DE3541060A1

DE3541060A1 - STRETCH SENSOR

Info

Publication number: DE3541060A1
Application number: DE19853541060
Authority: DE
Inventors: Francois Marcaillou; Robert Labousset; Yves Victor
Original assignee: SEDEME
Current assignee: SEDEME
Priority date: 1984-10-12
Filing date: 1985-11-19
Publication date: 1987-05-21
Also published as: GB2183051A; FR2571853A1; GB8528096D0

Description

Die Erfindung betrifft einen Dehnungsmeßstreifenaufnehmer, mit dem Kräfte oder Verschiebungen gemessen werden können.The invention relates to a strain gauge, with which forces or displacements can be measured.

Ein Dehnungsmeßstreifenaufnehmer weist im allgemeinen ein biegsames Element auf, auf das die Dehnungsmeßstreifen aufgeklebt oder eingraviert sind. Diese Widerstands- Dehnungsmeßstreifen werden von einer Spannungsquelle mit elektrischem Strom versorgt. Die Dehnungsmeßstreifen werden üblicherweise fotolithographisch graviert. Das biegsame Element wird einerseits einer zu messenden Kraft unterworfen und andererseits einer Reaktionskraft, die von einem Gehäuse herrührt, in das das Element eingebaut ist. Die biegsamen Elemente werden üblicherweise einer S-förmigen Deformation unterworfen. Die Einwirkung der zu messenden Kräfte bewirkt, daß das biegsame Element und die an ihm befestigten Dehnungs meßstreifen gestreckt oder verkürzt werden. Dies bewirkt eine Änderung des elektrischen Widerstandes der Dehnungs meßstreifen. Diese Widerstandsänderungen werden über eine Meßbrücke gemessen. Diese Schwankungen sind ein Maß für das zu untersuchende physikalische Phänomen.A strain gauge pickup generally has one flexible element on which the strain gauges are glued or engraved. This resistance Strain gauges are supplied by a voltage source electrical power. The strain gauges will be usually engraved photolithographically. The flexible On the one hand, element is subjected to a force to be measured and on the other hand a reaction force from a housing comes into which the element is installed. The flexible Elements usually become an S-shaped deformation subject. The action of the forces to be measured causes that the flexible element and the stretch attached to it measuring strips are stretched or shortened. this causes a change in the electrical resistance of the strain measuring strips. These changes in resistance are reflected in a Measuring bridge measured. These fluctuations are a measure of the physical phenomenon to be examined.

Wenn die Aufnehmer eingebaut sind, werden sie erwärmt. Die Erwärmung bewirkt eine Vergrößerung des biegsamen Elements. Dies hat zwei Konsequenzen. Zum einen vergrößern sich auch die Dehnungsmeßstreifen, wodurch ihr Kennwert geändert wird. Zum anderen werden die Einwirkungspunkte der Kräfte zueinander verschoben. Wenn die Einwirkungs punkte der Kräfte festgehalten werden, so ergeben sich daraus störende Zug-/Druckbelastungen für das bieg same Element. Diese Störungen beeinflussen wiederum die Biegung, denen das Element unterworfen ist, und die man als solche messen will. Die Messung ist also fehlerbe haftet.When the transducers are installed, they are heated. The heating causes an increase in the flexible Elements. This has two consequences. First, enlarge also the strain gauges, reducing their characteristic value will be changed. On the other hand, the points of action of forces shifted towards each other. If the action points of the forces are recorded, so arise from this disturbing tensile / compressive loads for the bend same item. These disorders in turn affect the Bend to which the element is subjected and which one wants to measure as such. The measurement is therefore incorrect is liable.

Es ist bekannt, diese nachteilige Veränderung der Kennwerte der Dehnungsmeßstreifen dadurch zu vermeiden, daß Wider standselemente zugefügt werden, die der mechanischen Beanspruchung nicht ausgesetzt werden. Der Widerstands koeffizient dieser Elemente hängt in umgekehrtem Sinne von der Temperatur ab, wie der Widerstandskoeffizient der Dehnungsmeßstreifen. Man kann auch einfach die Meßbrücke am Einbauort abgleichen. Trotzdem können die stören den Zug-/Druckbeanspruchungen, die den zu messenden Biegebeanspruchungen überlagert werden, entweder nur ver nachlässigt werden oder dadurch vernachlässigbar gemacht werden, daß der Einwirkungspunkt der Kräfte in gewissem Umfang veränderbar ist.It is known this adverse change in the characteristic values the strain gauges to avoid that contr stand elements that are added to the mechanical Not be exposed to stress. The resistance coefficient of these elements depends in reverse on temperature, like the drag coefficient the strain gauge. You can also just use the measuring bridge match at the installation site. Nevertheless, they can interfere the tensile / compressive stresses that are to be measured Bending stresses are superimposed, either only ver be neglected or thereby made negligible be that the point of action of the forces in some Scope is changeable.

Darüber hinaus ergeben sich bei der Herstellung der bieg samen Elemente Fertigungsprobleme. Einerseits hängt ihre Empfindlichkeit vom Meßbereich ab, für den sie ausgelegt sind. Ihre Abmessungen, insbesondere ihre Dicke, hängen direkt von diesem Meßbereich ab. Weiterhin hängt die Anordnung der Dehnungsmeßstreifen auf dem biegsamen Element vom Meßbereich ab. Die verschiedenen Dehnungsmeßstreifen werdenso häufig in jedes der biegsamen Elemente eingraviert, daß es Stellen dieser Elemente gibt, die nur unterschiedlich zugänglich sind. Jedesmal, wenn ein Dehnungsmeßstreifen in ein und dasselbe biegsame Element eingraviert wird, besteht die Gefahr einer Verschiebung dieses Dehnungsmeßstreifens bezüglich derjenigen theoretischen Lage des Dehnungsmeß streifens, die dieser bezogen auf die anderen Dehnungs meßstreifen einnehmen müßte. Folglich ergibt sich eine Streuung der Kennwerte der derart hergestellten Aufnehmer und dementsprechend auch eine entsprechende Streuung der Meßbereiche. Die Streuung der Kennwerte wiederum zieht umständliche Korrekturen eines jeden Aufnehmers nach sich, die Stück für Stück durchgeführt werden müssen.In addition, the bieg seed elements manufacturing problems. On the one hand, hers hangs Sensitivity depends on the measuring range for which it is designed are. Their dimensions, especially their thickness, depend directly from this measuring range. The still depends Arrangement of the strain gauges on the flexible element from the measuring range. The different strain gauges are so often engraved in each of the flexible elements, that there are places of these elements that are just different are accessible. Every time a strain gauge is in one and the same flexible element is engraved the risk of displacement of this strain gauge with regard to that theoretical position of the strain gauge stripes that this is related to the other stretch would have to take measuring strips. Hence there is one Scattering of the characteristic values of the sensors manufactured in this way and accordingly a corresponding spread of the Measuring ranges. The scatter of the characteristic values in turn pulls cumbersome corrections by each transducer, which have to be carried out piece by piece.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dehnungs meßstreifenaufnehmer vorzuschlagen, der ein biegsames Element aufweist, dessen geometrische Form es ermöglicht, die erläuterten Nachteile zu vermeiden. Einerseits sollen die Dehnungsmeßstreifen ein und desselben biegsamen Elements gleichzeitig graviert werden können. Andererseits sollen die Orte der verschiedenen Dehnungsmeßstreifen genormt werden, und zwar unabhängig vom Meßbereich des Aufnehmers.The invention has for its object an expansion to propose a gauge that is flexible Has element whose geometric shape allows to avoid the disadvantages explained. On the one hand the strain gauges of one and the same flexible element can be engraved at the same time. On the other hand, should the locations of the various strain gauges are standardized regardless of the measuring range of the sensor.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung einen Dehnungsmeßstreifenaufnehmer vor mit einem biegsamen Element, das an einer Fläche Dehnungsmeßstreifen hat und das mit einer zu messenden Kraft sowie mit einer vom Einbau herrührenden Reaktionskraft beaufschlagbar ist, wobei das biegsame Element aus wenigstens zwei Trägern besteht, die an ihren Enden über starre Querverbindungsstücke mit einander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch welche die Reaktionskraft sowie die zu messende Kraft, die in einer Ebene liegen, die sich senkrecht zur Achse der Träger erstreckt, auf die Mittelpunkte der Träger einwirken.The invention provides a solution to this problem Strain gauge with a flexible front Element that has strain gauges on one surface and with a force to be measured as well as with an installation originating reaction force can be applied, the flexible element consists of at least two beams which at their ends with rigid cross connectors are interconnected, characterized in that means are provided by which the reaction force as well the force to be measured, which lie in one plane, the extends perpendicular to the axis of the beams on which Work in the center of the beam.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs beispielen näher erläutert, die nicht beschränkend sind. In den Figuren sind einander entsprechende Bauelemente mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Es zeigen: The invention is based on execution examples explained in more detail, which are not restrictive. Corresponding components are in the figures designated by the same reference numbers. Show it:

Fig. 1a und 1b - Perspektivansichten von jeweils einem Träger nach der Erfindung; Figs. 1a and 1b - perspective views respectively of a support according to the invention;

Fig. 2 - perspektivisch das biegsame Element nach der Erfindung; Figure 2 - the flexible element according to the invention in perspective;

Fig. 3a bis 3e - den Einbau des biegsamen Elements nach der Erfindung in das Gehäuse eines Aufnehmers; Figure 3a to 3e - the installation of the flexible element according to the invention into the housing of a transducer.

Fig. 4 - perspektivisch eine abgeänderte Aus führungsform des biegsamen Elements nach der Erfindung; Fig. 4 - in perspective a modified form of management of the flexible element according to the invention;

Fig. 5 - eine Besonderheit bei der Herstellung der Träger nach der Erfindung; Fig. 5 - a peculiarity in the manufacture of the carrier according to the invention;

Fig. 6 - eine Tabelle, wobei die Herstellungsmaße in Abhängigkeit vom gewünschten Meßbereich angegeben sind; Fig. 6 - a table, wherein the production dimensions are a function of the desired measuring range;

Fig. 7 - ein Schaltschema zur Erläuterung des Einbaus der Aufnehmer. Fig. 7 - a circuit diagram to explain the installation of the transducer.

In den Fig. 1a und 1b sind zwei balkenförmige Träger 1 und 2 gezeigt, die ein biegsames Bauelement 3 aus bilden, das in Fig. 2 dargestellt ist. Die Träger haben dieselbe Biegsamkeit, wozu die Träger insbesondere aus demselben Material mit derselben Dicke e hergestellt werden. Beispielsweise wurde eine Stahllegierung mit einem Elastizitätsmodul 19600 kg/mm² verwendet. Dehnungsmeß streifen J 1 bis J 4 sind alle an einem einzigen dieser Träger befestigt, nämlich beim gezeigten Ausführungs beispiel am Träger 1. Zur Herstellung des biegsamen Elements 3 werden die Träger 1, 2 miteinander verbunden, und zwar an ihren Enden über zwei starre Querverbindungs stücke 4, 5. Eine zu messende Kraft P wirkt auf die Mitte eines der Träger ein, nämlich auf die Mitte des Trägers 2, während die vom Einbau herrührende Reaktionskraft R symmetrisch einwirkt, und zwar von beiden Seiten der Mitte des anderen Trägers, beim Beispiel des Trägers 1. Unter diesen Bedingungen befinden sich die beiden Kräfte R und P in derselben Ebene, die sich senkrecht zur Achse X′X der Träger erstreckt.In FIGS. 1a and 1b are shown two beam-shaped carrier 1 and 2 constituting a flexible element 3 of which is shown in Fig. 2. The beams have the same flexibility, for which purpose the beams are made in particular from the same material with the same thickness e . For example, a steel alloy with a modulus of elasticity of 19600 kg / mm ^{2 was} used. Strain gauges J 1 to J 4 are all attached to a single one of these supports, namely in the embodiment shown, for example, on the support 1 . To produce the flexible element 3 , the carrier 1 , 2 are connected to each other, at their ends via two rigid cross-connecting pieces 4 , 5th A force P to be measured acts on the center of one of the carriers, namely on the center of the carrier 2 , while the reaction force R resulting from the installation acts symmetrically, namely from both sides of the center of the other carrier, in the example of the carrier 1 . Under these conditions, the two forces R and P are in the same plane, which extends perpendicular to the axis X'X of the carrier.

Um die Kräfte einwirken lassen zu können, hat jeder Träger 1, 2 eine mittlere Verstärkung 6, 7, die parallel zu den Querverbindungsstücken ausgerichtet sind. Wegen der Quer verbindungsstücke 4, 5 und der Verstärkungen 6, 7 können die Träger sich nicht verformen und die biegsamen Teile des Elements 3 sind auf die Teile der Träger begrenzt, die die mittleren Verstärkungen von den Querverbindungs stücken trennen. Die beiden mittleren Verstärkungen be finden sich, bezogen auf die Flächen der Träger, an der selben Seite wie die Querverbindungsstücke. Dadurch wird über ein Spiel 8 zwischen den beiden Verstärkungen ein Anschlag für die Kraft P ausgebildet, wenn diese einen Nominalwert übersteigt, für den das biegsame Element aus gelegt ist.In order to allow the forces to act, each support 1 , 2 has a central reinforcement 6 , 7 , which are aligned parallel to the cross-connection pieces. Because of the cross connectors 4 , 5 and the reinforcements 6 , 7 , the carrier can not deform and the flexible parts of the element 3 are limited to the parts of the carrier that separate the central reinforcements from the cross-connection pieces. The two central reinforcements are located on the same side as the cross connectors, based on the area of the beams. As a result, a stop for the force P is formed over a game 8 between the two reinforcements if this exceeds a nominal value for which the flexible element is laid out.

Die Reaktionskraft R wirkt auf die Verstärkung 6 symme trisch ein, und zwar über zwei Fortsätze 9, 10, die sich senkrecht zur Verstärkung 6 und rechtwinklig zur Achse X′X des Trägers 1 erstrecken. Daraus ergibt sich, daß die Resultierende der Reaktionskraft geradlinig zur zu messenden Kraft P verläuft. Der Aufbau ist symmetrisch und die Geradlinigkeit oder gleiche Ausrichtung bleibt unabhängig vom Wert der Kraft P beibeihalten. Die Kraft richtung der zu messenden Kraft kann unveränderlich sein, und zwar unabhängig vom Wert dieser Kraft. Es ergibt sich, daß bei diesem Beispiel die Reaktionskräfte und die zu messende Kraft sich immer in derselben Ebene befinden, die senkrecht zur Achse der Träger verläuft. Die Fortsätze ermöglichen es daher, von der Oberfläche 11 des Trägers 1 unabhängig zu werden, wo daß diese jedesmal in einem Arbeitsschritt poliert und graviert werden kann.The reaction force R acts on the reinforcement 6 symmetrically, namely via two extensions 9 , 10 , which extend perpendicular to the reinforcement 6 and at right angles to the axis X'X of the carrier 1 . It follows from this that the resultant of the reaction force is straight to the force P to be measured. The structure is symmetrical and the straightness or the same orientation is maintained regardless of the value of the force P. The direction of the force of the force to be measured can be unchangeable, regardless of the value of this force. It follows that in this example, the reaction forces and the force to be measured are always in the same plane, which is perpendicular to the axis of the carrier. The extensions therefore make it possible to become independent of the surface 11 of the carrier 1 , where it can be polished and engraved each time in one work step.

Bei einer praktischen Ausführungsform sind die Träger 1, 2 jeweils mit Halb-Querverbindungsstücken 41, 51 bzw. 42, 52 versehen. Diese zwei Halb-Querverbindungsstücke können gleich hoch sein. Sie sind zur Herstellung des biegsamen Elements 3 miteinander verschweißt. Hierbei wird es bevor zugt, wenn die Verbindung über Schweißpunkte 43, 53 erfolgt, so daß die entsprechenden Flächen des Trägers 1, bezogen auf den Träger 2, nicht geändert werden. Die Punktverschwei ßungen werden beispielsweise über ein Lasergerät oder durch Elektronenbeschuß erzielt. Durch die Punktverschwei ßung wird auch ein allgemeines Schmelzen der betreffenden Flächen der miteinander zu verbindenden Halb-Querverbin dungsstücke vermieden. Dadurch würden nämlich durch Fließen oder Schmelzen die Höhen der Querverbindungsstücke geändert und ihre Ausrichtung würde beeinträchtigt. Weiterhin erwärmt die Punktverschweißung die Halb-Querver bindungsstücke nicht so stark wie eine herkömmliche Ver schweißung. Durch die Punktverschweißung wird also die mechanische Widerstandskraft der Querverbindungsstücke nicht geändert.In a practical embodiment, the supports 1 , 2 are each provided with semi-cross connectors 41 , 51 and 42 , 52 , respectively. These two half cross-connectors can be of the same height. They are welded together to produce the flexible element 3 . It is preferred here before if the connection is made via welding points 43, 53 , so that the corresponding areas of the carrier 1 , based on the carrier 2 , are not changed. The spot welds are achieved, for example, using a laser device or electron bombardment. The spot welding also avoids a general melting of the relevant surfaces of the semi-cross-connecting pieces to be connected. This would cause the heights of the cross connectors to change and their orientation to be affected by flow or melting. Furthermore, the spot welding does not heat the half cross connectors as much as a conventional welding. The spot welding does not change the mechanical resistance of the cross connectors.

Durch den Aufbau und die geometrische Form des biegsamen Elements nach der Erfindung werden die folgenden Vorteile erreicht. Zum einen gibt es keine störenden Zugkräfte mehr, die auf die empfindlichen Teile der Träger einwirken. Einerseits ruft unter der Einwirkung der Kraft P die S- förmige Verformung jedes dieser Teile eine gegenseitige Annäherung der Querverbindungsstücke hervor. Dies bringt aber keine Nachteile mit sich, weil gerade die Querver bindungsstücke frei sind, nämlich weil sie mit einem anderen Träger verbunden sind, der dieselbe Biegsamkeit aufweist. Folglich bleiben die mittleren Längen der akti ven Teile der Träger und insbesondere des Trägers 1, in den die Dehnungsmeßstreifen eingraviert sind, konstant, und zwar unabhängig von der Kraft P. Andererseits wird die Wärmeausdehnung des Trägers 1 durch die äquivalente Wärmeausdehnung des Trägers 2 kompensiert, der sich ja in derselben Umgebung befindet.The structure and the geometric shape of the flexible element according to the invention achieve the following advantages. On the one hand, there are no longer any disruptive tensile forces that act on the sensitive parts of the carrier. On the one hand, under the action of the force P, the S-shaped deformation of each of these parts causes the cross-connectors to come closer to one another. However, this does not have any disadvantages, because precisely the Querver connecting pieces are free, namely because they are connected to another beam that has the same flexibility. Consequently, the mean lengths of the active parts of the carrier and in particular of the carrier 1 , in which the strain gauges are engraved, remain constant, regardless of the force P. On the other hand, the thermal expansion of the carrier 1 is compensated for by the equivalent thermal expansion of the carrier 2 , which is located in the same environment.

Zum anderen wird die industrielle Herstellung der Träger sehr erleichtert. Abgesehen von den Fortsätzen 9, 10 sind die Träger 1, 2 einander völlig gleich. Diese Gleich heit gilt für die wesentlichen Abmessungen der Träger, insbesondere für deren Dicke e und für die Länge L der aktiven Trägerteile, wie auch für die Anordnungen dieser aktiven Teile, die jeweils symmetrisch bezogen auf die Mitte des Trägers sind. Es ist also möglich, einen Satz Träger herzustellen, der alle benötigten Träger abdeckt: Hierzu müssen lediglich quaderförmige, zu bearbeitende Blöcke fluchtend und parallel zueinander ausgerichtet werden. Sie werden dann parallel zur Ausrichtung der Blöcke bearbeitet. Vor dem Gravieren oder vor dem Bedrucken des Trägers 1 mit den Dehnungsmeßstreifen, muß die Fläche 11 des Trägers, auf der die Dehnungsmeßstreifen angeordnet werden, poliert werden. Beim Polieren kann die Dicke des Trägers 1 kontrolliert werden, wobei als Bezug eine Oberseite 12 des Fortsatzes 9 dient. Man kann also leicht die Dicke des Trägers messen, weil diese von den beiden Seiten her zugänglich ist. Weil in der Mitte nichts stört, können die Teile 13, 14 des Trägers 1 gleichzeitig poliert werden.On the other hand, the industrial manufacture of the carriers is greatly facilitated. Apart from the extensions 9 , 10 , the carriers 1 , 2 are completely identical to one another. This equality applies to the essential dimensions of the carrier, in particular for their thickness e and for the length L of the active carrier parts, as well as for the arrangements of these active parts, which are each symmetrical with respect to the center of the carrier. It is therefore possible to produce a set of beams that covers all the beams required: all that is required is to align the blocks in blocks that are to be machined in alignment and parallel to one another. They are then processed parallel to the alignment of the blocks. Before engraving or printing on the carrier 1 with the strain gauges, the surface 11 of the carrier on which the strain gauges are arranged must be polished. When polishing, the thickness of the carrier 1 can be checked, an upper side 12 of the extension 9 serving as a reference. So you can easily measure the thickness of the carrier because it is accessible from both sides. Because there is nothing disturbing in the middle, the parts 13 , 14 of the carrier 1 can be polished simultaneously.

Ein weiterer Vorteil beruht darauf, daß alle Dehnungsmeß streifen sich auf einer einzigen Fläche eines der Träger befinden, nämlich auf der Fläche 11. Alle Dehnungsmeß streifen können also gleichzeitig hergestellt werden. Ein eventueller Fehler in der Positionierung eines der Meßstreifen (J 1), bezogen auf eine gegebene Abszisse auf der Achse X′X kann daher durch einen gleichen Fehler mit entgegengesetztem Vorzeichen kompensiert werden, d.h. durch eine entsprechende Versetzung des entsprechenden Dehnungsmeßstreifens (J 4). Die zwischen den Dehnungsmeß streifen vorhandenen Abstände werden in der Tat ein für allemal festgelegt; sie sind durch die Masken gegeben, über die die fotolithographische Gravur der Dehnungsmeß streifen erfolgt. Diese Gravur wird darüber hinaus dadurch erleichtert, daß die Träger einschließlich der Halb-Quer verbindungsstücke dünn sind. Die zum Gravieren verwendeten Maschinen sind üblicherweise für dünne Bauteile ausge bildet, beispielsweise für Halbleiterscheiben. Wenn die Widerstandsschicht (beispielsweise aus Nickel-Chrom) durch Ionenbeschuß graviert wird, so wird leichter ein homogenes elektrisches Feld erreicht. Das fotolithogra phische Verfahren kann daher leichter und mit größerer Präzision durchgeführt werden.Another advantage is based on the fact that all strain gauges are located on a single surface of one of the supports, namely on surface 11 . All strain gauges can therefore be produced simultaneously. A possible error in the positioning of one of the measuring strips ( J 1 ), based on a given abscissa on the X'X axis, can therefore be compensated for by an identical error with the opposite sign, ie by a corresponding displacement of the corresponding strain gauge ( J 4 ). The distances between the strain gauges are indeed established once and for all; they are given by the masks over which the photolithographic engraving of the strain gauges takes place. This engraving is also facilitated by the fact that the carrier including the semi-cross connectors are thin. The machines used for engraving are usually formed for thin components, for example for semiconductor wafers. If the resistance layer (for example made of nickel-chrome) is engraved by ion bombardment, a homogeneous electric field is more easily achieved. The photolithographic process can therefore be carried out more easily and with greater precision.

Wenn also durch einen Installationsfehler die zu messende Kraft P nicht genau senkrecht zur Fläche 11 des Trägers 1 einwirkt, so sind die Deformationen der aktiven Teile 13, 14 dieses Trägers nicht gleich. Es ist möglich, diesen Unter schied in den Verformungen dadurch zu kompensieren, daß entsprechende Dehnungsmeßstreifen parallel geschaltet werden. Dadurch wird eine Unsymmetrie der Meßbrücke ge messen, die der mittleren Verformung entspricht.If the force P to be measured does not act exactly perpendicular to the surface 11 of the carrier 1 due to an installation error, the deformations of the active parts 13 , 14 of this carrier are not the same. It is possible to compensate for this difference in the deformations by connecting corresponding strain gauges in parallel. As a result, an asymmetry of the measuring bridge is measured which corresponds to the mean deformation.

Die Fig. 3a-3e zeigen die Herstellung eines Dehnungsmeß streifenaufnehmers nach der Erfindung, der in ein Gehäuse 15 eingesetzt wird. Das Gehäuse 15 ist zylindrisch mit kreisförmigem Grundriß. Bezogen auf eine Mittelebene 16, die die Achse X′X des biegsamen Elementes 3 enthält, ist das Gehäuse symmetrisch. Das Gehäuse 15 hat eine Rille 17, die etwas größer ist als das biegsame Element 3, so daß das Element sich in der Rille frei bewegen kann. Beidseits der Ebene 16 sind in der Oberseite des Gehäuses 15 zwei Rillen 18, 19 angelegt, die zur Aufnahme der Fortsätze 9, 10 dienen. In den Rillen sind Stifte 20, 21 angeordnet, die in Löcher 22, 23 eingreifen, die in den Fortsätzen angelegt sind. Das Gehäuse 15 weist an seiner Unterseite ein Loch 24 auf, das in diesen Figuren gestrichelt einge zeichnet ist, da es unsichtbar ist. Über das Loch 24 kann die zu messende Kraft P einwirken. Damit das biegsame Element 3 nicht aus dem Gehäuse 15 herausgestoßen wird, wenn die Kraft P als Stoßkraft in dieser Richtung wirkt, sind die Stifte 20, 21 an den Fortsätzen 9, 10 verschweißt oder verlötet. Auch hier wird eine Punktverschweißung mittels Laser oder Elektronenbeschuß bevorzugt. FIGS. 3a-3e show the production of a strain gauge streifenaufnehmers according to the invention, which is inserted into a housing 15. The housing 15 is cylindrical with a circular plan. Relative to a central plane 16 , which contains the axis X'X of the flexible element 3 , the housing is symmetrical. The housing 15 has a groove 17 which is slightly larger than the flexible element 3 , so that the element can move freely in the groove. On both sides of the plane 16 , two grooves 18 , 19 are created in the top of the housing 15 , which serve to receive the extensions 9 , 10 . Pins 20 , 21 are arranged in the grooves, which engage in holes 22 , 23 , which are created in the extensions. The housing 15 has on its underside a hole 24 , which is shown in dashed lines in these figures, since it is invisible. The force P to be measured can act via the hole 24 . So that the flexible element 3 is not pushed out of the housing 15 when the force P acts as an impact force in this direction, the pins 20 , 21 are welded or soldered to the extensions 9 , 10 . Spot welding by means of laser or electron bombardment is also preferred here.

Zwei Keramikplättchen 25, 26 (vergl. Fig. 3a) dienen zur Aufnahme dünnschichtiger Schaltungen zwecks Kompensation der Schwankungen der spezifischen Widerstände der Dehnungs meßstreifen bei sich ändernder Temperatur. Die beiden Plättchen 25, 26 sind auf der Oberseite des Gehäuses 15 befestigt, und zwar beidseits der Fläche 11 des Trägers 1 des Elements 3. Two ceramic plates 25 , 26 (see FIG. 3a) serve to accommodate thin-layer circuits for the purpose of compensating for the fluctuations in the specific resistances of the strain gauges when the temperature changes. The two plates 25 , 26 are attached to the top of the housing 15 , on both sides of the surface 11 of the carrier 1 of the element 3 .

Fig. 3e zeigt eine Gesamtansicht des Aufnehmers. Die Plättchen 25, 26 sind als Teilkreise geschnitten, so daß sie in der Verlängerung der Erzeugenden des Zylinders 15 angeordnet werden. Fig. 3e shows an overall view of the transducer. The plates 25 , 26 are cut as partial circles so that they are arranged in the extension of the generatrix of the cylinder 15 .

Fig. 4 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform des bieg samen Elements 3. Gedanklich kann man diese Ausführungs form von der vorhergehend beschriebenen Ausführungsform dadurch ableiten, daß der Träger ohne Dehnungsmeßstreifen in zwei Teile getrennt wird, wobei diese beiden Halbträger 28, 29 dann beidseits und parallel an einen Meßträger 27 angesetzt werden. Die Gesamtbreite der beiden Halbträger 28, 29 ist gleich der Breite des Meßträgers 27. Um ein Torsionskräftepaar auszuschalten, ist die Breite der beiden Halbträger 28, 29 vorzugsweise gleich der Hälfte des mittleren Meßträgers 27. Dieses biegsame Element arbeitet auf genau die gleiche Weise wie das vorstehend beschriebene Element: Die Reaktionskraft R wirkt auf mittlere Verstärkungen, beispielsweise Verstärkungen 30 der Halbträger 28, 29 ein. Die zu messende Kraft P wirkt auf eine mittlere Verstärkung 31 des Trägers 27 ein. Es ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß die verschiedenen Träger noch einfacher hergestellt werden können. Zum Schneiden des metallischen Blocks, aus dem die Träger hergestellt werden, werden Trennstellen 32, 33 zwischen den verschiedenen Trägern angelegt. Ein Verschweißen der Halb-Querverbindungsstücke entfällt daher, weil der Sägevorgang beendet wird, bevor der Block vollständig getrennt ist. Weiterhin kann sich beim Polieren die Polier maschine auf eine größere Fläche abstützen, so daß keine verfälschten Oberflächen hergestellt werden. Fig. 4 shows a modified embodiment of the flexible element 3rd Conceptually, you can derive this embodiment form from the previously described embodiment in that the carrier is separated into two parts without strain gauges, these two half-beams 28 , 29 then being attached to a measuring carrier 27 on both sides and in parallel. The total width of the two half beams 28 , 29 is equal to the width of the measuring beam 27 . In order to eliminate a pair of torsional forces, the width of the two half beams 28 , 29 is preferably equal to half of the middle measuring beam 27 . This flexible element works in exactly the same way as the element described above: the reaction force R acts on medium reinforcements, for example reinforcements 30 of the half beams 28 , 29 . The force P to be measured acts on an average reinforcement 31 of the carrier 27 . There is the additional advantage that the different carriers can be manufactured even more easily. To cut the metallic block from which the carriers are made, separating points 32 , 33 are created between the different carriers. There is no need to weld the half cross-connectors because the sawing process is ended before the block is completely separated. Furthermore, the polishing machine can be supported on a larger area during polishing, so that no distorted surfaces are produced.

Fig. 5 zeigt in vergrößertem Maßstab die Verformungen, denen das empfindliche Element von Fig. 3 unterworfen wird, wenn auf es eine zu messende Kraft P und eine Reaktions kraft R einwirken. Fig. 5 zeigt, daß bei einer unveränder lichen Kraft P die Versetzung der mittleren Verstärkung 7 gleich oder doppelt so groß wie diejenige ist, die man erhalten würde, wenn der Träger 2 starr wäre. Links in Fig. 5 ist ein Diagramm gezeigt, in dem die Belastungen jedes Punktes des Teils 13 des Trägers 1 in Abhängigkeit von dessen Abszisse aufgetragen sind. Dieses Belastungsdiagramm oder Auslängungsdiagramm der Oberfläche d 1 der Fläche 11 ist theoretisch eine Gerade, die im Wendepunkt des Teils 13 durch Null geht. Fig. 5 shows on an enlarged scale the deformations to which the sensitive element of Fig. 3 is subjected when a force P to be measured and a reaction force R act on it. Fig. 5 shows that with an unchangeable force P, the displacement of the central reinforcement 7 is equal to or twice as large as that which would be obtained if the carrier 2 were rigid. A diagram is shown on the left in FIG. 5, in which the loads of each point of the part 13 of the carrier 1 are plotted as a function of its abscissa. This loading diagram or elongation diagram of the surface d 1 of the surface 11 is theoretically a straight line which passes through zero at the turning point of the part 13 .

Um eine gewisse Toleranz in der Anordnung der Dehnungsmeß streifen zu erhalten, bringt es Vorteile, wenn die Kurve im Bereich ihrer Maxima abgeflacht wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die Träger über Abrundungen mit einem vor gegebenen Radius r in die Querverbindungsstücke und in die mittleren Verstärkungen übergehen. Aus Symmetriegründen sind diese Radien einander gleich. Diese Übergangsradien werden bei der Herstellung der Träger eingehalten. Hierbei gibt es bei der Bearbeitung frei zugängliche Zonen, wodurch ein genaues Herstellen dieser Übergangsradien erleichtert wird. In der Tat ist das biegsame Element nach der Erfin dung, sogar bei der Ausführungsform nach Fig. 4 von allen Seiten frei zugänglich. Keine der zu bearbeitenden Seiten ist schwer zugänglich.In order to obtain a certain tolerance in the arrangement of the strain gauges, it is advantageous if the curve is flattened in the area of its maxima. This is achieved in that the girder merges into the cross-connections and into the central reinforcements via roundings with a given radius r . For reasons of symmetry, these radii are equal to one another. These transition radii are observed during the manufacture of the beams. There are freely accessible zones during machining, which makes it easier to produce these transition radii precisely. In fact, the flexible element according to the inven tion, even in the embodiment of FIG. 4 is freely accessible from all sides. None of the pages to be edited is difficult to access.

In Abhängigkeit vom Meßbereich der zu messenden Kraft P wird die Dicke e der Träger geändert. Es wurde festgestellt, daß es einen Radius r gibt, der von der Abszisse X der Dehnungsmeßstreifen abhängt, der aber vor allem von der Dicke e der Träger unabhängig ist. Für diesen Radius be findet sich die Abflachung der Belastungskurven an einem festen Punkt. An diesem Punkt werden also die Dehnungs meßstreifen angebracht. Bei einer Herstellungsserie betrug die Abszisse X am Anfang der Dehnungsmeßstreifen, aus gehend von den Innenkanten der Querverbindungsstücke oder ausgehend von den Kanten der mittleren Verstärkungen, 1.000 µm. Die Abwicklung oder Evolute der Dehnungsmeß streifen betrug 800 µm. Der Krümmungsradius betrug 700 µm. Er war also zwischen 20% und 40% kleiner als die Abszisse am Anfang der Dehnungsmeßstreifen. Unter diesen Bedingungen ist es möglich, dasselbe nominale Signal für die Un symmetrie der Meßbrücke zu erhalten, wenn die Dicke der Träger und der Meßbereich der entsprechenden, ein wirkenden Kräfte nach Fig. 6 gewählt werden. Die Auswahl eines einzigen Abrundungsradius ist also sehr wichtig. Dies ermöglicht die Herstellung von Dehnungsmeßstreifen aufnehmern, die in einem Meßbereichsverhältnis von 1 zu 20 ein einheitliches Signal abgeben.Depending on the measuring range of the force P to be measured, the thickness e of the carrier is changed. It was found that there is a radius r , which depends on the abscissa X of the strain gauges, but which is primarily independent of the thickness e of the supports. For this radius, the loading curves are flattened at a fixed point. At this point, the strain gauges are attached. In one production series, the abscissa X at the beginning of the strain gauges, starting from the inner edges of the cross-connectors or starting from the edges of the middle reinforcements, was 1,000 µm. The development or evolution of the strain gauges was 800 µm. The radius of curvature was 700 µm. It was therefore between 20% and 40% smaller than the abscissa at the beginning of the strain gauges. Under these conditions, it is possible to obtain the same nominal signal for the Un symmetry of the measuring bridge, if the thickness of the carrier and the measuring range of the corresponding, acting forces according to Fig. 6 are selected. Choosing a single rounding radius is very important. This enables the production of strain gauges that emit a uniform signal in a measuring range ratio of 1 to 20.

Der Aufbau und die Länge der Dehnungsmeßsstreifen ist also gleich, und zwar unabhängig vom Meßbereich des Aufnehmers. Die Herstellung der Abrundungsradien ist eben falls unabhängig vom Meßbereich. Von einem Meßbereich zum anderen muß man nur die Dicke ändern und somit in Wirklich keit diejenige Seite, bezogen auf die Herstellungsvor richtung,auf der die Rohstücke aufliegen. Die Herstellung der Aufnehmer wird also stark rationalisiert. Wenn die Abszisse X des Anfangs der Dehnungsmeßstreifen gegeben ist, so liegt der Abrundungsradius fühlbar unterhalb von 30% der Abszisse des Anfangs der Dehnungsmeßstreifen. Die Grenzen, in denen die Maße frei gewählt werden können, werden also durch die Dicke der Träger bestimmt: Der dickste Träger muß dünner sein, beispielsweise um 15% dünner, als der Wert des Abrundungsradius. Beispielsweise zeigt die Tabelle der Fig. 6, daß der größten Kraft von 80 Newton eine Dicke von 580 µm entspricht, und zwar bei einem Material mit dem vorstehend angegebenen Elastizitätsmodul. Diese Dicke ist um etwa 15% kleiner als der Abrundungs radius, der 700 µm beträgt. Bei höheren Meßbereichen muß der Radius geändert werden. Die Evolute D der Dehnungs meßstreifen liegt zwischen dem Radius und der Abszisse des Anfangs der Dehnungsmeßstreifen.The structure and length of the strain gauges are therefore the same, regardless of the measuring range of the sensor. The production of the rounding radii is just if independent of the measuring range. From one measuring range to another you only have to change the thickness and thus in fact the speed, based on the direction of manufacture, on which the raw pieces lie. The production of the transducers is therefore greatly rationalized. If the abscissa X of the beginning of the strain gauges is given, the rounding radius is noticeably below 30% of the abscissa of the beginning of the strain gauges. The limits in which the dimensions can be freely selected are thus determined by the thickness of the supports: the thickest support must be thinner, for example 15% thinner than the value of the rounding radius. For example, the table of FIG. 6 shows that the greatest force of 80 Newtons corresponds to a thickness of 580 μm, specifically for a material with the elastic modulus specified above. This thickness is about 15% smaller than the rounding radius, which is 700 µm. The radius must be changed for higher measuring ranges. The Evolute D of the strain gauges lies between the radius and the abscissa of the beginning of the strain gauges.

Fig. 7 zeigt schematisch eine Meßbrücke, die mit den erfindungsgemäßen Dehnungsmeßstreifen aufgebaut werden kann. Die Dehnungsmeßstreifen J 1, J 2, J 3 und J 4 sind in Serie geschaltet. Eine Spannungsquelle 34 versorgt die Schaltung mit Spannung. Eine Ungleichgewichtsspannung wird von einem Anzeigegerät 35 gemessen, und zwar zwischen zwei mittleren Punkten der Brückenschaltung. Um einen Fehler in der Anordnung der Dehnungsmeßstreifen bei ihrer Gravur zu kompensieren, kann die Meßbrücke wie folgt angeändert werden: Die Dehnungsmeßstreifen J 1 und J 4 werden zueinander parallel geschaltet. Auch die Dehnungs meßstreifen J 2 und J 3 werden parallel zueinander geschaltet Diese beiden Dehnungsmeßstreifenpaare werden hintereinan der geschaltet und über die Spannungsquelle 34 mit Strom versorgt. Ein anderer Zweig der Meßbrücke wird jetzt durch ein Paar gleiche Eichwiderstände hergestellt und das Anzeigegerät 35 wird an den Mittelpunkt der Dehnungsmeß streifenpaare und an den Mittelpunkt der Eichwiderstände angeschlossen. Dadurch werden die Biegungsunterschiede, denen die Dehnungsmeßstreifen J 1 und J 4 oder J 3 und J 2 unterliegen können, mit ihrem Mittelwert berücksichtigt, und zwar unabhängig davon, ob diese Unterschiede auf einem Fehler in der Einwirkung der zu messenden Kräfte beruhen oder auf einer Verschiebung der Gravur der Dehnungsmeß streifen. Fig. 7 shows schematically a measuring bridge that can be constructed with the strain gauges according to the invention. The strain gauges J 1 , J 2 , J 3 and J 4 are connected in series. A voltage source 34 supplies the circuit with voltage. An imbalance voltage is measured by a display device 35 , namely between two middle points of the bridge circuit. In order to compensate for an error in the arrangement of the strain gauges in their engraving, the measuring bridge can be changed as follows: The strain gauges J 1 and J 4 are connected in parallel to one another. The strain gauges J 2 and J 3 are connected in parallel to each other. These two pairs of strain gauges are connected in series and supplied with current via the voltage source 34 . Another branch of the measuring bridge is now made by a pair of identical calibration resistors and the display device 35 is connected to the center of the strain gauge pairs and to the center of the calibration resistors. As a result, the differences in bending to which the strain gauges J 1 and J 4 or J 3 and J 2 can be subject are taken into account with their mean value, regardless of whether these differences are based on an error in the action of the forces to be measured or on a shift the engraving of the strain gauge.

Claims

1. Strain gauge transducer with a flexible element which has strain gauges on one surface and which can be acted upon with a force to be measured and with a reaction force resulting from the installation, the flexible element consisting of at least two supports, which at their ends have rigid cross-connectors with are connected to each other, characterized in that means ( 9 , 10 or 28 , 29 ) are provided by which the reaction force (R) and the force to be measured (P) lie in a plane perpendicular to the axis (X 'X) the carrier ( 2 , 3 ) extends to act on the center points of the carrier ( 2 , 3 ).

2. Strain gauge according to claim 1, characterized in that the strain gauges ( J 1 - J 4 ) are provided on a single surface of a single one of the carriers.

3. Strain gauge according to claim 1 or 2, characterized in that one of the carrier ( 1 ) has extensions ( 9 , 10 ) which are provided in the middle of this carrier, so that the reaction force or the force to be measured symmetrically from both sides acts on the wearer.

4. Strain gauge according to claim 3, characterized in that only two of the carriers ( 1 , 2 ) are provided, each having at their ends semi-cross-connectors ( 41 , 42 , 51 , 52 ) which are connected to those of the other carrier are.

5. Strain gauge according to claim 4, characterized in that the semi-cross-connectors via a spot weld ( 43 , 53 ) are interconnected.

6. Strain gauge according to one of claims 1-5, characterized in that each of the carriers is provided with a central reinforcement ( 6 , 7 ) which extends parallel to the cross-connection pieces.

7. Dehnungsmeßstreifenaufnehmer according to claim 1 or 2, characterized in that three of the support (27 - 29) are provided which are arranged in a plane which extends perpendicular to the force directions to each other, and which each have a central reinforcement (30, 31 ) on which the force to be measured or the reaction force act.

8. strain gauge according to claim 7, characterized, that the three beams are made from a single block which is partially divided.

9. Strain gauge according to claim 6 or 7, characterized in that the cross-connectors and the central reinforcement pass over a rounding (r) in the carrier.

10. Strain gauge according to claim 9, characterized in that the radius of the rounding is independent of the strength of the forces to be measured and thus also of the thickness of the carrier and between 60% and 80% of the abscissa (X) of the beginning of the strain gauge, related to the cross connectors and center reinforcements.

11. Strain gauge according to claim 9 or 10, characterized in that the development (D) of each strain gauge lies between the radius of the rounding and the abscissa of the beginning of the strain gauge.