DE3347505A1

DE3347505A1 - Kraftmessdose mit dehnungsmessstreifen

Info

Publication number: DE3347505A1
Application number: DE19833347505
Authority: DE
Inventors: Georg Dr.-Ing. 1000 Berlin Wazau
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-12-27
Filing date: 1983-12-27
Publication date: 1985-07-04

Description

Beschreibung Kraftmeßdose mit Dehnungsmeßstreifen

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßdose mit plattenförmiger
Feder mit Dehnungsmeßstreifen. Die Dehnungsmeßstreifen weisen
eine Gestalt auf, die der Dehnungsverteilung in der Feder angepaßt ist. Man erreicht so einen kleinen Meßfehler.

Eine bekannte Kraftmeßdose (JJ ist in Fig. 1, A) dargestellt. Sie besteht aus dem Rahmen 1, der meist aus dem Vollen gearbeiteten Feder 2 und dem Bolzen 3, über den die zu messende Kraft F eingeleitet wird. Die Kraft F - hier eine Druckkraft - ruft an der Unterseite der Feder 2 die in Figur 1, B) dargestellten Dehnungen hervor. Die radiale Dehnung £_ ist im bolzennahen Bereich der
Feder 2 positiv und im rahmennahen Bereich der Feder 2 negativ. Die tangentiale Dehnung £. , also die Dehnung, die in Richtung
konzentrischer Kreise um den Bolzen 3 auftritt, bleibt über den ganzen Bereich der Feder 2 positiv. Zum Messen der Kraft F versieht man gemäß Fig. 1 , C) die Unterseite der Feder 2 meist mit vier Dehnungsmeßstreifen (DMS) 4, 5, 6 u. 7, die in radialer Richtung aufgeklebt sind. Die DMS 5 und 6 werden einer positiven Dehnung έ unterworfen, die DMS 4 u. 7 einer negativen Dehnung έ. . Die DMS 4, 5, 6 u. 7 schaltet man zu einer Wheatstone¹sehen
Brücke C 2] zusammen. Man erhält so hohe Empfindlichkeit und vor allem die Kompensation von Temperatureinflüssen, da alle DMS der gleichen Temperatur unterworfen sind, also gleiche temperaturbedingte Änderungen erfahren und sich diese in der Brückenschaltung [_2J aufheben. ■""·'·""

Die Anordnung der DMS gemäß Fig. 1, C) besitzt jedoch einige

Nachteile: Bei nichtzentrischer Einleitung der Kraft F verteilt sich die Dehnung ungleichmäßig in der Feder 2, was die DMS 4,5,6 u.

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infolge ihrer kleinen Fläche nicht ausgleichen können. Außerdem konzentriert sich die durch den Meßstrom in den DMS 4,5,6 u. 7 hervorgerufene Verlustwärme auf kleine Flächen, kann deshalb schlecht abgeführt werden und verändert deshalb die meßtechnischen Eigenschaften der DMS 4,5,6 u. 7 sowie des Werkstoffes der Feder 2. Schließlich kann die Dehnung t, nicht oder nur schlecht zur Messung verwendet werden, da die DMS 4,5,6 u. 7 sich in ihrer linearen Konfiguration dem Verlauf der Dehnung £ längs konzentrischer Kreise um den Bolzen 3 nicht anpassen können, also eine kleinere Empfindlichkeit aufweisen, als sie der Dehnung &. entspricht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben geschilderten Nachteile dadurch zu vermeiden, daß eine besondere Konfiguration der DMS verwendet wird.

In Fig. 1, D) ist ein Beispiel der Erfindung dargestellt. Anstelle der DMS 4,5,6 u. 7, deren Meßgitter linear ausgerichtet ist, werden DMS 8,9,10 u. 11 verwendet. Der DMS 8 hat ein Meßgitter, dessen dünne, also meßempfindliche Stränge radial ausgerichtet sind. Er spricht also auf die Dehnung £ gemäß Fig. 1, B) an. Er bedeckt eine große, etwa halbkreisringförmige Fläche. Der DMS 9 spricht auf die Dehnung ί. an; sein Meßgitter ist ebenfalls etwa halbkreisringförmig und bedeckt eine große Fläche; es ist insbesondere soweit vom Bolzen 3 entfernt, daß eine bei nicht zentrischer Einleitung der Kraft F in der Feder 2 auftretende ungleichmäßig verteilte Dehnung das Meßgitter nicht erreicht. Doch noch im Bereich des Meßgitters auftretende ungleichmäßig verteilte Dehnungen werden infolge der Größe des Meßgitters ausgemittelt. Zusätzlich ist es von Vorteil, daß die durch den Meßstrom in den Dehnungsmeßstreifen 8,9,10 u. 11 hervorgerufene Verlustwärme auf größere Flächen der Feder 2 wirkt und deshalb leichter durch die Feder 2 abgeführt werden kann. Auch die Abführung der Verlustwärme durch Konvektion wird verbessert. Beide Effekte haben besondere Bedeutung bei sehr kleinen Kraftmeßdosen, weil die Feder 2 an sich schon eine kleine Fläche aufweist und zusätzlich dünn ist. \

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ORIGINAL INSPECTED

Meist wird man die DMS 8,9,1Ou. 11 auf einem gemeinsamen Träger aufbringen, weil dann ihre Herstellung vereinfacht wird und das Aufkleben in einem einzigen Arbeitsgang erfolgen kann.

Die Meßgitter der DMS 8,9,1Ou. 11 bestehen meist aus dünnem Metall, z.B. Konstantan \ji~\- Sie lassen sich jedoch auch aus Halbleitern [ß'j herstellen; die entsprechenden DMS besitzen dann eine wesentlich höhere Empfindlichkeit, als sie DMS mit einem Meßgitter aus Metall aufweisen.

Meist werden der Rahmen 1, die Feder 2 und der Bolzen 3 aus Metall gefertigt. Es ist aber auch möglich, diese Teile aus n-Silizium zu fertigen j~4j , in das aktive p-Schichten in gleicher Konfiguration eindiffundiert sind, wie sie die DMS 8,9,10 und 11 aufweisen. Man erreicht so vor allem hohe Empfindlichkeit.

Schrifttum

Jj] Rohrbach, Chr. und G. Andrcae: Eine neuartige flache Präzisionskraftmeßdose einfacher Bauart mit Dehnungsmeßstreifen, Materialpr. 3 (1961) Nr. 8, S. 300 bis 304

[2] Rohrbach, Chr.: Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen. VDI-Verlag, Düsseldorf (1967) S. 243 bis 251

j_3J Wie 2 , aber S. 130 '■ ,

"4] Wie 2 , aber S. 134 bis 138 ' -·· Ί?·.-,,-_ν

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Claims

Krartmesacse τα?.τ. uernungsraeuscreiren Patentansprüche

1. Kraftmeßdose mit plattenförmiger Feder (2) mit Dehnungsmeßstreifen DMS (4,5,6 und 7), dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren DMS (8 und 11) ein in radialer Richtung empfindliches Meßgitter besitzen, das sich im Bereich der negativen Radialdehnung ((_ ) befindet, und daß die inneren DMS (9 und 10) ein in tangentialer Richtung empfindliches Meßgitter aufweisen, das im Bereich hoher Tangentialdehnung (?■-.) angeordnet ist.

2. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgitter der inneren DMS (9 und 10) etwa in Größenordnung des Durchmessers des Bolzens (3) von diesem entfernt angeordnet ist.

3. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die DMS

(8,9,10 und 11) ein metallisches Meßgittcr oder ein Meßgitter aus Halbleitern aufweisen.

4. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (2) und/oder der Rahmen (1) und/oder der Bolzen (3) aus Silizium bestehen, in die als Meßgitter leitende Schichten eindiffundiert sind.

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