DE3631647A1 - Dickschichtdehnungsmessstreifen zur aufnahme von beanspruchungen und spannungen in mechanischen teilen und strukturen - Google Patents

Dickschichtdehnungsmessstreifen zur aufnahme von beanspruchungen und spannungen in mechanischen teilen und strukturen

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Deh­ nungsmeßstreifen zur Aufnahme von Beanspruchungen oder Deformationen in mechanischen Teilen oder Strukturen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Dehnungsmeßstreifen zur Verfügung zu stellen, der einfach und billig hergestellt werden kann, vielfältig verwendbar ist und eine sehr hohe Sensitivität für Beanspruchungen und Spannungen, die zu messen sind, aufweist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß ein Dehnungsmeßstreifen zur Verfügung gestellt wird, der folgende Teile umfaßt:
Eine Trägergrundplatte in Form einer dünnen Platte, die aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise Kera­ mik, gefertigt ist und auf deren einen Oberfläche zumindest ein Dickschichtwiderstand aufgebracht ist. Die Trägergrundplatte ist ortsfest mit ihrer anderen Oberflä­ che an einem Teil oder eine Struktur aufgebracht, dessen Spannungen oder Verformungen lokal gemessen werden sollen, so daß die Spannungen oder Verformungen durch die Verformungen des zumindest einen Dickschichtwiderstandes, die derjenigen der Grundplatte entsprechen, aufgenommen werden.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung ist die andere Seite der Grundplatte mit einer Schicht klebenden oder zementierenden Materials versehen.
Alternativ kann die Grundplatte auch mit mechanischen Befestigungs- oder Klemmvorrichtungen versehen werden, um durch diese mit dem Teil oder der Struktur fest verbunden zu werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von zeichnerisch darge­ stellten Ausführungsbeispielen, die die Erfindung in nicht einschränkender Weise erläutern.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Sensors,
Fig. 2 eine andere perspektivische Ansicht eines erfin­ dungsgemäßen Sensors,
Fig. 3 eine Draufsicht eines anderen erfindungsgemäßen Sensors,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Möglichkeit des Aufbringens eines erfindungsgemäßen Sensors auf ein mechanisches Teil,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines anderen mecha­ nischen Teils, welches mit vier erfindungsgemäßen Sensoren versehen ist,
Fig. 6 ein elektrisches Schaltbild, welches ein Beispiel einer elektrischen Schaltung der Sensoren die auf dem Teil in Fig. 5 aufgebracht sind, zeigt,
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht, die eine weitere Möglichkeit zum Aufbringen des erfindungsgemäßen Sensors auf einem mechanischen Teil zeigt,
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht, welche eine Möglichkeit zeigt, wie zwei erfindungsgemäße Sensoren und ein elektronischer Schaltkreis zum Verarbeiten der dabei erzeugten Signale montiert werden,
Fig. 9 einen teilweise geschnittenen Seitenaufriß einer Hohlwelle, in der die in Fig. 8 darge­ stellte Vorrichtung montiert ist, und
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht, die eine weitere Möglichkeit für das Aufbringen des erfindungsge­ mäßen Sensors zeigt.
Fig. 1 zeigt die einfachste Ausführungsform eines Sensors S gemäß der vorliegenden Erfindung, der eine dünne Platte 1 aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise Keramik, beinhaltet. Auf einer Seite dieser Platte ist ein Dickschichtwiderstand R mittels des bekannten Siebdruckverfahrens aufgebracht. Auf der gleichen Seite der Platte sind zwei metallische Leiterbahnen 2 und 3 aufgebracht, die mit dem Widerstand R verbunden sind und die elektrische Verbindung mit anderen Vorrichtungen, z.B. ähnlichen Widerständen oder externen Verarbeitungsschaltkreisen ermöglicht.
In Fig. 2 ist ein Sensor dargestellt, auf dessen Grundplatte 1 zwei Dickschichtwiderstände R,R- aufge­ bracht sind und diesen entsprechende Metallverbindungs­ leiterbahnen 2, 3 und 2′, 3′. Die Widerstände R,R′ können die gleiche oder unterschiedliche Formen, wie auch die gleichen oder unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen.
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor S, in welchem auf derselben Trägerplatte vier Dickfilmwider­ stände, R, R′, R′′ und R′′′ angeordnet sind.
Wie in Fig. 4 beispielhaft gezeigt, kann ein Sensor S auf ein mechanisches Teil durch Aufbringen einer Zwi­ schenschicht B aus Klebstoff oder Zement aufgebracht werden.
Fig. 5 zeigt eine andere Möglichkeit erfindungsgemäße Sensoren zu verwenden. Auf den beiden gegenüberliegenden Seiten des prismatischen Zwischenteils 5 a eines Stiftes 5 sind vier erfindungsgemäße Sensoren S aufgeklebt. Die Sensoren können auf konventionelle Art elektrisch leitend untereinander in einer in Fig. 6 dargestellten Art und Weise verbunden sein, in welcher R den Widerstandswert des Dickschichtwiderstandes des Sensors S anzeigt. An eine Diagonale des Brückenkreises ist eine Wechselstrom- Spannungsquelle angelegt und zwischen den Scheitelpunkten der anderen Diagonalen ist ein Spannungssignal V abgreif­ bar, das sich in Abhängigkeit von der Größe der Spannungen, welcher der Stab 5 unterworfen ist, ent­ spricht.
Eine andere Anwendung für erfindungsgemäße Sensoren ist in Fig. 8 gezeigt. In dieser Figur ist ein Metallstück mit 10 bezeichnet und hat zwei zylindrische Endteile 10 a, 10 b, und ein prismatisches Zwischenteil 10 c. An zwei gegenüberliegenden Seiten des prismatischen Zwischenteils 10 c sind zwei erfindungsgemäße Sensoren S des Typs, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, d.h. welche jeweils ein paar von Dickschichtwiderständen aufweisen, aufgebracht. Nahe jedem dieser Sensoren ist auf dem Zwischenteil 10 c ein elektronischer Verstärkerkreis, der mit 11 bezeichnet ist, aufgeklebt, der auf einer isolierenden Platte 12 montiert ist, welche an das Teil 10 mittels eines eine weiche und elastische Zwischenschicht bildenden Klebers aufgebracht ist, um Vibrationen zu dämpfen. Die Sensoren S sind mit dem Schaltkreis 11 mittels Drähten 13 und 14 verbunden, wobei die Drähte mittels welcher der Kreis 11 gespeist wird und das Signal dadurch erzeugt wird mit 15 bezeichnet sind.
Die Ausführungsform, die in Fig. 8 dargestellt ist, ermöglicht es, Torsions- und Biegespannungen, die auf das Teil 10 wirken, zu messen. Diese Ausführungsform kann auf die in Fig. 9 dargestellte Art und Weise verwandt werden, um die Spannungen, die auf einen Schaft 50 wirken, aufzunehmen. Zu diesem Zweck ist die in Fig. 8 gezeigte Vorrichtung in eine axiale Ausnehmung 50 a an einem Ende der Welle montiert. Das zylindrische Endteil der Vorrichtung kann in einer entsprechenden Ausnehmung, die einen kleineren Durchmesser als die Ausnehmung der Welle 50 aufweist, fixiert werden, wobei die Verbindung mittels Klebstoff oder Zement oder anderen Verbindern, die als solche bekannt sind, wie z.B. Stifte oder Bolzen mit Splinten und dergleichen hergestellt werden kann. Die Ausgabe- und Speiseleitungen 15 des Verstärkers 11 können von der Außenseite des Schafts 50 her durch eine Bohrung 51, wie sie beispielhaft dargestellt ist, herausgeführt werden.
In Fig. 10 ist ein weiteres Beispiel einer Ausführungs­ form für einen erfindungsgemäßen Sensor S auf einem mechanischen Teil W gegeben, wobei insbesondere Torsions- und Biegespannungen gemessen werden sollen. Das Werkstück W hat eine zylindrische Form, mit einem Zwischenteil 60, das einen kleineren Durchmesser aufweist. Auf der Oberfläche einer Abflachung oder Nut 61 des Zwischenteils 60 wird ein erfindungsgemäßer Sensor S aufgebracht.
Der erfindungsgemäße Sensor kann mittels Klebstoff oder Zement auf mechanische Teile oder Strukturen genauso aufgebracht werden, wie andererseits auch auf eine Art und Weise wie sie beispielhaft in Fig. 7 dargestellt ist. Der Sensor wird auf die Oberfläche des Werkstücks W aufgebracht und mittels Einklemmplatten 20 und 30, die auf das Werkstück W mittels Schrauben 25 in entsprechende im Werkstück W vorgesehene und ein Gewinde aufweisende Löcher eingeschraubt werden. Gewöhnlich weisen die Platten 20 und 30 auf ihrer dem Werkstück W gegenüberlie­ genden Oberfläche entsprechende Ausnehmungen auf, die dazu vorgesehen sind, entsprechende Endteile der Grund­ platte des Sensors aufzunehmen.
Egal auf welchem Weg der erfindungsgemäße Sensor mit einem Teil oder einer Struktur zur Aufnahme von Spannun­ gen oder Deformationen hergestellt sein mag, hat das durch ihn zur Verfügung gestellte Signal einen wesentlich höheren Ausgangswert, als dasjenige, welches mittels konventioneller Dehnungsmeßstreifen zur Verfügung ge­ stellt wurde.
Der erfindungsgemäße Sensor kann selbstverständlich in sehr unterschiedlichen Anwendungsfällen verwandt werden und dient insbesondere zur Aufnahme von Spannungen und Deformationen von Wellen, Lagerzapfen, Achsen, Hebeln, Stützstrukturen, Aufhängungen, Schwingungsabsorbern, Blattfedern und dergleichen. Er kann ebenfalls zur Aufnahme von Spannungen und Deformationen in Lagerbe­ hältern, Pipelines und Rohrleitungen und dergleichen angewandt werden, wie auch für die Aufnahme von Vibratio­ nen, Deformationen und Spannungen in Platten insbesondere aus Glas, Kristall oder dergleichen. Der Sensor kann ebenfalls als Vibrationsaufnehmer in Einbruchssicherungs­ vorrichtungen eingesetzt werden.
Der Sensor kann ebenfalls üblicherweise zur Aufnahme von Spannungen und Verformungen in Wänden, Säulen, Böden und dergleichen wie auch in Wägeapparaturen angewandt werden.
Selbstverständlich betrifft die Erfindung auch alle Ausführungsformen, die dieselbe Lösung der anfangs gestellten Aufgabe basierend auf dem hier dargestellten allgemeinen Erfindungsgedanken zur Verfügung stellt.

Claims (7)

1. Dehnungsmeßstreifen zur Aufnahme von Spannungen und Deformationen in mechanischen Teilen oder Strukturen, dadurch gekennzeichnet, daß er folgende Teile umfaßt: einen Trägergrundkörper (1) in Form einer Platte, die aus einem elektrisch isolierenden Material herge­ stellt ist, vorzugsweise keramischen Material, auf deren einen Oberfläche zumindest ein Dickschicht­ widerstand (R) aufgebracht ist, wobei der Träger­ grundkörper (1) mit seiner anderen Oberfläche orts­ fest auf einem Teil oder einer Struktur (W; 10) aufgebracht ist, deren Biegungen und Deformationen lokal gemessen werden sollen, so daß die Biegungen und Deformationen durch die der Grundplatte (1) entsprechenden Deformationen des zumindest einen Dickschichtwiderstands (R) entsprechen.
2. Ein Dehnungsmeßstreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) auf seiner anderen Seite mit einer Schicht aus Klebstoff oder zementierendem Material besteht, um eine Verbindung mit einem Teil oder einer Struktur zu ermöglichen.
3. Dehnungsmeßstreifen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Befestigungsvorrichtungen (20, 25 30) zum Befestigen des Sensors mit einem Teil oder einer Struktur (W) versehen ist.
4. Dehnungsmeßstreifen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) vorzugsweise eine viereckige Querschnittsfläche aufweist.
5. Dehnungsmeßstreifen nach Anspruch 3 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsvorrichtungen ein Paar Platten (20, 30) umfassen, die aufgebracht werden, um zwei gegenüberliegende Seiten des Grundkörpers (1) auf die Oberfläche des Teils oder der Struktur (W) aufzubrin­ gen, wobei die Platten (20, 30) mit dem Teil oder der Struktur (W) durch Schrauben (25) oder dergleichen verbunden sind.
6. Dehnungsmeßstreifen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er vorzugsweise mit zumindest einem paar von Dickschichtwiderständen (R, R′) versehen ist.
7. Dehnungsmeßstreifen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) weiterhin mit metallischen Oberflächenleiterbahnen versehen ist, welche mit dem zumindest einen Dickschichtwiderstand (R) verbunden sind, um die Verbindung zwischen dem zumindest einen Widerstand (R) zu dem externen Kreis (11) herzustel­ len.
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