DE3590038C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Meßein­ richtung zur Erfassung von Kräften nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der US 40 47 427 ist eine Meßeinrichtung beschrieben, bei welcher der Druck bzw. die durch eine Last her­ vorgerufene Deformation durch einen Sensor aufgenommen wird.

Aus der US 35 09 296 ist eine elektrische Kontrollvor­ richtung zu entnehmen, bei der kompressible Schal­ tungsteile in einer Vertiefung mit den elektrisch leitenden Seitenwänden der Vertiefung zusammenarbeiten. Diese Vorrichtung ist als eine Art Druckschalter anzusehen. In der DE-AS 19 29 479 ist eine Kraftmeß­ anordnung beschrieben, bei der zwischen zwei Kraftüber­ tragungslagern als Meßelement ein Piezoelement angeordnet ist.

Demgegenüber befaßt sich die Erfindung mit Meßeinrichtun­ gen, die aufgrund ihres Aufbaus geeignet sind, auch in stumpfen Schraubverbindungen eingesetzt zu werden und dort Messungen zu ermöglichen.

Aufgabe der Erfindung ist daher, eine einfache und robuste Einrichtung zu schaffen, die es erlaubt, durch Aufrechterhaltung der Änderung des Widerstandes während der Lasteinwirkung auf einfache Weise sowohl statische als auch dynamische Vorgänge zu registrieren.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Im folgenden wird eine ins einzelne gehende Beschreibung der Erfindung anhand mehrerer Figuren gegeben.

Fig. 1 zeigt den konstruktiven Teil der Meßeinrichtung, der in Teile zerlegt dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt zwei Basisplatten, die eine über der anderen angeordnet und mit einem Drehmomentarm zusammengefügt sind, mit einem zwischenliegenden elastischen Ring.

Fig. 3 zeigt die elektrische Funktion der Meßeinrichtung gemäß Fig. 2.

Fig. 4 zeigt Teile eines Sensors in einer lasterfassen­ den Abschleppvorrichtung, beispielsweise für Fahrzeuge.

Fig. 5 zeigt die Anordnung mit einem Sensor gemäß Fig. 4 im zusammengebauten Zustand.

Die Meßeinrichtung besteht typischerweise aus einem ein­ seitigen Kon­ taktflächensensor, der entweder mit einer Deformierungs­ platte ausgestattet ist, die an die Größe der Last angepaßt ist, oder für kleine Kräfte ohne eine Deformierungsplatte ausgebildet ist. Der Sensor beinhaltet ein einziges oder oder eine Vielzahl von Widerstandelementen, dessen oder deren Widerstand sich aufgrund der Last in Abhängigkeit von der Höhe der Last und der Art der Einwirkung der Last ändert. Die Änderung des Widerstands bleibt erhalten, bis die Last verändert worden ist, auf welche Weise sowohl statische als auch dynamische Vorgänge zu registrieren sind.

Fig. 1 zeigt Kompressionsstäbe 1, deren Form und Material in einer Weise ausgewählt sind, daß die Kompressionsstäbe wäh­ rend ihrer Montage, nämlich bei ihrem Niederdrücken in ihre Arbeitspositionen, d. h. bei ihrem Niederdrücken in eine Höhenposition, die von einer Montageplatte 2 vorgegeben ist, verformt werden. Die Funktion der Kompressionsstäbe besteht darin, die Messung eines Drucks oder einer Kraft korrekt ohne Rücksicht auf die Beschaffenheit ihrer Montagebasis durchzuführen. Der Zweck der Montageplatte 2 besteht darin, als eine Halterung für eine Formfaktorwiderstandsplatte mit den Kompressionsstäben 1 und weitere Teile 3, 4, 5 u. 6 des Sensors und als Schutz für den Sensor zu wirken. Durch Bilden einer Einschnürung an den Kompres­ sionsstäben wird eine Verminderung des Formfaktors erreicht. Durch Vorsehen der Formfaktorwiderstandsplatte 3 werden die Kompressionsstäbe unter einer elastischen Formhaltung daran gehindert, sich während einer Kompression seitlich aufzuweiten, um so die Kraft genauer auf eine Basisplatte 4 zu richten. Die Basisplatte 4 ist mit metallischen Elektroden als Sensoren versehen und besteht aus einem isolierenden Substrat, wie beispielsweise einem kera­ mischen Material, das scheibenförmig ist. Au­ ßerdem sind Drehmomentausgleichsplatten 5 vorgesehen, deren Zweck darin besteht, als Temperaturausgleichsmittel zu fun­ gieren. Außerdem enthält die Meßeinrichtung Platten 6 mit zu den Elektroden weisender leitende Schicht.

Die elektrische Funktion des X-Y-Z-Sensors, und zwar zu­ nächst diejenige der Basisplatte 4, wird nun im einzelnen beschrieben.

Das Prinzip kann mit dem eines bipolaren Transistors mit einer mechanischen Basis verglichen werden, wobei der Emitter und der Kollektor Elektroden sind und der Basisstrom durch die mechanische Kraft dargestellt ist. Die Empfindlichkeit wird durch den Abstand zwischen den Elektroden gesteuert, und die Länge des "Kanals" bestimmt den Stromfluß. Wenn der Sensor nicht unter Last steht, ist der Stromfluß klein, und der Sensor in geringem Maße leitend, weil die leitenden Teilchen in der Oberfläche des Mediums keine ausreichend große Kontaktfläche haben (zu vergleichen mit der Wärme­ emission eines Übertragers, der lose gegen seinen Kühl­ flansch geschraubt ist oder fest gegen den Kühlflansch ge­ schraubt ist oder fallweise mit Kühlflanschen verschiedener Größen versehen ist). Da die Elektroden in einer Ebene angeordnet sind, verläuft der Fluß nur auf der Oberfläche in den Sensormi­ teln und nicht durch einen "wirklichen" Widerstandskörper, vergl. Massenwiderstand und Metallfilmwiderstand. Ein Un­ terschied ist offensichtlich im Hinblick auf den Rauschfak­ tor gegeben. In den genannten Fällen sollte das Rauschen niedrig sein, da Messungen sogar bei niedrigen Pegeln er­ wünscht sind. Der Sensor kann in Abhän­ gigkeit von der Herstellungstechnik sehr dünn ausgeführt werden, und dies macht es schräg einwirkenden Kräften unmöglich, in gleichem Ausmaße in einer Oberfläche zu wir­ ken, wie dies in einem Volumen der Fall ist. Dehnungsmeß­ streifen können beispielsweise nicht ohne irgendeine Form von Unterlage, d. h. irgend etwas, was ein körperliches Vo­ lumen hat, funktionieren, und es können Scherungskräfte in dem Volumen auftreten, da dies ein dreidimensionaler Vorgang ist. Folglich kann der Sensor einfacher in Richtung auf die einwirkende Kraft ausgerichtet werden. Der Sensor arbeitet entweder eingespannt oder frei, und zwar abhängig von der Art seiner Anwendung. Der Vorteil eines Sensors dieser Art besteht darin, daß er mit einem sehr großen "Ausschlag" arbeitet, und darin, daß der Sensor sowohl statisch als auch dynamisch von Gleichlast bis zu einigen hundert kHz Lastwechsel arbeitet. Wenn es gefor­ dert wird, kann der Sensor baulich sehr klein ausgebildet werden, nämlich 1 mm² oder kleiner, und derart, daß die Kraft direkt auf den Sensor einwirken kann. Dies bedeutet, daß auch punktförmige Messungen vorgenommen wer­ den können und daß eine Einkapselung von der Hysterese in geringerem Maße abhängt. Während der größere Teil der Kraft durch den Sensor absorbiert werden kann, und nicht etwa durch Dehnen von Metallen, sind Dehnungsmeßstreifen voll­ ständig abhängig von der Hysterese der Unterlage, da sie nur die Dehnung der Unterlage messen. Die mechanische Robustheit ist eine weitere Stärke des Sensors. Seine Konstruktion bietet den Vorteil, daß er weniger sorgsam als Piezo- oder Quarzkristalle (Sprödbruch) behandelt werden kann.

Fig. 2 u. Fig. 3 zeigen zwei Basisplatten 4 u. 4′, die eine über der anderen mit einem zwischenliegenden drehmomentab­ sorbierenden elastischen Ring 7 angeordnet und zusammengefügt sind und mit einem Drehmomentarm 8 und Sensormitteln A, B, C, D bzw. a, b, c, d versehen sind. Die Sensormittel A, B, C, D bzw. a, b, c, d sind in gleichen Abständen voneinander und von einem Mittelpunkt mit einem Versatz von 90° in bezug auf einen Punkt X auf der jeweiligen Basisplatte 4 bzw. 4′ angeordnet. Der Punkt X stellt ein Torsions- und Kraftzen­ trum für die Sensor- oder Basisplatten dar. Wenn der Dreh­ momentarm 8 des Sensors einer Kraft ausgesetzt wird, die unter einem rechten Winkel von der Seite her auf den Dreh­ momentarm einwirkt, treten Widerstandsunterschiede in A u. C bzw. in a u. c auf (die Widerstände in A u. c steigen an, während sie in C u. a abfallen), und es treten keine Diffe­ renzen zwischen den Widerständen in B, D, b u. d bei einer Kraft auf, die von der Seite senkrecht zu dem Arm einwirkt. Andererseits treten auch Differenzen zwischen den Wider­ ständen in B, D, b u. d auf. Wenn der Drehmomentarm 8 des Sensors einer Kraft ausgesetzt wird, die von oben einwirkt, werden alle Sensorelemente A, B, C, D, a, b, c u. d beein­ flußt. Fig. 3 zeigt zunächst die elektrische Funktion der zwei Basisplatten 4 u. 4′ des Sensors in den drei Achsen X, Y u. Z. Wenn eine der Basisplatten fortgelassen werden sollte, würden sog. Halbbrücken gebildet.

Im Hinblick auf die Drehmomentausgleichsplatten 5 kann festgestellt werden, daß wenn der Sensor mit einer Strom­ quelle verbunden ist, Wärme in den freien Abschnitten der schmalen Zwischenräume, die durch die Abstände zwischen den Elektroden der Basisplatte 4 zu dem elektrisch leitenden Teil (Seite) der von einem Polymerisat getragenen Metall­ filmoberfläche gebildet werden, erzeugt wird. Die Breite des Zwischenraums in dem Substrat bestimmt den Arbeitsbereich. Wenn interne Unterschiede in den Übergängen zwischen den Elektrodenoberflächen Veranlassung für eine teilweise Über­ hitzung geben können, müssen diese ausgeglichen und über den gesamten aktiven Teil der Oberfläche des Sensors mittels von Drehmomentausgleichsplatten 5 verteilt werden, so daß thermische Bewegungen vermieden werden und die Temperatur innerhalb eines Bereiches gehalten werden kann, der für das Sensormittel 6 geeignet ist. Dies bedeu­ tet, daß das thermische Rauschen niedrig gehalten werden kann, was vorteilhaft ist, da der Rauschfaktor die Auflösung und die totale Dynamik des Sensors bestimmt. Das Material der Drehmomentausgleichsplatten 5 muß eine gute thermische Leitfähigkeit und eine geringe Hysterese besitzen, und die Drehmomentausgleichsplatten 5 müssen außerdem eine elektri­ sche Abschirmungsfunktion aufweisen. Die mechanische Funk­ tion der Drehmomentausgleichsplatten 5 besteht darin, Träger für die Sensormittel 6 darzustellen und das Drehmoment gleichmäßig auf die gesamte Oberfläche zu verteilen.

Fig. 4 zeigt den Einbau der Meßeinrichtung in einer lasterfassenden Abschleppvorrichtung eingespannt in einer Schraubverbindung, um darin Kräfte oder Bewe­ gungen in dem Material zu messen. Eine Deformationsplatte des Sensors S wird komprimiert und paßt sich entsprechend einer Fläche A einer Abschleppvorrichtung F in einer unteren Position an, d. h. in einer Position, in der der Sensor S die gleiche Höhe wie ein Sensorhalter B hat. In dieser Po­ sition ist der Arbeitsdruck des Sensors S erreicht worden, und er kann bis zur Fließgrenze des Sensorhalters B oder bis zu der Verformungsgrenze der umgebenden Teile belastet wer­ den. Außerdem ist in Fig. 4 eine Grund- oder Befestigungs­ platte C gezeigt, die beispielsweise mit dem Lasterfas­ sungsteil des Fahrzeugs und einem Kabelbündel D, das zu dem Sensor führt, in Verbindung steht.

Fig. 5 zeigt, wie die Meßeinrichtung beispielsweise direkt in eine stumpfe Schraubverbindung zum Zwecke einer Lastprüfung in einer Abschleppvorrichtung F eingesetzt werden kann. In Fig. 5 ist ein herkömmlicher Aufbau in Form einer Befestigungs­ platte C gezeigt, die normalerweise in der Abschleppvor­ richtung eines Fahrzeugs enthalten ist und für welche ein Befestigungsteil F′ einer Abschleppvorrichtung F vorgesehen ist, die mittels zweier Schrauben E an einem Fahrzeug (nicht gezeigt), beispielsweise an dessen Rahmenteil, angebracht ist. Ein Sensor, der Löcher enthält, ist für die Schrauben E vorgesehen, und der Sensor ist mit einer druckabhängigen Widerstandsanordnung versehen, die mit einem von zwei Teilen ausgestattet ist, das zwischen der Befestigungsplatte C und dem Befestigungsteil F′ eingespannt ist.

Claims (9)

1. Meßeinrichtung zur Erfassung von Kräften, mit Elektroden-Paaren und einem leitfähigem Element zwischen den Elektroden eines Paares und in Anlage an diesen, das bei Ausübung einer Kraft darauf den Wider­ stand zwischen diesen Elektroden ändert, gekennzeichnet durch folgende Merkmale

• - die Elektroden eines Paares sind auf einer gemeinsamen Basisplatte (4) vorgesehen,
• - das leitfähige Element ist eine Platte (6) mit zu den Elektroden weisender leitfähiger Beschichtung,
• - die Kraft wird über Stäbe (1) auf das leitfähige Element ausgeübt und
• - die Stäbe (1) sind mechanisch derart geführt (Platte 3), daß die Kraftübertragung auf das leitfähige Element in einer einzigen vorgegebenen Richtung erfolgt.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (6) einen Film mit einer leitenden Oberfläche aufweist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (S) unter einer Anfangs-Vorbelastung zwischen den beiden Teilen (F, B) angeordnet ist.

4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Fühler (S) zwischen erstem und zweitem Teil (F, B) beabstandet angeordnet sind zum Erfassen der axialen und der Drehmoment-Belastung des einen der beiden Teile (F, B) gegenüber dem anderen.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler (S) im wesentlichen in der gleichen Ebene angeordnet sind.

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sätze von Fühlern (S) in voneinander beabstan­ deten Ebenen vorgesehen sind mit einem biegesteifen dritten Teil (7) zwischen ihnen.

7. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nachgiebige Element (1) in einer Führungseinrich­ tung (3) aufgenommen ist zur Einschränkung einer Verformung des Elements (1) quer zur Belastungsrichtung.

8. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisplatte (4) aus einem Isoliersubstrat gebildet ist.

9. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungsausgleichsplatte (5) aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit und niedriger Hysterese besteht.