DE3631647C2 - Anordnung zur Aufnahme von Biegungen und Deformationen in einem mechanischem Teil oder einer Struktur - Google Patents

Anordnung zur Aufnahme von Biegungen und Deformationen in einem mechanischem Teil oder einer Struktur

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Aufnahme von Biegungen und Deformationen in einem mechanischen Teil oder einer Struktur mit einem Dehnungsmeßstreifen, umfassend einen Trägergrundkörper in Form einer dünnen Platte, die aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist, wobei auf die eine Oberfläche des Trägergrundkörpers mindestens ein Dickschichtwiderstand aufgebracht ist, und der Trägergrundkörper mit seiner anderen Oberfläche ortsfest auf dem mechanischen Teil oder der Struktur aufbringbar ist, deren Biegungen und Deformationen lokal gemessen werden sollen, so daß die Biegungen und Deformationen des Trägergrundkörpers und des zumindest einen Dickschichtwiderstands denen des mechanischen Teils oder der Struktur entsprechen.
Eine derartige Anordnung ist bekannt aus DE 28 42 190 A1. Der in dieser Druckschrift beschriebene Dehnungsmeßstreifen hat allerdings den Nachteil, daß das erzielte Ausgangssignal bei bestimmten Anwendungen nicht genügend groß ist, so daß von außen einwirkende Störungen leicht zu unerwünschten Fälschungen und Verzerrungen führen können.
Aus DE 29 40 441 A1 ist bekannt, einen Druckmesser zu schaffen, in welchem der Dehnungsmesser Widerstände mit hoher Ansprechempfindlichkeit auf Verformungen aufweist, eine hohe Stabilität gegenüber Temperatur besitzt und eine einwandfreie thermische und mechanische Anpassung zwischen Widerständen und Substrat gewährleistet.
In DE-OS 17 98 053 wird vorgeschlagen, eine Papierunterlage für den Dehnungsmeßstreifen zu verwenden, die auf dem Isoliermaterial befestigt wird und eventuell noch vorhandenes Bindemittel aufnehmen kann.
Aus DE 28 10 782 A1 und DE-OS 19 50 836 sind Sensorelemente bekannt, die ausdrücklich mit Abstand vom Bauteil an einem Tragkörper angeordnet sind.
Aus DE-OS 14 73 698 ist ein elektrischer Dehnungsmeßstreifen bekannt, bei dem die Zahl der Dickschichtwiderstände entsprechend dem Bedarf variiert wird.
In US 3 738 162 wird ein System zur Anzeige von Ermüdungsbrüchen beschrieben, wobei die Sensorvorrichtungen aus einem leitenden Material zusammengesetzt sind und in einer Matrix aus isolierendem Material verteilt sind.
DE 23 03 787 B2 beschreibt eine Dehnungsmeßstreifenanordnung, die aus einem länglichen, an eine Teststückform angepaßten Träger besteht, der an zwei Reibflächen mit dem Teststück verklemmbar ist und der mehrere Dehnungsmeßstreifen enthält.
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 Biegungen und Deformationen, die zu messen sind, aufweist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei einer Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Befestigen des Trägergrundkörpers an dem mechanischen Teil oder der Struktur eine Befestigungsvorrichtung vorgesehen ist, die ein Paar Anpreßplatten umfaßt, mit denen an zwei gegenüberliegenden Seiten des Trägergrundkörpers dieser auf die Oberfläche des mechanischen Teils oder der Struktur anpreßbar ist, indem die Anpreßplatten zur Erzeugung des Anpreßdrucks durch Schrauben mit dem mechanischen Teil oder der Struktur verbindbar sind, und daß weiter ein externer Verstärkerkreis vorgesehen ist, der auf einer isolierenden Platte montiert ist, welche auf die Oberfläche des mechanischen Teils oder der Struktur mittels eines eine weiche und elastische Zwischenschicht bildenden Klebers aufbringbar ist, wobei der mindestens eine Dickschichtwiderstand elektrisch leitend mit dem Verstärkerkreis verbunden ist.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung ist die andere Seite der Grundplatte mit einer Schicht klebenden oder zementierenden Materials versehen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen, die die Erfindung erläutern.
Es zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Sensors,
Fig. 2 eine andere perspektivische Ansicht eines Sensors,
Fig. 3 eine Draufsicht eines anderen Sensors,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer zusätzlichen Möglichkeit des Aufbringens eines Sensors auf ein mechanisches Teil,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines anderen mechanischen Teils, welches mit vier 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 das Anbringen des Sensors auf einem mechanischen Teil zeigt,
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht von zwei Sensoren und eines elektronischen Schaltkreises zum Verarbeiten der dabei erzeugten Signale,
Fig. 9 einen teilweise geschnittenen Seitenaufriß einer Hohlwelle, mit der in Fig. 8 dargestellten Vorrichtung, und
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht, die eine weitere Möglichkeit für das Anbringen des Sensors zeigt.
Fig. 1 zeigt die einfachste Ausführungsform eines Sensors S, der eine dünne Grundplatte 1 aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise Keramik, beinhaltet. Auf einer Seite dieser Grundplatte ist ein Dickschichtwiderstand R mittels des bekannten Siebdruckverfahrens aufgebracht. Auf der gleichen Seite der Grundplatte sind zwei metallische Leiterbahnen 2 und 3 aufgebracht, die mit dem Dickschichtwiderstand R verbunden sind und die elektrische Verbindung mit anderen Vorrichtungen, z. B. ähnlichen Widerständen oder externen Verarbeitungsschaltkreisen, ermöglichen.
In Fig. 2 ist ein Sensor dargestellt, auf dessen Grundplatte 1 zwei Dickschichtwiderstände R, R′ aufgebracht sind, und diesen entsprechende Metallverbindungsleiterbahnen 2, 3 und 2′, 3′. Die Dickschichtwiderstände R, R′ können die gleichen oder unterschiedliche Formen, wie auch die gleichen oder unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen.
Fig. 3 zeigt einen Sensor S, in welchem auf derselben Trägerplatte vier Dickschichtwiderstände, R, R′, R′′ und R′′′ angeordnet sind.
Wie in Fig. 4 beispielhaft gezeigt, kann ein Sensor S auf ein mechanisches Teil durch zusätzliches Aufbringen einer Zwischenschicht B aus Klebstoff oder Zement aufgebracht werden.
Fig. 5 zeigt eine Möglichkeit, Sensoren anzuordnen. Auf den beiden gegenüberliegenden Seiten des prismatischen Zwischenteils 5a eines Stabes 5 sind vier Sensoren S angeordnet. 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 abgreifbar, das sich in Abhängigkeit von der Größe der Spannungen, welchen der Stab 5 unterworfen ist, verändert.
Eine andere Anwendung für Sensoren ist in Fig. 8 gezeigt. In dieser Figur ist ein metallisches Teil mit 10 bezeichnet und hat zwei zylindrische Endteile 10a, 10b und ein prismatisches Zwischenteil 10c. An zwei gegenüberliegenden Seiten des prismatischen Zwischenteils 10c sind zwei Sensoren S des Typs, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, d. h. welche jeweils ein paar von Dickschichtwiderständen aufweisen, angebracht. Nahe jedem dieser Sensoren ist auf dem Zwischenteil 10c 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 Verstärkerkreis 11 mittels Drähten 13 und 14 verbunden, wobei die Drähte, mittels welcher der Verstärkerkreis 11 gespeist wird und das dadurch erzeugte Signal übertragen wird, mit 15 bezeichnet sind.
Die Anordnung, die in Fig. 8 dargestellt ist, ermöglicht es, Torsions- und Biegespannungen, die auf das Teil 10 wirken, zu messen. Diese Anordnung kann auf die in Fig. 9 dargestellte Art und Weise verwendet 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 50a 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 Verstärkerkreises 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 Anordnung für einen Sensor S auf einem mechanischen Teil als Werkstsück 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 Sensor S aufgebracht.
Der Sensor wird, wie in Fig. 7 dargestellt, auf die Oberfläche des Werkstücks W aufgebracht und mittels Anpreßplatten 20 und 30, die auf das Werkstück W mittels Schrauben 25 in entsprechende im Werkstück W vorgesehene und ein Gewinde aufweisende Löcher eingeschraubt werden, befestigt. Gewöhnlich weisen die Anpreßplatten 20 und 30 auf ihrer dem Werkstück W gegenüberliegenden Oberfläche entsprechende Ausnehmungen auf, die dazu vorgesehen sind, entsprechende Endteile der Grundplatte des Sensors aufzunehmen. Der Sensor kann zusätzlich mittels Klebstoff oder Zement auf den mechanischen Teilen oder Strukturen befestigt werden.
Der Sensor kann in sehr unterschiedlichen Anwendungsfällen verwendet werden und dient insbesondere zur Aufnahme von Spannungen und Deformationen von Wellen, Lagerzapfen, Achsen, Hebeln, Stützstrukturen, Aufhängungen, Schwingungsabsorbern oder Blattfedern. Er kann ebenfalls zur Aufnahme von Spannungen und Deformationen in Lagerbehältern, Pipelines und Rohrleitungen verwendet werden, wie auch für die Aufnahme von Vibrationen, Deformationen und Spannungen in Platten, insbesondere aus Glas oder Kristall. Der Sensor kann ebenfalls als Vibrationsaufnehmer in Einbruchssicherungsvorrichtungen eingesetzt werden.
Der Sensor kann ebenfalls üblicherweise zur Aufnahme von Spannungen und Verformungen in Wänden, Säulen oder Böden wie auch in Wägeapparaturen eingesetzt werden.

Claims (5)

1. Anordnung zur Aufnahme von Biegungen und Deformationen in einem mechanischen Teil oder einer Struktur mit einem Dehnungsmeßstreifen, umfassend:
einen Trägergrundkörper in Form einer dünnen Platte, die aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist, wobei auf die eine Oberfläche des Trägergrundkörpers mindestens ein Dickschichtwiderstand aufgebracht ist, und der Trägergrundkörper mit seiner anderen Oberfläche ortsfest auf dem mechanischen Teil oder der Struktur aufbringbar ist, deren Biegungen und Deformationen lokal gemessen werden sollen, so daß die Biegungen und Deformationen des Trägergrundkörpers und des zumindest einen Dickschichtwiderstands denen des mechanischen Teils oder der Struktur entsprechen,
dadurch gekennzeichnet, daß
zum Befestigen des Trägergrundkörpers an dem mechanischen Teil oder der Struktur (Werkstück W) eine Befestigungsvorrichtung vorgesehen ist, die ein Paar Anpreßplatten (20, 30) umfaßt, mit denen an zwei gegenüberliegenden Seiten des Trägergrundkörpers (Grundplatte 1) dieser auf die Oberfläche des mechanischen Teils oder der Struktur (Werkstück W) anpreßbar ist, indem die Anpreßplatten (20, 30) zur Erzeugung des Anpreßdrucks durch Schrauben (25) mit dem mechanischen Teil oder der Struktur (Werkstück W) verbindbar sind, und daß weiter
ein externer Verstärkerkreis (11) vorgesehen ist, der auf einer isolierenden Platte (12) montiert ist, welche auf die Oberfläche des mechanischen Teils oder der Struktur (Werkstück W) mittels eines eine weiche und elastische Zwischenschicht bildenden Klebers aufbrinbar ist, wobei der mindestens eine Dickschichtwiderstand (R) elektrisch leitend mit dem Verstärkerkreis (11) verbunden ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägergrundkörper (Grundplatte 1) auf seiner anderen Oberfläche mit einer zusätzlichen Schicht aus Klebstoff oder zementierendem Material versehen ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägergrundkörper (Grundplatte 1) eine viereckige Querschnittsfläche aufweist.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Trägergrundkörper (Grundplatte 1) mindestens ein Paar von Dickschichtwiderständen (R, R′) aufgebracht ist.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägergrundkörper (Grundplatte 1) mit metallischen Oberflächenleiterbahnen versehen ist, welche mit dem zumindest einen Dickschichtwiderstand (R) verbunden sind, um die Verbindung zwischen dem mindestens einen Dickschichtwidertand (R) zu dem externen Verstärkerkreis (11) herzustellen.
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