 und 34 und der Oberfläche, in der eine Deformation bzw. Dehnung gemessen werden soll. Daher führt ein Zusammendrücken oder Dehnen der Oberfläche, in welcher eine Spannung gemessen werden soll, zu einer Verschiebung der Blendenplatten 32 und 34 relativ zueinander. Diese Verschiebung wird dazu verwendet, eine Kapazitätsdifferenz zwischen den aktiven Kondensatorplatten 22 und 24 und der Kondensatormeßplatte 28 zu erzeugen.
Wie man in Fig. 4 erkennt, weisen die Blendenplatten 32 und 34 jeweils eine Mehrzahl von rechteckigen Durchbrechungen auf, die mit 32a bzw. 34a bezeichnet sind. Die Durchbrechungen 32a und 34a sind parallel zu den Fingern der aktiven Kondensatorplatten 22 und 24 ausgerichtet Wenn die -3lendenplatten 32 und 34 übereinander liegen, sind die Durchbrechungen.32a und 34a gegeneinander versetzt und bilden dadurch eine Vielzahl von länglichen rechteckigen, durch die Platten 32 und 34 hindurch offenen.Durchtrittsschlitzen. Genauer gesagt ist jede der .Durchbrechungen. 32a bezüglich zweier benachbarter Durchbrechungen 34a so zentriert, daß zwei durch die einander überlappenden Abschnitte der Durchbrechungen 32a und 34a hindurch offene Kondensatorspalte C1 und C2 gebildet sind. Die Zahl der Kondensatorspalte C1 und C2 ist also doppelt so groß wie die Zahl der Durchbrechungen 32a und 34a in den Blendenplatten 32 bzw. 34.
Auf diese Weise ist eine alternierende Reihe von Kondensatorspalten C1 und C2 gebildet, die sich voneinander in der Weise unterscheiden, daß ihre Abmessungen in entgegengesetzter Weise variierten; wenn die Blendenplatten 32 und 34 relativ zueinander verschoben werden. So bewirkt eine Einwärtsbewegung der Blendenplatten 32 und 34 eine Verringerung des Kondensatorspaltes C1, während gleichzeitig der Kondensatorspalt C2 vergrößert wird. In dem Dehnungsmesser sind also die Kondensatorspalte C1 nahe den Fingern der Kondensatorplatte 22 angeordnet, die Kondensatorspalte C2 dagegen nahe den Fingern der Kondensatorplatte 24. Entsprechend führt eine Einwärtsverschiebung der Blendenplatten 32 und 34 zu einer Abnahme der Kapazität zwischen der Kondensatorplatte 22 und der Kondensatormeßplatte 28, während gleichzeitig die Kapazität zwischen der Kondensatorplatte 24 und der Kondensatormeßplatte 28 vergrößert wird. In ähnlicher Weise führt eine Auswärtsbewegung der Blendenplatten 32 und 34 zu einer Vergrößerung der Kapazität zwischen der Kondensatorplatte 22 und der Kondensatormeßplatte 28, wogegen gleichzeitig die Kapazität zwischen der Kondensatorplatte 24 und der Kondensatormeßplatte 28 verkleinert wird.
Das Arbeitsprinzip des Dehnungsmessers liegt also darin, daß J jeweils die Tatsächlichkapazität zwischen der Kondensatormeßplatte 28 und der Kondensatorplatte 22 bzw. 24 durch die relative Lage der Blendenplatten bestimmt ist. Die tatsächliche Kapazität zwischen der Kondensatorplatte 22 und der Kondensatormeßplatte 28 ist der Fläche des Kondensatorspaltes C1 proportional. Wird nur ein Kondensatorspalt C1 betrachtet, ergibt sich unter Vernachlässigung von Randeffekten für die Kapazität zwischen der Kondensatorplatte 22 und der Kondensatormeßplatte 28: C1 = k x1 . lc Dabei ist k eine Proportionalkonstante, deren Wert vom Plattenabstand und der Dielektrizitätskonstante abhängt.
Entsprechend ergibt sich für die Kapazität zwischen der Kondensatorplatte 24 und der Kondensatormeßplatte 28: C2 = k . x2 . lc Für die Kapazitätsdifferenz erhält man daher: Cd c C1 1 C2 = k-lc. (x1 -X2 da aber Xc a Xa + + 2 folgt Cd = klc (2x1 + Xa - XC)-Dabei ist mit lc die Länge eines Schlitzes 34a, mit xa die Breite eines Steges zwischen zwei einander benachbarten Durch-J brechungen 32a, mit XC die Breite einer Durchbrechung 34a, mit x1 die Breite eines Kondensatorspaltes C1 und mit x2 die Breite eines Kondensatorspaltes C2 bezeichnet.
Die Kapazitätsdifferenz ist also eine Funktion der relativen Lage der Blendenplatten 32 und 34 sowie der Dimensionen der Durchbrechungen 32a und 34a und der Konstante k.
Die Ansprechgenauigkeit des Dehnungsmessers auf eine Relativverschiebung der Blendenplatten 32 und 34 wird ausgedrückt durch: Dabei gibt N die Anzahl der Durchbrechungen 32a bzw. 34a an, von denen bei der vorstehenden Analyse nur eine betrachtet wurde.
Wie oben bereits kurz ausgeführt wurde, ist der zum Dehnungsmesser 16 orthogonal ausgerichtete Dehnungsmesser 16' mit dem Dehnungsmesser 16 hinsichtlich des Aufbaus und der Arbeitsweise im wesentlichen identisch. Natürlich soll der Dehnungsmesser 16' auf orthogonal zur Spannungsmeßachse des Dehnungsmessers 16 gerichtete Deformationen ansprechen und daher sind alle Elemente des Dehnungsmessers 16' gegenüber den entsprechenden Elementen des Dehnungsmessers 16 um 9o° gedreht.
Im übrigen stimmen Aufbau und Arbeitsweise mit der vorstehenden Beschreibung überein.
Der zweiachsige kapazitive Dehnungsmesser A gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt Sicherungseinrichtungen gegen Interferenzerscheinungen und Störsignale. Insbesondere sind ein Paar von Abschirmplatten 20 an den äußeren Oberflächen der Lamellen 10 bzw. 14 vorgesehen, die an der Abschirmung des Dehnungsmessers A geerdet sind. In der gleichen Weise sind die Blendenplatten 32, 34, 32' und 34' geerdet. Wenn der Dehnungsmesser A auf einer geerdeten Metalloberfläche befestigt wird, kann die Erdung der jeweiligen Platten durch Berührung mit der Oberfläche erfolgen, in der eine Deformation gemessen werden soll. Im anderen Fall, wenn der Dehnungsmesser A auf einer isolierten oder nicht geerdeten Oberfläche verwendet werden soll, sollten Erdungsleitungen zu den Blendenplatten vorgesehen sein. Zusätzlich zu der Abschirmung durch die Abschirmplatten 20 und die Blendenplatten 32 bzw. 34 erfolgt eine zusätzliche Isolierung gegen Interferenzerscheinungen und Störsignale aus der Art der elektronischen Einrichtung, die zusammen mit dem Dehnungsmesser A verwendet wird und nun im folgenden beschrieben werden soll.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 soll nun die zusammen mit dem Dehnungsmesser A verwendete elektronische Einrichtung genauex beschrieben werden. Da die Dehnungsmesser 16 und 16' im wesentlichen unabhängig voneinander sind, ist eine doppelkanalige Ausführung der elektronischen Einrichtung für die beiden Dehnungsmesser 16 und 16' vorgesehen, mit der Ausnahme, daß ein einziger Signalgeber zum Erregen der Dehnungsmesser verwendet werden kann. Der Dehnungsmesser 16 wird von einem einen sehr niedrigen Ausgangswiderstand aufweisenden Oszillator 60 her durch zwei gegeneinander um 1800-phasenversetzte Trägersignale gleicher Amplitude erregt. Die Leitung 38 verbindet also einen ersten Phasenausgang des Oszillators 60 mit der Kondensatorplatte 22. Entsprechend verbindet die Leitung 40 den Ausgang für die zweite Phase (um 1800 gegenüber der ersten Phase phasenversetzt) des Oszillators 60 mit der Kondensatorplatte 24. Da ein einziger Oszillator 60 zur Erregung beider Dehnungsmesser 16 und 16' verwendet werden kann, sind die Kondensatorplatten 22 und 22' parallel zueinander an die Leitung 38 und die Kondensatorplatten 24 und 24' parallel zueinander an die Leitung 40 angeschlossen.
Der Dehnungsmesser 16 kann mit zwei veränderbaren Kondensatoren verglichen erden, die miteinander in der Weise gekoppelt sind, daß ihre Kapazitäten sich invers zueinander ändern, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Die Ausgänge der beiden Kondensatoren fallen zusammen in der Kondensatorplatte 28, die mit einer Ausgangsleitung 36 verbunden ist.
Ohne eine erzwungene Spannung oder Deformation sind die von den Blendenplatten 32 und 34 gebildeten Kondensatorspalte C1 und C2 im wesentlichen identisch in ihrer Größe, so daß gleiche Amplituden des ersten in Phase befindlichen Oszillatorsignales und des zweiten oder phasenversetzten Oszillatorsignales mit der Kondensatormeßplatte 28 gekoppelt werden. Die Signale gleicher Amplitude löschen einander aus, so daß das Ausgangssignal des Dehnungsmessers 16 bei nicht vorhandener Deformation gleich Null ist. Ein Zu- sammendrücken der Oberfläche, an der eine Deformation gemessen werden soll, führt zu einer Verengung der Kondensatorspalte Cl und gleichzeitig zu einer Erweiterung der Kondensatorschlitze C2. Daraus ergibt sich eine Reduzierung der Amplitude des durch die Kondensatorschlitze C1 mit der Kondensatormeßplatte 28 gekoppelten, in Phase befindlichen Oszillatorsignals und gleichzeitig eine Vergrößerung der Amplitude des durch die Kondensatorspalte C2 hindurch mit der Kondensatormeßplatte 28 gekoppelten phasenverschobenen Oszillatorsiganls. Eine Druckdeformation verursacht also ein phasenverschobenes Ausgangssignal an der Ausgangsleitung 36. Entsprechend bewirkt eine Dehnungsdeformation die Vergrößerung der Kondensatorspalte C1 und eine Verengung der-Kondensatorspalte C2, was zu einem in Phase befindlichen Ausgangssignal an der Ausgangsleitung 36 führt.
Um das an der Ausgangsleitung 36 auftauchende Signal aufzunehmen und zu messen1 ist die Ausgangsleitung 36 an den Eingang eines Ladungsverstärkers 62 zur Verstärkung des Signals angeschlossen. Der Ladungsverstärker 62 weist einen Rückkopplungskondensator 66 auf, der den Ausgang 64 mit dem Eingang an der Ausgangsleitung 36 koppelt. Die durch den Rückkopplungskondensator 66 bewirkte negative Rückkopplung dient dazu, die Ausgangsleitung 36 auf einem virtuelen Erdpotential zu halten. Insbesondere hat also das Auftauchen eines Signals in der Ausgangsleitung 36 zur Folge, daß genügend Ladung auf den Rückkopplungskondensator 66 zurückfließt, um die Ausgangsleitung 36 auf ein virtuelles Erdpotential zu bringen.
Durch das Halten der Ausgangsleitung 36 auf einem virtuellen J Erdpotential wird die Empfindlichkeit der Anordnung gegenüber einer Änderung der Kabelkapazität und gegenüber Störsignalen weiter vermindert. Darüberhinaus kann die Ausgangsleitung 36 in einem einfachen geerdeten Abschirmkabel ohne nachteilige Auswirkungen geführt werden. Die mit dem orthogonal ausgerichteten Dehnungsmesser 16' verbundene Ausgangsleitung 36' kann in dem gleichen Abschirmkabel parallel zur Leitung 36 verlaufen.
Der Ausgang 64 des Ladungsverstärkers 62 kann mit einem phasenempfindlichen Detektor 165 zur Erzeugung eines einfachen Gleichstromsignales verbunden sein, das proportional zur Kapazitätsdifferenz und damit proportional zur Deformation ist. Der Detektor 165, beispielsweise ein Demodulator, dient dazu, die Wechselstromträgersignale zu eliminieren, die sachliche Amplitudeninformation aber zu erhalten. Der Demodulator ist vorzugsweise phasenempfindlich, um eine Unterscheidung zwischen kompressiven und extensiven Deformationen treffen zu können, die entsprechend der vorstehenden Beschreibung Ausgangssignale entgegengesetzter Phase erzeugen.
Pur die Konstruktion eines zweiachsigen kapazitiven Dehnungsmessers A entsprechend der vorliegenden Erfindung kann eine Vielzahl von Materialien verwendet werden. Es wurde jedoch gefunden, daß bestimmte Materialien für die Verwendung des Dehnungsmessers in Umgebungen mit hoher Temperatur besonders geeignet sind. So sind die Lamellen 1o, 12 und 14 vorzugsweise aus Aluminium hergestellt, während die Kondensatorplatten 22, 24, 22', 24', die Kondensatormeßplatten 28 und 28' und die Abschirmplatten20 vorzugsweise aus auf die Oberfläche der Lamellen 10, 12 und 14 aufgedrucktem Platin bestehen.Die Blendenplatten 32, 34, 32' und 34' sind vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt. Die Durchbrechungen 32a, 34a, 32a' und 34a' werden üblicherweise durch ein übliches FotoAtzverfahren erzeugt. Die dielektrischen Isolierschichten 26, 30, 26' und 30' können im wesentlichen von einem dünnen Keramikfilm gebildet sein Die Leitungen 36, 36', 38 und 40 können aus Nickel hergestellt sein. Alle diese Materialien wurden aufgrund ihres Widerstandes gegen eine Oxidation bei hohen Temperaturen ausgewählt, wodurch die bevorzugte AusfAhrungsform der vorliegenden Erfindung besonders geeignet ist für die Verwendung in Umgebungen mit hohen Temperaturen. So wurde beispielsweise eine erfindungsgemäße Konstruktion über lange Zeiträume bei Temperaturen von annähernd 593,60C (1loo°F) erfolgreich verwendet. Natürlich können auch andere für eine gegebene Umgebung geeignete und die erforderlichen elektrischen Eigenschaften aufweisenden Materialien verwendet werden.
Der wesentliche Teil der zwischen deh Kondensatorplatten einerseits und der Kondensatormeßplatte andererseits entwickelten Kapazität ist eine Folge des Luftspaltes zwischen den Platten. Der Dehnungsmesser A kann jedoch auch mit irgendeiner nicht leitenden Flüssigkeit in dem Spalt zwischen diesen Platten arbeiten, so lange diese Flüssigkeit die Bewegung der Blendenplatten 32, 34, 32' und 34' nicht physisch behindert.
Der Dehnungsmesser A gemäß der vorliegenden Erfindung kann in jeder beliebigen Größe gebaut werden. Eine geeignete Ausführungsform weist einen Lamellenstapel von im wesentlichen quadratischem Grundriß auf mit einer Kantenlänge von 12,7 mm und einer Höhe von 2,31 mm. Eine bevorzugte Nenndicke für alle Platten und Schichten mit Ausnahme der Lamellen 1o, 12 und 14 ist o,o254 rnm. Es wurde gefunden, daß bei einer derartigen Konstruktion eine Zahl von vier Durchbrechungen 32a oder 34 in den Blendenplatten 32 oder 34 geeignet ist. Entsprechend weisen bei dieser Ausführungsform die Kondensatorplatten 22 und 24 jeweils vier längliche Vorsprünge oder Finger auf, wobei vier Kondensatorspalte C1 zur Kopplung der Kondensatorplatte 22 an die Kondensatormeßplatte 28 und vier Kondensatorspalte C2 zur Kopplung der Kondensatorplatte 24 an die Kondensatormeßplatte 28 vorhanden sind. Natürlich können je nach der gewünschten Größe und Form des Dehnungsmessers auch andere Abmessungen und Anzahlen von Durchbrechungen und Spalten verwendet werden.

Claims

" Vorrichtung zur kapazitiven Dehnungsmessung Patentansprüche Vorrichtung zur kapazitiven Deformationsmessung , g e k e n n z e i c h n e t durch mindestens zwei jeweils einen Spalt zwischen sich begrenzende Trägerplatten (lo, 12, 14), zwei auf der den Spalt begrenzenden Oberfläche einer Trägerplatte (12) angeordnete erregbare Kondensatorplatten (22, 24, 22', 24'), eine auf der den Spalt begrenzenden Oberfläche der anderen Trägerplatte (10, 14) und parallel zu den erregbaren Kondensatorplatten (22, 24, 22', 24') angeordnete Kondensatormeßplatte (28, 28') und eine Blendenanordnung (32, 34, 32', 34') zwischen den Kondensatorplatten (22, 24 bzw. 22', 24') und der Kondensatormeßplatte (28 bzw.

28') zur Veränderung der Differenz der Kapazitäten zwischen den Kondensatorplatten (22, 24) bzw. 22', 24') und der Kondensatormeßplatte (28 bzw. 28') in Abhängigkeit einer Veränderung der Blendeneinstellung.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Blendenanordnung (2) je mindestens eine Durchbrechung (32a bzw. 34a) aufweisende Blendenplatten (32, 34, 32', 34') aufweist, daß sich die Durchbrechungen (32a) der einen Blendenplatte (32, 32') mit den Durchbrechungen (34a) der anderen Blendenplatte (34, 34') überlappen, um dadurch Kondensatorspalte (Ci, C2) zu bilden, deren Größe mit der Verschiebung der Blendenplatten (32, 34 bzw. 32', 34') relativ zueinander veränderbar ist, daß die Blendenplatten (32, 34, 32', 34') nach entgegengesetzten Seiten aus dem Spalt herausragen und daß Kupplungsmittel (33, 35, 33') vorgesehen sind, um die aus dem Spalt herausragenden Abschnitte der Blendenplatten (32, 34, 32', 34) mit der Meßoberfläche zu verbinden, in der eine Deformation gemessen werden soll.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Kupplungsmittel ein Paar von Abstandselementen (33, 35, 33') umfassen, die in ihrer Dicke dem Abstand zwischen den jeweils nach außen herausragenden Abschnitten der Blendenplatten (32, 34, 32', 34') und der Meßoberfläche entsprechen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e-k e n n z e i c h n e t , daß die erregbaren Kondensatorplatten (22, 24, 22', 24') eine Mehrzahl länglicher, parallel und mit einem Abstand zueinander angeordneter fingerartiger Vorsprünge aufweisen, wobei die Vorsprünge einer Kondensatorplatte (22, 22') jeweils zwischen den Vorsprüngen der anderen Kondensatorplatte (24, 24') liegen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß sie eine Oszillatoreinrichtung (60) umfaßt, um Wechselstromträgersignale an die erregbaren Kondensatorplatten (22, 24, 22', 24') anzulegen, wobei das an die eine erregbare Kondensatorplatte (22, 22' bzw. 24, 24') angelegte Trägersignal bezüglich des an die andere aktive Kondensatorplatte (24, 24' bzw. 22, 22') angelegten Trägersignals um 180° phasenverschoben ist, und daß ein phasenempfindlicher Detektor (165) vorgesehen ist zur Messung von Größe und Phase der durch die Blendenanordnung hindurch an die Kondensatormeßplatte (28, 28') gekoppelten Signale.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß drei stapelartig übereinander geschichtete Trägerplatten (10, 12, 14) vorgesehen sind, von denen je zwei einen Spalt zwischen sich definieren, daß in jedem Spalt mindestens ein kapazitätsveränderndes, verschiebbar angeordnetes und aus dem Spalt herausragendes Element angeordnet ist, daß der eine der zwischen je zwei Trägerplatten (10, 12 bzw. 12, 14) ausgebildeten Deformationsmesser (16, 16') gegenüber dem anderen Deformationsmesser (16', 16) um einen vorbestimmten Winkel verdreht angeordnet ist und daß Kupplungsmittel (33, 35, 33') vorgesehen sind, um die nach außen herausragenden Abschnitte der kapazitätsverändernden Elementes mit der Meßoberfläche zu verbinden, in der eine Deformation gemessen werden soll.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der vorbestimmte Winkel etwa 900 beträgt, wodurch die Meßachsen der beiden Deformationsmesser (16, 16') orthogonal zueinander verlaufen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Verbindungsmittel eine Mehrzahl von Abstandselementen (33, 35, 33') umfassen, die in ihrer Dicke dem Abstand zwischen den jeweils nach außen hervorragenden Abschnitten der kapazitätsverändernden Elemente (32, 34, 32', 34') und der Meßoberfläche entsprechen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h-n e t , daß die beiden Deformationsmesser (16, 16') jeweils mindestens eine erregbare Kondensatorplatte (22, 24, 22', 24') an der Oberfläche einer spaltbegrenzenden Trägerplatte (12) und eine parallel zu der Kondensatorplatte (22, 22', 24, 24') angeordnete Kondensatormeßplatte (28, 28') an der zum Spalt hinweisenden Oberfläche der anderen Trägerplatte (1o, 14) aufweisen, wobei das kapazitätsverändernde Element (32, 34, 32', 34') zwischen der Kondensatorplatte (22, 24, 22', 24') und der Kondensatormeßplatte (28, 28') liegt.
lo. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß mit jeder der erregbaren Kondensator- n platten (22, 22', 24, 24') eine Oszillatoreinrichtung (60) zum Erzeugen eines Wechselstromträgetsignals verbunden ist und daß ein Detektor (165) vorgesehen ist, um die durch die entsprechenden kapazitätsverändernden Elemente (32, 34, 32', 34') hindurch mit den Kondensatormeßplatten (28, 28') gekuppelten Wechselstromträgersignale aufzunehmen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 1o, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Detektorvorrichtung einen mit der Kondensatormeßplatte (28) verbundenen Ladangsverstärker (62) aufweist und daß eine den Ausgang und den Eingang des Ladungsverstärkers (62) miteinander koppelnde Rückkopplungsschleife vorgesehen ist, um ein virtuelles Erdpotential am Verstärkereingang zu erzeugen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Rückkopplungsschleife einen Kondensator (66) aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß sie einen phasenempfindlichen Demodulator (165) aufweist, der mit dem Ausgang (64) des Ladungsverstärkers (62) verbunden ist.