DE3527709A1

DE3527709A1 - Low-temperature displacement sensor

Info

Publication number: DE3527709A1
Application number: DE19853527709
Authority: DE
Inventors: Arman Dr Nyilas; Hanspeter Raber
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1985-08-02
Filing date: 1985-08-02
Publication date: 1987-02-12
Also published as: DE3527709C2

Abstract

Because of the increasing significance of low-temperature technology, material parameters such as tensile yield strength, tensile strength and breaking elongation have to be determined over the wide temperature range between 293 K and 4 K. Standardised material samples 7 have displacement sensors comprising two measuring knife edges 3, 4 clamped thereon, the change of the distance of the measuring knife edges 3, 4 being converted into a voltage signal by means of a strain gauge applied to a measuring spring 8. The measuring spring 8 of an LT displacement sensor according to the invention, on which the strain gauges are applied, is made from a cryogenically stable material. A specially constructed clamping device 5, 6 having replaceable clamping heads 15 and an adjustable clamping force ensures reliable fastening of the LT displacement sensor to the material sample. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Tieftemperaturwegaufnehmer (TT-Wegaufnehmer) nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a low-temperature displacement transducer (TT displacement sensor) according to the preamble of claim 1.

Bekannt sind Wegaufnehmer mit zwei Schneiden, die in einem vorbestimmten Abstand auf eine Werkstoffprobe geklemmt werden. Der bei Belastung der Werkstoffprobe sich ändern de Schneidenabstand wird über eine, an geeigneter Stelle applizierte DMS-Brücke in ein Spannungssignal umgesetzt.Displacement transducers with two cutting edges are known, which are in one predetermined distance clamped on a material sample will. The change when the material sample is loaded en The cutting edge distance is determined by a suitable point applied strain gauge bridge converted into a voltage signal.

Derartige Wegaufnehmer dienen der Ermittlung von Werkstoff größen wie Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung.Such displacement transducers are used to determine material sizes such as yield strength, tensile strength and elongation at break.

Wegen der zunehmenden Bedeutung der Tieftemperaturtechno logie werden Wegaufnehmer benötigt, mit denen Werkstoffe in dem Temperaturbereich zwischen 293 K und 4 K untersucht werden können.Because of the increasing importance of low temperature techno Position transducers are required with which materials examined in the temperature range between 293 K and 4 K. can be.

Ein Tieftemperaturwegaufnehmer der im Oberbegriff des An spruches 1 vorausgesetzten Art ist in der DE-PS 32 10 256 beschrieben.A low-temperature displacement transducer that in the preamble of the An award 1 required type is in DE-PS 32 10 256 described.

Danach erfolgt die Befestigung des TT-Wegaufnehmers am Prüfobjekt mittels einarmiger Klemmvorrichtung nach dem Scherenprinzip, wobei die Anklemmkraft von zwei federnden Klammern erzeugt wird.The TT displacement transducer is then attached to the Test object using a one-armed clamping device according to Scissor principle, the clamping force of two resilient Parentheses is generated.

Federnde Klammern haben den Nachteil des nicht eindeutigen Kraftflusses vom Klemmpunkt zur Meßschneide (Torsion etc.). Einarmige Klemmvorrichtungen bringen in vielen Fällen, wenn die Prüfobjekt-Klemmkraft-Beziehung nicht optimiert ist - was aufgrund der Abkühlung der Proben nicht 4 K noch erschwert wird - einen ungleichmäßigen Kraftfluß und dadurch eine Beeinflussung der Meßfeder. Dieses Kon struktionsprinzip schränkt die Verwendung des Wegaufnehmers auf Werkstoffproben mit angepaßten Dimensionen ein.Spring clips have the disadvantage of being ambiguous Force flow from the clamping point to the cutting edge (torsion Etc.). One-armed clamps bring in many Cases when the test object-clamping force relationship is not is optimized - which is not due to the cooling of the samples 4 K is even more difficult - an uneven flow of force and thereby influencing the measuring spring. This con principle of construction limits the use of the displacement transducer on material samples with adapted dimensions.

Schließlich fand im bekannten TT-Wegaufnehmer das Problem, die Blattfeder, auf der die DMS appliziert sind, aus kryo genstabilem Material zu fertigen, keine zufriedenstellende Lösung. Die verwendeten Materialien wie Federstahl 55 Si 7 oder ausgehärtete Cu-Be-Legierungen haben sich nicht be währt.Finally, the problem found in the known TT displacement transducer the leaf spring on which the strain gauges are applied is made of cryo to produce gene-stable material, not a satisfactory one Solution. The materials used such as spring steel 55 Si 7 or hardened Cu-Be alloys have not been lasts.

Gewalzte und anschließend gehärtete dünne Bleche beinhalten Eigenspannungen, Texturen und Welligkeiten, die die darauf applizierten Dehnungsmeßstreifen in ihrer Wirkung negativ beeinflussen und Meßwerte vortäuschen, um so mehr, als die Messungen unter extrem schlechten Temperaturbedingungen vorgenommen werden müssen.Include rolled and then hardened thin sheets Residual stresses, textures and ripples on them applied strain gauges have a negative effect influence and pretend measurements, all the more than that Measurements under extremely bad temperature conditions must be made.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen TT-Wegaufnehmer zu entwickeln, der eine sichere Befestigung der zwei Meßschneiden mit einer stufenlos einstellbaren Klemm kraft ermöglicht und einen unidirektionalen Kraftfluß von dem Klemmkopf zu den Meßschneiden gewährleistet. Die Meß feder soll keine Eigenspannungen besitzen, damit eine hohe Linearität der DMS-Signale erreicht wird. Der Kraftaufwand zur eindeutigen Biegung der Blattfedern soll reduziert werden.The invention has for its object a TT displacement sensor to develop a secure attachment of the two measuring edges with a continuously adjustable clamp power and a unidirectional flow of power from the clamping head to the measuring edges guaranteed. The measuring spring should not have any residual stresses, so a high one Linearity of the strain gauge signals is achieved. The effort to clearly bend the leaf springs should be reduced will.

Diese Aufgabe wird bei einem TT-Wegaufnehmer nach dem Ober begriff des Anspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen Kennzeichen genannten Merkmale gelöst. This task is performed on a TT displacement transducer according to the waiter Concept of claim 1 according to the invention in its characteristics mentioned resolved.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 4.Further advantageous refinements and developments The invention is the subject of claims 2 to 4.

Die mit dem vorgeschlagenen TT-Wegaufnehmer erzielten Vor teile bestehen insbesondere darin, daß ein mit auswechsel baren Klemmköpfen ausgestattete Andrückkopfsystem und ein stufenlos einstellbarer Kraftschluß (Anklemmkraft) den Einsatzbereich des TT-Wegaufnehmers wesentlich erwei tert. Es können Prüfobjekte wie Drähte, Zugproben und Flachzugproben gemessen werden, ungeachtet deren Dicke und Geometrien. Ein unidirektionaler Kraftfluß vom Klemm kopf zu den Meßschneiden und damit eine sichere Befesti gung ist gewährleistet. Diese Eigenschaft der erfindungs gemäßen Klemmvorrichtung ist von besonderer Bedeutung, da immerhin der TT-Wegaufnehmer an der Werkstoffprobe bei Raumtemperatur befestigt und anschließend mit der Probe auf eine Temperatur von 4 K abgekühlt wird.The results achieved with the proposed TT displacement transducer Parts consist in particular that one with exchange Clamping heads equipped pressure system and an infinitely adjustable force fit (clamping force) significantly expand the area of application of the TT displacement transducer tert. Test objects such as wires, tensile tests and Flat tensile specimens are measured regardless of their thickness and geometries. A unidirectional power flow from the clamp head to the measuring blades and thus a secure fastening is guaranteed. This property of the invention appropriate clamping device is of particular importance, because at least the TT displacement sensor is included in the material sample Fixed room temperature and then with the sample is cooled to a temperature of 4 K.

Die neue Meßfeder aus kryogen-stabilem Material zeichnet sich aus durch eine hohe Sicherheitsgrenze aufgrund der hohen Streckgrenze und des kleinen E-Moduls, geringe Drift und hohe Linearität und erlaubt bei zyklischen Untersu chungen höhere Lastzahlen.The new measuring spring made of cryogen-stable material draws by a high security limit due to the high yield strength and small modulus of elasticity, low drift and high linearity and allows for cyclical tests higher loads.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die Meßfeder aus dem kryogen-stabilen Werkstoff Ti-6Al-4V mit dem E-Modul ca. 100 GPa und wurde mittels Funkenerosion aus einem Vollmaterial herausgearbeitet. Bewährt haben sich auf diese Weise hergestellte 0,4 mm bzw. 0,6 mm dicke Meßfedern, die keine nennenswerte Rest spannung und Welligkeiten aufweisen, womit eine hohe Fe derung bei geringer Kraft, eine reproduzierbare hohe Ge nauigkeit, hohe Empfindlichkeit und hohe Linearität der Meßanordnung erreicht wurde. In a preferred embodiment of the invention the measuring spring consists of the cryogen-stable material Ti-6Al-4V with the modulus of elasticity approx. 100 GPa and was by means of Spark erosion worked out from a solid material. 0.4 mm produced in this way have proven successful or 0.6 mm thick measuring springs that have no significant rest have voltage and ripples, which means a high Fe change with low force, a reproducible high Ge accuracy, high sensitivity and high linearity of the Measuring arrangement was reached.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbei spiel anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben.The invention is described below in a game Ausführungsbei with reference to FIGS. 1 to 3.

Fig. 1 zeigt die Draufsicht des TT-Wegaufnehmers, Fig. 1 shows the top view of the TT-displacement transducer,

Fig. 1a zeigt den Ausschnitt A der Fig. 1, FIG. 1a shows the detail A of Fig. 1,

Fig. 2 zeigt die Seitenansicht des TT-Wegaufnehmers, Fig. 2 shows the side view of the TT-displacement transducer,

Fig. 3 zeigt ein Dehnungs-Spannungs-Diagramm der für die Meßfeder verwendeten Werkstoffe. Fig. 3 shows an expansion-stress diagram of the materials used for the measuring spring.

In Fig. 1 ist der erfindungsgemäße Wegaufnehmer in seiner Draufsicht und in Fig. 2 in seiner Seitenansicht darge stellt. Ein Tragschenkel 1 ist an einem seiner Enden mit einer auswechselbaren ersten Meßschneide 3, am anderen Ende mit einem Anschlußblock 28 und dazwischen mit einem Lagerblock 29 versehen. Der Lagerblock 29 weist beidsei tig mit Gewinden versehene Bohrungen 30 auf. Zwei gegen überliegende Bohrungen 30 sind mit Schrauben 31 versehen, die mit den in einem Meßschenkel 2 seitlich eingebrachten Lochpaaren 32 als Spitzenlager ausgebildet sind. Mit der Auswahl der Lochpaare 32 in Verbindung mit den auswechsel baren Meßschneiden 3, 4 wird die Empfindlichkeit des TT- Wegaufnehmers eingestellt. Der so reibungsarm spitzenge lagerte Meßschenkel 2 ist an einem seiner Enden mit einer auswechselbaren zweiten Meßschneide 4 und am anderen Ende mit einem Klemmstück 33 versehen, das eine Abschrägung 34 aufweist. Die Dehnungsmeßstreifen 9 sind auf eine Meß feder 8 appliziert, deren eines der Enden über den An schlußblock 28 elektrisch isoliert mit einem Tragschenkel 1 fest und deren freies Ende über die Abschrägung 34 mit dem Meßschenkel 2 gleitend verbunden ist. Jede Änderung des Abstandes der beiden Meßschneiden 3, 4 wird vom Meß schenkel 2, der wie eine Wippe mit den Schrauben 31 rei bungsarm gelagert ist, über die Abschrägung 34 gleitend auf die Meßfeder 8 übertragen. Die Durchbiegung der Meß feder 8 wird von den Dehnungsmeßstreifen 9 in einer Brückenschaltung in ein Meßsignal umgesetzt, das propor tional zu der Abstandsänderung der Meßschneide 3, 4 ist.In Fig. 1, the displacement transducer according to the invention is in its top view and in Fig. 2 in its side view Darge. A support leg 1 is provided at one of its ends with an exchangeable first measuring cutter 3 , at the other end with a connecting block 28 and in between with a bearing block 29 . The bearing block 29 has threaded holes 30 on both sides. Two opposite bores 30 are provided with screws 31 , which are formed with the pairs of holes 32 inserted laterally in a measuring leg 2 as tip bearings. With the selection of the hole pairs 32 in connection with the interchangeable cutting edges 3, 4 , the sensitivity of the TT displacement sensor is set. The so low-friction tip-mounted measuring leg 2 is provided at one of its ends with a replaceable second measuring blade 4 and at the other end with a clamping piece 33 which has a bevel 34 . The strain gauges 9 are applied to a measuring spring 8 , one of the ends of which is electrically insulated with the connecting block 28 with a supporting leg 1 and the free end of which is slidably connected to the measuring leg 2 via the bevel 34 . Each change in the distance between the two cutting edges 3, 4 is from the measuring leg 2 , which is mounted with little friction like a rocker with the screws 31 , is slidably transmitted to the measuring spring 8 via the bevel 34 . The deflection of the measuring spring 8 is implemented by the strain gauges 9 in a bridge circuit in a measuring signal which is proportional to the change in distance of the measuring cutting edge 3, 4 .

Sowohl der Tragschenkel 1 als auch der Meßschenkel 2 wei sen an den mit Meßschneiden 3, 4 versehenen Enden identi sche Ausleger 10 auf, die jeweils mit zwei auswechselbaren Führungsschienen 12 für die Klemmvorrichtung 5, 6 versehen sind.Both the support leg 1 and the measuring leg 2 white sen at the ends provided with measuring blades 3, 4 identi cal boom 10 , which are each provided with two interchangeable guide rails 12 for the clamping device 5, 6 .

Eine Werkstoffprobe 7 wird mit einem auswechselbaren, der jeweiligen Geometrie und Dicke der Werkstoffprobe 7 ange paßten Klemmkopf 15 gegen die Meßschneide 3, 4 angedrückt. Der Klemmkopf 15 kann u. a. als Klemmschneide, Klemmkugel oder Klemmnut ausgebildet sein und wird in einer Bohrung 17 einer Positionstraverse 13 geführt, wobei mittels Andrück feder 14, z. B. ein Kupfer-Beryllium-Draht, gegen die Posi tionstraverse 13 abgestützt. Auf der der Meßschneide 3, 4 abgewandten Seite der Positionstraverse 13 ist über zwei auswechselbare Distanzhülsen 18 ein Druckaufnehmer 19 mit einer drehbar gelagerten Spindel lösbar verbunden. Die Spindel 23 ist über ein Gewinde 26 mit einer Traverse 21 verbunden.A material sample 7 is with an interchangeable, the respective geometry and thickness of the material sample 7 is fitted clamping head 15 pressed against the cutting edge 3, 4 . The clamping head 15 can be designed, inter alia, as a clamping cutting edge, clamping ball or clamping groove and is guided in a bore 17 of a position cross member 13 , spring 14 , for. B. a copper-beryllium wire, supported against the posi tion traverse 13 . On the side of the position crossbeam 13 facing away from the measuring cutting edge 3, 4, a pressure transducer 19 is detachably connected to a rotatably mounted spindle via two interchangeable spacer sleeves 18 . The spindle 23 is connected via a thread 26 to a cross member 21 .

Bei der Befestigung des TT-Wegaufnehmers wird, nachdem die Meßschneiden 3, 4 an die Werkstoffprobe 7 angesetzt wurden, die Positionstraverse 13 mit den an beiden Enden ausgesparten Nuten 35 zwischen die Führungsschienen 12 geschoben und die Traverse 21 mit den an den beiden Enden ausgebildeten Widerlagern 22 in den Aussparungen 20 der Führungsschienen 12 abgestützt. Mit der Spindel 23 wird nun die Klemmkraft eingestellt, mit der die Andrückfeder 14 die Werkstoffprobe 7 mittels Klemmkopf 15 gegen die Meßschneide 3 bzw. 4 drückt. Der Abstand zwischen der Stirnseite des Spindelkopfes 24 und dem Klemmkopf 15 ist ein Maß für die Klemmkraft. Zur reproduzierbaren Ein stellung der Klemmkraft dient die Meßgröße 27.When attaching the TT displacement transducer, after the measuring cutters 3, 4 have been attached to the material sample 7 , the position cross member 13 with the grooves 35 recessed at both ends is pushed between the guide rails 12 and the cross member 21 with the abutments formed at the two ends 22 supported in the recesses 20 of the guide rails 12 . With the spindle 23 , the clamping force is now set with which the pressure spring 14 presses the material sample 7 by means of the clamping head 15 against the measuring cutting edge 3 or 4 . The distance between the end face of the spindle head 24 and the clamping head 15 is a measure of the clamping force. Measured variable 27 serves for reproducible setting of the clamping force.

Fig. 3 zeigt ein Spannungs-Dehnungsdiagramm verschiede ner für die Meßfeder verwendeten Werkstoffe:
a: Stahl E ca. 200 GPa
b: Cu-Be E ca. 120 GPa
c: Ti-6Al-4V E ca. 100 GPa FIG. 3 is a stress-strain diagram Various ner materials used for the measuring spring:
a: Steel E approx. 200 GPa
b: Cu-Be E approx. 120 GPa
c: Ti-6Al-4V E approx. 100 GPa

Die gestrichelte, senkrechte Linie schneidet alle Graphen bei gleicher Dehnung und zeigt deutlich die dabei auftre tenden unterschiedlich hohen Spannungen der verschiedenen Werkstoffe. Die kleinste Spannung des Werkstoffes c = Ti-6Al-4V bedeutet, daß die daraus gefertigte Meßfeder eine hohe Sicherheitsreserve hat und mit geringerer Kraft gebogen werden kann. The dashed, vertical line intersects all graphs at the same stretch and clearly shows the result tensions of different levels Materials. The smallest tension of the material c = Ti-6Al-4V means that the measuring spring made from it has a high safety reserve and less force can be bent.

Reference list 1 supporting legs
2 measuring legs
3 first cutting edge
4 second cutting edge
5 first clamping device
6 second clamping device
7 material sample
8 measuring spring
9 strain gauges
10 first boom
11 second boom
12 guide rails
13 position traverse
14 pressure spring
15 clamping head
16 shaft
17 hole
18 spacer sleeve
19 pressure transducers
20 recess
21 traverse
22 abutments
23 spindle
24 spindle head
25 hole
26 threads
27 measured variable
28 connection block
29 bearing block
30 holes
31 screw
32 pairs of holes
33 clamping piece
34 bevel
35 groove

Claims

1. Low-temperature displacement transducer for measuring the change in length of a material sample subjected to tensile stress at cryogenic temperatures up to 4 K in a materials testing machine, with the features:

a) a support leg ( 1 ) and a measuring leg ( 2 ) are clamped with their respective measuring knife ( 3, 4 ) aufwei send ends by means of a clamping device ( 5, 6 ) to a material sample ( 7 );
b) a deflection of one of the measuring edges ( 3, 4 ) produced by the change in length of the material sample ( 7 ) acts via the measuring leg ( 2 ) on a measuring spring ( 8 ) which is applied with four strain gauges ( 9 ) arranged in a bridge circuit;
c) the output signal of the bridge circuit is proportional to the change in the distance between the at the measuring edges ( 3, 4 );

characterized by the following features:

d) the measuring edges ( 3, 4 ) are interchangeable;
e) the first measuring edge ( 3 ) is a first Klemmvor direction ( 5 ) and the second measuring edge ( 4 ) is assigned a second, of the first independently acting clamping device ( 6 );
f) both the support leg ( 1 ) and the measuring leg ( 2 ) are at the ends with measuring blades ( 3, 4 ) populated ends with a boom ( 10, 11 ) ver see that with two guide rails ( 12 ) a me provides a mechanically stable connection to the respective associated clamping parts of the clamping devices ( 5, 6 );
g) between the guide rails ( 12 ) there is a position crossmember ( 13 ) which can move along the rails ( 12 ) and which has a clamping head ( 15 ) with a pressure spring ( 14 ) on the side facing the measuring cutting edge ( 3, 4 ), with its shaft ( 16 ) in a bore ( 17 ) of the position beam ( 13 ) is slidably mounted and its displacement serves as a measurement variable ( 27 ) for reproducible adjustment of the clamping force;
h) on the side of the position crossmember ( 13 ) facing away from the measuring cutting edge ( 3, 4 ), a pressure sensor ( 19 ) is fastened via exchangeable spacer sleeves ( 18 );
i) the guide rails ( 12 ) are provided with cutouts ( 20 ) into which a crossmember ( 21 ) with the ends designed as an abutment ( 22 ) is suspended;
j) a spindle ( 23 ) for setting the clamping force is rotatably mounted with its spindle head ( 24 ) in a bore ( 25 ) of the pressure transducer ( 19 ) and connected to the crossmember ( 21 ) via a thread ( 26 );

2. Low-temperature displacement transducer according to claim 1, characterized in that the clamping head ( 15 ) is interchangeable.

3. Low-temperature displacement transducer according to claim 1 and 2, characterized in that the pressure spring ( 14 ) consists of copper beryllium.

4. Low-temperature displacement transducer according to claims 1 to 3, characterized in that the measuring spring ( 8 ) consists of Ti-6Al-4V.