DE3508610A1 - Schaltungsanordnung fuer dehnungsmessstreifen - Google Patents

Schaltungsanordnung fuer dehnungsmessstreifen

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DE3508610A1 DE19853508610 DE3508610A DE3508610A1 DE 3508610 A1 DE3508610 A1 DE 3508610A1 DE 19853508610 DE19853508610 DE 19853508610 DE 3508610 A DE3508610 A DE 3508610A DE 3508610 A1 DE3508610 A1 DE 3508610A1
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    • G01R17/10—AC or DC measuring bridges
    • G01R17/12—AC or DC measuring bridges using comparison of currents, e.g. bridges with differential current output

Description

  • Beschreibung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Bei einer derartige bekannten Schaltungsanordnung (DE-OS 32 13 319) sind eine Vielzahl von Meßwertgebern erforderlich, wenn sowohl Kräfte als auch Drehmomente gemessen werden sollen. Entsprechend hoch ist dann der Bedarf für die Schaltung und der daraus resultierende Platzbedarf.
  • Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit dem Problem, sowohl den Platz- als auch den Schaltungsaufwand zu verringern. Erreicht wird dies durch eine Schaltungsanordnung nach den Patentansprüchen.
  • Derartige Schaltungen sparen bei gewissen Gebern, die sowohl Kräfte als auch Drehmomente messen können und auf der Basis von Dehnungsmeßstreifen arbeiten, die Hälfte des Platz- und Schaltungsbedarfs, ferner ergibt sich eine Verbesserung bei der Fehlersuche.
  • Als Beispiel sei ein an sich bekanntes Meßkreuz nach Fig. le betrachtet. Die vier Speichen 1, 7, 5, 3 sind in einer möglichst steifen Nabe N eingespannt. Sie sind gleich lang und haben gleichen quadratischen Querschnitt. Die Außenlagerung der Speichen ist ebenfalls gleich. Das im folgenden verwendete Koordinatensystem ist in Fig. lb dargestellt. Zur Aufnahme der bei Belastung auftretenden elastischen Verformungen sind an der Oberseite der Speichen, möglichst dicht an der Einspannstelle, Dehnungsmeßstreifen la, 3a, 5a, 7a aufgeklebt (s. Fig. la). Ihnen entsprechen Dehnungsmeßstreifen lb, 3b, 5b, 7b auf der Unterseite der Speichen (nicht eingezeichnet).
  • Wenn nun eine Kraft Pl an der Nabe N angreift (s. Fig. 2.1) werden alle vier Speichen in gleicher Weise verbogen, und zwar so, daß die Streifen la, 3a, 5a, 7a (die a-Streifen) gedehnt werden, wodurch sich der elektrische Widerstand derselben erhöht. In ähnlicher Weise werden die b-Streifen gestaucht und ihr elektrischer Widerstand vermindert.
  • Bei Belastung durch ein Drehmoment M2 werden die Streifen 3b und 7a gedehnt (s. Fig. 2.2) und die Streifen 3a und 7b gestaucht. Die Streifen la,b und 5a,b werden nicht verformt, weil die Speichen 1 und 5 lediglich auf Drehung beansprucht werden.
  • In ähnlicher Weise werden durch ein Drehmoment M3 die Streifen lb und 5a gedehnt, die Streifen la und 5b gestaucht, während die Streifen 3a,b und 7a,b unverformt bleiben (s. Fig. 2.3).
  • Um die Widerstandsänderungen und damit die Verformungen, die bei Belastung auftreten, messen zu können, werden die Widerstände (Dehnungsmeßstreifen) in geeigneter Form zusammengefaßt und an eine Stromquelle angeschlossen. Bei Belastung werden die Veränderungen geeignet gewählter Potentiale gemessen (Brückenschaltung).
  • Für den Belastungsfall nach Fig. 2.1 eignet sich z.B. die Schaltung nach Fig. 3. Da alle a-Streifen gedehnt, alle b-Streifen gestaucht werden, verändern sich die Potentiale v und v' in Richtung der eingezeichneten Pfeile (hin zu den gestauchten b-Streifen), und der Differenzmeßverstärker (instrumentation amplifier) liefert die Ausgangsspannung Ua= kp(v - v'), wobei die Konstante kp am Meßverstärker eingestellt werden kann. v,v' bedeuten die Änderungen der Potentiale. Ihr Mittelwert interessiert nicht.
  • Die Meßverstärker messen nur die Differenz v - v'. Die Gleichtaktänderung v + v' wird weitgehend unterdrückt.
  • Die als Monolithbausteine ausgeführten Meßverstärker sind von hoher Qualität, haben einen Eingangsruhestrom von wenigen nA und einen sehr hohen Eingangswiderstand von etwa looo Megohm. Die Meßverstärker beeinflussen daher die Potentiale v, v' überhaupt nicht.
  • Auf Drehmomente spricht die Schaltung nach Fig. 3 nicht an. Im Falle M2 bleiben die Widerstände in den linken Brückenzweigen unverändert (s. Fig. 2.2), während sich die Widerstandsänderungen von 3b und 7b bzw. von 3a a und 7a gegenseitig aufheben. Ahnliche Überlegungen gelten für den Fall M3.
  • Eine Schaltung, die auf Drehmomente anspricht, zeigt Fig. 4, in der man sich die Meßverstärker MV3 und MV4 weggelassen denken muß. Hier liegen die vier Halbbrücken parallel an der Stromquelle. Auf die Belastung M3 spricht die linke Hälfte der Schaltung an (s. Fig. 2.3), während die Widerstande der rechten Seite unverändert bleiben.
  • Entsprechend spricht auf die Belastung M2 nur die rechte Seite der Schaltung an (vgl. Fig. 2.2). Die Richtungen der Potentialänderungen werden auf dieselbe Weise ermittelt wie bei der Schaltung nach Fig. 3. Jedoch sind die entsprechenden Pfeile nicht in Fig. 4 eingezeichnet.
  • Stattdessen werden die Potentialänderungen durch Zahlen gekennzeichnet (1, -1,0) und sind in Tabelle 1 zusammengestellt. 1 bedeutet Zunahme des Potentials, - bedeutet eine Abnahme, 0 heißt, daß das Potential unverändert bleibt.
  • TABELLE 1 Potentialänderungen v1 , 5, 3, 7 und Ausgangsspannungen M3,M2,P1 in drei Belastungsfällen
    Belast. -Isetvektor E F E T M3 M2 R1
    Fall
    1 t =t1 0 0] -1 -1 1 1 0 0 4kp
    2 M2=tO 1 0) 0 0 -1 1 0 2kM 0
    3 M3-[0 C 13 1 -1 0 0 2kw 0 0
    Die Ausgänge der beiden Meßverstärker MV1, MV2 liefern die Ausgangs spannungen M2 = kM(v7 - s3) (1) M3 = km(v1 - V5) (2).
  • M2, M3 sind in diesen Formeln skalare Größen, in Tabelle 1 sind es Vektoren, in denen nur eine Komponente von null verschieden ist. Die Konstante kM wird an den Meßverstärkern MV1, MV2 eingestellt. Setzt man nun die Werte v1, 3, 5, 7 der Tabelle 1 in die Formeln (1), (2) ein, so ergeben sich für M2 und M3 nach richtiger Einstellung der Konstanten die der physikalischen Belastung entsprechenden Werte, wie sie in Tabelle 1 angegeben sind.
  • Da die Dehnungsmeßstreifen nicht gleichzeitig in die Schaltungen Fig. 3 und 4 eingebaut werden können, benutzt man gewöhnlich zwei Lagen von Dehnungsmeßstreifen, wie z.B. in der DE-OS 32 13 329 angegeben (s. dort Fig. 6 und 7). Bei kleinen Abmessungen kann diese- Forderung sehr unangenehm werden. Außerdem nimmt die Krümmung der Speichen und damit die Empfindlichkeit der Messung mit steigender Entfernung von der Einspannstelle rasch ab.
  • Diese Nachteile lassen sich erfindungsgemäß dadurch vermeiden, daß in der Schaltung Fig. 4 die beiden dort eingezeichneten zusätzlichen Meßverstärker MV3, MV4 eingebaut werden. Damit wird die Schaltung nach Fig. 3 überflüssig. Vier Halbbrücken, das ist die Hälfte der MeB-streifen der konventionellen Anordnung, werden eingespart und damit auch der mit ihnen verbundene Schaltungsaufwand, der gewissermaßen in die beiden zusätzlichen Meßverstärker verlegt wird.
  • Die Ausgangsspannungen von MV3 und MV4 münden in eine Summierschaltung mit einem Standardoperationsverstärker OV, dessen Ausgang somit die Größe Pl = kp((v3 - v1) + (v7 -v5)) (3) liefert. Mit Hilfe der Gleichung (3) werden die restlichen Werte der Tabelle 1 berechnet. Man erkennt, daß die vollständige Schaltung Fig. 4 die Dehnungsmeßbrücken in zweifacher Weise ausnutzt. Eine gegenseitige Beeinflussung der an ein- und demselben Potential angeschlossenen Meßverstärker ist angesichts der hohen Eingangswiderstände und der niedrigen Eingangsruheströme nicht zu befürchten.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich bei der Fehlersuche. Ein defekter Dehnungsmeßstreifen ändert unter Belastung nicht mehr seinen Widerstand. Die Potentialänderung der defekten Halbbrücke ist dann nur noch die Hälfte der Potentialänderung einer intakten Halbbrücke.
  • Führt man mit den neuen Potentialänderungen v1,5,'7 die Berechnung von M2, M3, Pl wiederum durch, so ergeben sich die Werte der Tabelle 2.
  • TABELLE 2 Potentialänderungen v1 3, 5, 7 und Ausgangs spannungen M3, M2, Pl bei defekten Halbbrücken in drei Belastungsfällen
    Belast.- Nr. der defek- v1 v5 v3 v7 M3/kM M2/kM P1/Kp
    Fall ten Halbbrücke
    1 1 -0,5 -1 1 1 1 0,5 0 3,5
    3 -1 -1 -0,5 1 0 0,5 3,5
    5 -1 -0,5 1 1 -0,5 0 3,5
    7 -1 -1 1 0,5 0 -0,5 3,5
    2 1
    3 0 0 -0,5 1 0 1,5 0,5
    5 - -
    7 0 0 -1 -0,5 0 1,5 -0,5
    3 1 0,5 -1 0 0 1,5 0 0,5
    3
    5 ! 1 -0,5 0 0 S 1,5 0 -0,5
    7
    Bereits der erste Belastungsfall erlaubt die eindeutige Identifizierung der defekten Halbbrücke. Bei der Schaltung nach Fig. 3 ist dies nicht möglich. Man kann nur feststellen, in welcher Hälfte der Schaltung der Fehler liegt.
  • Ein zweites Anwendungsbeispiel zeigen die Fig. 5a,b. Das Koordinatensystem (s. Fig. 5c) ist dasselbe wie im ersten Beispiel (s. Fig. lb). Vier senkrechte Stützen sind in die massive Kreisplatte F eingespannt. Möglichst nahe der Einspannstelle sind an jeder Stütze vier Dehnungsmeßstreifen aufgeklebt. Je zwei gegenüberliegende Meßstreifen auf der gleichen Stütze sind zu einer Halbbrücke zusammengefaßt.
  • Insgesamt gibt es acht derartige Halbbrücken la,b bis 8a,b. Unter der Belastung P2 werden die Dehnungsmeßstreifen 2a, 3a, 7a, 6b gestaucht (s. Fig. 6.1), unter der Belastung P3 sind es die Dehnungsmeßstreifen la, 5a, 8a, 4b (s. Fig. 6.2) und unter der Belastung M1 die Dehnungsmeßstreifen la, 3a, 5b, 7b (s. Fig. 5a).
  • Sämtliche Halbbrücken werden nun parallel an eine Stromquelle angeschlossen, wie in Fig. 7 angegeben. Nunmehr werden die Potential änderungen ähnlich wie bei Tabelle 1 berechnet. Sie sind zusammengestellt in der nachfolgenden Tabelle 3.
  • TABELLE 3 Potentialänderungen v1 bis v8 in der Schaltung Fig. 7 für drei Belastungsfälle Belast.- Belastungs-Fall # vektor v1 v2 v3 v4 v5 v6 V7 VA 1 P2=[0 1 03 0 1 -1 0 0 -1 1 0 2 P3=E0 0 1] 1 0 0 -1 -1 0 0 1 3 M1=[1 0 0] 1 0 -1 0 1 0 -1 0 Setzt man nun zur Berechnung der Kräfte und Momente analog zu Ci), (2), (3) die Formeln P2 = kP ((v2-v6) + (v7 - v3)), (4) P3 = kp ((v1 - v5) + (v8 - v4)), (5) M1 = kM ((v1 - v3) + (v5 - v7)), (6) an, so erhalt man nach Einsetzen der v1 bis v8 aus Tabelle (3) die Werte der nachfolgenden Tabelle 4.
  • TABELLE 4 Ausgangsspannungen der Schaltung Fig. 8,9 in drei Belastungsfällen Belast.- Belastungs- P2/kp P3/kp M1/kM Fall vektor 1 P2=[0 1 0] 4 0 0 2 P3=[0 0 1] 0 4 0 3 M1=[1 0 0] 0 0 4 Eine ähnliche Fehlerbetrachtung wie zu Schaltung Fig. 4 führt zunächst zu Tabelle 5.
  • TABELLE 5 Potentialänderungen v1 bis v8 bei defekten Halbbrücken in drei Belastungsfällen in der Schaltung Fig. 7 Bel.- Nr.der Falle defekt.
  • Halbbrückte v1 v2 v3 v4 v5 v6 v7 v8 1 1 2 0 0,5 -1 0 0 -1 1 0 3 0 1 -0,5 0 0 -1 1 0 4 5 6 0 1 -1 0 0 -0,5 1 0 7 0 1 -1 0 0 -1 0,5 0 8 TABELLE 5 (Fortsetzung) Bel.- Nr.der Fall defekt.
  • Halbbrücke v1 v2 v3 v4 v5 v6 v7 v8 2 1 0,5 0 0 -1 -1 0 0 1 2 3 4 1 0 0 -0,5 -1 0 0 1 5 1 0 0 -1 -0,5 0 0 1 6 7 8 1 0 0 -1 -i 0 0 0,5 3 1 0,5 G -1 0 1 0 -1 0 2 3 1 0 -0,5 0 1 0 -1 C 4 5 1 0 -1 0 0,5 0 -1 0 6 7 1 0 -1 0 1 0 -0,5 C 8 Nach Einsetzen der in Tabelle 5 aufgeführten Potentialänderungen in die Formeln (4) bis (6) ergeben sich schließlich die Werte der Tabelle 6.
  • TABELLE 6 Ausgangsspannungen der Schaltung Fig. 8, 9 bei defekten )ehnungsmeßstreifen für drei Belastungsfälle Nr. der Bel.- defekten p2/kp p3/kp M1/kM Fall Halbbrücke 1 1 -2 3,5 0 0 3 3,5 0 -0,5 4 5 6 3,5 0 0 7 3,5 0 0,5 8 2 1 0 3,5 2 3 4 0 3,5 ° 5 0 3,5 0,5 6 7 -8 0 3,5 0 3 1 0 -0,5 3,5 2 3 -0,5 0 3,5 4 5 0 0,5 3,5 6 7 C,5 0 3,5 Tabelle 6 dient als Grundlage für die Fehlersuche. Bereits durch die Belastung 3 kann ein Fehler unter den ungeradzahligen Halbbrücken 1, 3, 5, 7 identifiziert werden. Mit Hilfe der Belastungen 1 und 2 kann dann nur noch festgestellt werden, ob der Fehler in den Halbbrückenpaaren 2, 6 oder 4, 8 liegt. Die fehlerhafte geradzahlige Halbbrücke findet man mit Hilfe der zusätzlichen Meßverstärker MV7, MV8 (s. Fig. 9), welche die Ausgangsspannungen Ci = v1 - v8, (7) C2 = v6 - v3, (8) liefern. Da die Halbbrücken 1 und 3 geprüft und in Ordnung sind, liegt der Fehler entweder bei 6 oder 8. Dann kann, falls auch diese Halbbrücken in Ordnung sind, der Fehler nur noch bei 2 oder 4 liegen, und aus den bereits bekannten Ergebnissen bei Belastungen 1 oder 2 nach Tabelle 6 kann entschieden werden, ob 6 oder 8 defekt ist.
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt es auch, sämtliche Halbbrücken mit nur einem einzigen Meßverstärker zu überprüfen, wenn dieser mit Hilfe elektronischer Schalter wechselweise an die verschiedenen Halbbrückenkombinationen angeschlossen wird. Auf eine weitere Erörterung dieser nicht mehr zur Erfindung gehörenden Möglichkeiten kann hier verzichtet werden.

Claims (3)

  1. Schaltungsanordnung für Dehnungsmeßstreifen Patentansrüche 1. Schaltungsanordnung für Dehnungsmeßstreifen, bei der mindestens vier Halbbrücken in Parallelschaltung an einer Stromquelle liegen, die Potentiale der Halbbrücken paarweise zusammengeschaltet und die Potentialdifferenzen durch Differenzmeßverstärker mit sehr hohem Eingangswiderstand und sehr niedrigem Eingangs strom ermittelt werden, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß beliebige Nalbbrückenpaare gebildet werden und jede Hälbbrücke gleichzeitig verschiedenen Brückenpaaren zugeordnet wird.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß zusätzliche Brückenpaare gebildet und unter Belastung deren Potentialdifferenzen gemessen werden (Fig. 9).
  3. 3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Fehlersuche ein einziger Differenzverstärker wechselweise durch elektronische Schalter mit den zu prüfenden Halbbrücken verbunden ist.
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