DE3634677A1

DE3634677A1 - Displacement transducer

Info

Publication number: DE3634677A1
Application number: DE19863634677
Authority: DE
Inventors: Guenter Rohwerder; Karl-Heinz Balzereit; Wolfgang Dietzel
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1986-10-11
Filing date: 1986-10-11
Publication date: 1988-04-21

Abstract

In a displacement transducer which consists of two levers connected by a spring, a displacement of the outer ends of the levers is converted into an electric signal by means of strain gauges mounted on the spring. In this case, the levers are connected to one another in an articulated manner at one of their ends. The spring has the approximate shape of a segment of an arc of a circle and is fixed by its ends in each case on the outer surfaces of the levers with spacing from the joint.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wegaufnehmer, bestehend aus zwei mit einer Feder verbundenen Hebeln, bei dem eine Verschiebung der freien Enden der Hebel auf die Feder übertragen und mittels auf der Feder angebrachter Dehnungsmeßstreifen in ein äquivalentes elektrisches Signal umgewandelt wird.The invention relates to a displacement transducer consisting of two levers connected by a spring, in which a displacement the free ends of the levers transferred to the spring and by means of strain gauges attached to the spring equivalent electrical signal is converted.

Ein Wegaufnehmer dieser Art ist bereits aus der DE-PS 27 50 461 bekannt. Bei diesem bekannten Wegaufnehmer werden die beiden biegesteif ausgebildeten Hebel jeweils an ihrem einen Ende durch ein gemeinsames Federjoch gehalten, so daß die Anordnung angenähert die Form eines einseitig offenen Rechtecks annimmt. Zur Messung der Verschiebung an einem Bauteil oder einer Probe, beispielsweise einer Normprobe für werkstoffmechanische Untersuchungen, werden die beiden dem Federjoch abgewandten Enden zwischen zwei Schneiden eingesetzt, die im Abstand voneinander am Meßobjekt angeschraubt sind.A displacement sensor of this type is already out of the DE-PS 27 50 461 known. In this known displacement sensor the two rigid levers are each on held at one end by a common spring yoke, so that the arrangement approximates the shape of an open on one side Rectangle. To measure the displacement on a Component or a sample, for example a standard sample for mechanical investigations, the two are the Ends facing away from the spring yoke between two cutting edges used at a distance from each other on the measurement object are screwed on.

Der Abstand der beiden Schneiden, die beispielsweise zu beiden Seiten eines in einem Werkstück vorhandenen Risses angeordnet sein können, wird dabei so gewählt, daß sich das Federjoch beim Einsetzen des Wegaufnehmers unter Vorspannung befindet.The distance between the two cutting edges, for example, too both sides of a crack present in a workpiece can be arranged, is chosen so that the Spring yoke when inserting the displacement transducer under pre-tension located.

Wegaufnehmer dieser Art zeichnen sich im allgemeinen durch eine hohe Meßgenauigkeit aus, so daß mit ihnen auch kleinste Verschiebungen im Mikrometer-Bereich gemessen werden können. Zudem sind sie aufgrund ihres vergleichsweise geringen Gewichtes auch für die Messung dynamischer Vorgänge, wie zyklische Bauteilbeanspruchung, geeignet.Transducers of this type are generally characterized a high measuring accuracy, so that even the smallest Shifts in the micrometer range can be measured. In addition, they are due to their comparatively small Weight also for the measurement of dynamic processes, such as cyclical component stress, suitable.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Wegaufnehmer der eingangs genannten Art so auszubilden, daß unter Wahrung einer kompakten Bauweise die Möglichkeit besteht, auch vergleichweise große Meßwege mit hoher Meßgenauigkeit zu erfassen.The object underlying the invention is to design a displacement transducer of the type mentioned at the beginning, that while maintaining a compact design, the possibility exists, also comparatively large measuring paths with high To measure accuracy.

Die Lösung ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 beschrieben.The solution is in the characteristic features of the Claim 1 described.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht bei einer Hebel länge, wie sie angenähert derjenigen der bekannten Wegauf nehmer entspricht, in etwa eine Verdreifachung des zur Verfügung stehenden Meßweges. Die in vorteilhafter Weiter bildung des Wegaufnehmers gemäß der Erfindung vorgesehene Maßnahme, die äußeren Enden der Feder gegenüber dem Kreis bogen nach außen abzuwinkeln und flächig mit den Außensei ten der Hebel zu verbinden, führt nicht nur zu einer Verbesserung der mechanischen Stabilität, sie verhindert zugleich, daß zusätzliche Massen in Form von Paßstücken zur Fixierung der Lage der Feder in bezug auf die Hebel erfor derlich sind, die ein zusätzliches Drehmoment bezüglich der Halterung des Wegaufnehmers an den Schneiden zufolge hät ten. Der erfindungsgemäße Wegfaufnehmer ist dadurch beson ders auch für eine seitliche Anbringung an Bauteilen bzw. Proben geeignet und zeichnet sich überdies durch eine ver gleichsweise hohe Reonsanzfrequenz aus.The solution according to the invention enables a lever length as it approximates that of the known way corresponds approximately to a tripling of the Available measuring path. The more advantageous next Education of the displacement transducer provided according to the invention Measure the outer ends of the spring against the circle bend to the outside and flat with the outer side Connecting the levers doesn't just result in one Improvement of mechanical stability, it prevents at the same time that additional masses in the form of fittings for Fixation of the position of the spring in relation to the levers is necessary that are an additional torque with respect to According to the holder of the displacement sensor on the cutting edges ten. The transducer according to the invention is thereby special also for side mounting on components or Suitable samples and is also characterized by a ver equally high resonance frequency.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Feder in demjenigen Bereich, in dem die Dehnungsmeßstreifen appliziert sind, mit einer Querschnittsverjüngung versehen ist. Dies hat den Vorteil, daß dadurch eine Konzentration der durch die Wegänderung hervorgerufenen Verformung auf den mit den Dehnungsmeßstreifen versehenen Bereich erfolgt, wodurch die Signalausbeute bei gegebener Wegänderung erhöht wird. Dem gleichen Zweck dient schließlich auch die weiterhin vorge sehene Maßnahme, insgesamt vier Dehnungsmeßstreifen auf der Feder anzuordnen, von denen sich je zwei auf der Ober- und auf der Unterseite der Feder befinden. Zugleich wird dadurch die elektrische Störanfälligkeit der Anordnung auf ein Mini mum herabgesetzt.In a further embodiment of the invention it is provided that the spring in the area where the strain gauges are applied, provided with a cross-sectional taper is. This has the advantage that it creates a concentration the deformation caused by the change in path to the done with the strain gauges area, whereby the signal yield is increased for a given path change. The the same purpose ultimately serves the continued pre measure seen, a total of four strain gauges on the Arrange spring, two of which are on the top and located on the bottom of the spring. At the same time the electrical susceptibility of the arrangement to a Mini mum reduced.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Fig. 1 und 2 mittels eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1 and 2 using an exemplary embodiment. Show it:

Fig. 1 einen Wegaufnehmer gemäß der Erfindung in perspektivischer Darstellung und Fig. 1 shows a displacement sensor according to the invention in perspective and

Fig. 2 eine vergrößerte Detaildarstellung des in Fig. 1 gekennzeichneten Bereiches. Fig. 2 is an enlarged detail view of the area marked in Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte Wegaufnehmer besteht aus zwei Hebeln 1 bzw. 2, z.B. aus Titan, die an ihrem einen Ende über ein Gelenk 3 miteinander verbunden sind. Ferner greift an den Außenflächen der beiden Hebel 1, 2 im Abstand zu ihrem vom Gelenk 3 gebildeten Drehpunkt eine Feder 4 an. Diese weist angenähert die Form eines Kreisbogensegmentes auf, wobei ihre beiden Enden nach außen abgewinkelt sind. Diese Enden sind, im Fall des hier dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung, jeweils mittels zweier Schrauben 5, 6 bzw. 7, 8 auf den Außenflächen der Hebel 1 bzw. 2 fixiert. Der Ort der Befestigung an den Hebeln 1, 2, insbesondere der Abstand dieses Ortes vom Gelenk 3, bestimmt die durch die Verschiebung der freien Enden hervorgerufene Dehnungsänderung der Feder 4 im Bereich der Dehnungsmeß streifen 10, 11 und damit die Empfindlichkeit der Brücken meßanordnung. The displacement sensor shown in Fig. 1 consists of two levers 1 and 2 , for example made of titanium, which are connected at one end via a joint 3 . Furthermore, a spring 4 acts on the outer surfaces of the two levers 1 , 2 at a distance from their pivot point formed by the joint 3 . This has approximately the shape of a circular arc segment, with its two ends angled outwards. In the case of the exemplary embodiment of the invention shown here, these ends are each fixed on the outer surfaces of the levers 1 and 2 by means of two screws 5 , 6 and 7 , 8 . The location of the attachment to the levers 1 , 2 , in particular the distance of this location from the joint 3 , determines the strain change caused by the displacement of the free ends of the spring 4 in the area of the strain gauges 10 , 11 and thus the sensitivity of the bridges measuring arrangement.

Die Feder 4, z.B. Inconel, ist an einer Stelle mit einer Querschnittsverjüngung 9 versehen, die im vorliegenden Fall die Form einer Einschnürung in Breitenrichtung aufweist. Im Bereich dieser Querschnittsverjüngung 9 sind in diesem Fall insgesamt vier Dehnungsmeßstreifen in Klebetechnik auf der Feder 4 angebracht, und zwar je zwei auf der Ober- und zwei auf der Unterseite der Feder. In der Abbildung sind davon nur die beiden auf der Außenseite der Feder angeordneten Dehnungsmeßstreifen 10 und 11 sichtbar.The spring 4 , for example Inconel, is provided at one point with a cross-sectional taper 9 , which in the present case has the shape of a constriction in the width direction. In this area, a total of four strain gauges are attached to the spring 4 in the area of this cross-sectional taper 9 , two on the top and two on the bottom of the spring. In the figure, only the two strain gauges 10 and 11 arranged on the outside of the spring are visible.

Die vier Dehnungsmeßstreifen sind dabei in der Weise zu einer elektrischen Widerstandsbrücke zusammengefaßt, daß jeweils ein auf der Federaußenseite und ein auf der Federinnenseite angeordneter Dehnungsmeßstreifen gemeinsam einen Zweig der elektrischen Widerstandsbrücke bilden. Die zugehörigen Leitungen zur Verbindung der einzelnen Dehnungsmeßstreifen untereinander sowie zur Einspeisung der Versorgungsspannung und zur Überbrückung der durch die Verformung erzeugten Brückenspannung als Meßsignal an eine externe Verstärkungs und Registriereinrichtung sind aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit der Darstellung weggelassen worden.The four strain gauges are one electrical resistance bridge summarized that each one on the outside of the spring and one on the inside of the spring arranged strain gauge together a branch of form an electrical resistance bridge. The associated Cables to connect the individual strain gauges with each other and for feeding the supply voltage and to bridge those generated by the deformation Bridge voltage as a measurement signal to an external amplification and registration device are for the sake of better Clarity of presentation has been omitted.

Wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, weisen die beiden Hebel 1 und 2 an ihren dem Gelenk 3 abgewandten Enden jeweils eine V-förmige Kerbe 13 bzw. 14 auf. Diese beiden Kerben 13 und 14 wirken mit zwei Schneiden zusammen, die auf dem Bauteil oder auf der Probe angebracht sind, an dem bzw. an der eine Verschiebung zweier Punkte in bezug zueinander gemessen werden soll. Die Schneiden befinden sich dabei beispielsweise zu beiden Seiten eines Risses, dessen durch eine äußere mechanische Beanspruchung hervorgerufene Verformung gemessen werden soll. As can be seen in particular from FIG. 2, the two levers 1 and 2 each have a V-shaped notch 13 and 14 at their ends facing away from the joint 3 . These two notches 13 and 14 cooperate with two cutting edges which are attached to the component or to the sample on which or at which a displacement of two points with respect to one another is to be measured. The cutting edges are located on both sides of a crack, for example, the deformation of which is to be measured as a result of external mechanical stress.

Der Abstand der Schneiden am Bauteil oder an der Probe ist dabei so gewählt, daß die beiden Hebel 1 und 2 beim Einsetzen des Wegaufnehmers in die von den Schneiden gebildete Halterung gegen die Kraft der Feder 4 um ein beträchtliches Maß zusammengedrückt werden müssen. Während bei dem in Fig. 1 in etwa in natürlicher Größe abgebildeten Wegaufnehmer der Abstand der beiden Hebel 1 und 2 im Bereich der Kerben 13 und 14 bei entspannter Feder bei etwa 100 Millimetern liegt, würde ein Schneidenabstand von cirka 5 Millimeter gewählt werden. Der Wegaufnehmer nach der Erfindung wäre dann in der Lage, eine Rißuferverschiebung von 30 Millimetern oder mehr noch mit einer Genauigkeit von weniger als 0,5%, bezogen auf den Endwert, zu erfassen.The distance between the cutting edges on the component or on the sample is chosen such that the two levers 1 and 2 have to be compressed to a considerable extent when the displacement transducer is inserted into the holder formed by the cutting edges against the force of the spring 4 . While located at the illustrated in Fig. 1 in substantially full-scale displacement sensor, the distance of the two levers 1 and 2 in the region of the notches 13 and 14 with the spring released at about 100 millimeters, a cutting distance would be chosen from about 5 millimeters. The displacement sensor according to the invention would then be able to detect a crack displacement of 30 millimeters or more with an accuracy of less than 0.5%, based on the final value.

Die durch die Auslenkung der Feder 4 erzeugte Deformation konzentriert sich dabei überwiegend auf den Bereich der Querschnittsverjüngung 9, wo sie in bekannter Weise eine Dehnung bzw. Kompression der dort befindlichen Dehnungsmeß streifen bewirkt, die als Brückenspannung die Messung eines elektrischen, vom Abstand der beiden Kerben 13 und 14 von einander abhängigen Signals ermöglicht.The deformation generated by the deflection of the spring 4 concentrates predominantly on the area of the cross-sectional taper 9 , where it stretches in a known manner an expansion or compression of the strain gauges located there, which, as a bridge voltage, measure an electrical distance between the two notches 13 and 14 of mutually dependent signals.

Claims

1. Transducer, consisting of two with a spring verbun those levers, in which a displacement of the free ends of the levers is transmitted to the spring and is converted into an equivalent electrical signal by means of strain gauges attached to the spring, characterized in that the levers ( 1 , 2 ) are articulated at their other ends so that the spring ( 4 ) has approximately the shape of a circular arc segment and that the ends of the spring ( 4 ) on the outer surfaces of the levers ( 1 , 2 ), at a distance from the joint ( 3 ), are attached.

2. Transducer according to claim 1, characterized in that the spring ( 4 ) in the area of the strain gauges ( 10 , 11 ) has a cross-sectional taper ( 9 ).

3. Transducer according to one of claims 1 or 2, characterized in that two strain gauges ( 10 , 11 ) are arranged on the top and bottom of the spring ( 4 ) and are combined together in a bridge circuit.

4. Transducer according to claim 1 to 3, characterized in that the ends of the spring ( 4 ) are angled outwards and are connected flat to the outer sides of the levers ( 1 , 2 ).