DE4015666C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftaufnehmer der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Es sind Kraftaufnehmer bekannt, bei denen ein sich unter der Einwirkung einer Kraft verformender Träger mit Dehnmeßstreifen versehen ist, deren elektrischer Widerstand sich verformungsabhängig ändert. Durch Messung der an dem Widerstand abfallenden Spannung kann die auf den Träger einwirkende Kraft gemessen werden.

Aus US 45 57 150 ist ein Kraftaufnehmer bekannt, bei dem der Dehnmeßstreifen mit einer Beschichtung bedeckt ist, die aus einem Kunststoff, wie Polyester oder Teflon, besteht. Zusätzlich kann eine Dampfsperre in Form einer Aluminiumschicht vorgesehen sein, die auf der Kunststoffschicht angebracht ist. Die Kunststoffschicht wird mit einem Kleber auf dem Träger des Dehnmeßstreifens befestigt. Bei einem solchen Kraftaufnehmer ist die Beschichtung jedoch nicht diffusionsdicht. Teflon-Material ist nicht diffusionsdicht. Ebenso ist Polyester ein poröses Material, das Flüssigkeit einsaugt, so daß bei Frosttemperaturen die Polyesterschicht Risse bekommt. Die zusätzliche Verwendung einer Aluminiumschicht als Dampfsperre führt ebenfalls nicht zu befriedigenden Ergebnissen, da eine solche Schicht auf dem Träger des Dehnmeßstreifens angeklebt werden muß. Längs der Ränder der Aluminiumschicht gelangt Feuchtigkeit unter diese Schicht.

DE 37 08 036 A1 beschreibt einen Beschleunigungsmesser mit einer Brückenschaltung aus piezoelektrischen Widerständen, die in einer Epitaxialschicht hergestellt worden sind. Die Epitaxialschicht und die Widerstände sind mit einer SiO₂-Schicht bedeckt, die eine Isolierschicht bildet und Durchbrechungen aufweist, durch die zu den Widerständen führende Elektroden hindurchgehen. Der gesamte Schichtaufbau ist mit einer Schicht aus Phosphorsilikatglas überdeckt.

Kraftaufnehmer werden auch in Windkanälen eingesetzt, um Kräfte und Momente an Windkanalmodellen zu messen. Hierzu wird eine Windkanalwaage verwendet. Der Einsatz von Dehnmeßstreifen in kyrogenisierten Windkanälen, die in einem Temperaturbereich von 300 K bis 100 K betrie­ ben werden, verursacht jedoch erhebliche Schwierig­ keiten. Dehnmeßstreifen reagieren nicht nur auf Ver­ formungen sondern auch auf Temperaturänderungen. Tempe­ raturbedingte Signaländerungen werden als Nullpunkt­ drift oder scheinbare Dehnung bezeichnet. Um eine Wind­ kanalwaage mit der erforderlichen Genauigkeit eichen zu können, ist eine Reproduzierbarkeit der scheinbaren Dehnung mit mindestens gleicher Genauigkeit unerläß­ liche Voraussetzung. Die Reproduzierbarkeit eines Dehn­ meßstreifens verschlechtert sich jedoch stark unter dem Einfluß von Feuchtigkeit. Die drastische Verschlechte­ rung der Reproduzierbarkeit ist auf eine Änderung der Charakteristik des Dehnmeßstreifens zurückzuführen, da bei einem mit Feuchtigkeit kontaminierten Dehnmeß­ streifen bei Temperaturen unter 0°C die Feuchtigkeit ausfriert und eine zusätzliche scheinbare Dehnung er­ zeugt. Da die Temperatur des Windkanalgases bei Erwär­ mung der Temperatur des Kraftaufnehmers vorauseilt und somit höher ist, setzt sich an dem Kraftaufnehmer nach dem Überschreiten der Taupunkttemperatur Feuchtigkeit ab, die das Meßergebnis verfälscht.

Ein weiteres ungelöstes Problem stellt der Korrosions­ schutz der Kraftaufnehmer dar. Da Meßwaagen, die im Tieftemperaturbereich betrieben werden, sehr hohen Be­ lastungen ausgesetzt sind, werden an die Materialien der Meßwaagen hohe Anforderungen gestellt. Für den Waagenkörper können nur hochlegierte Nickelstähle ver­ wendet werden, die den Nachteil haben, daß sie nicht korrosionsbeständig sind. Die Strukturen im Waagen­ innern mit genau definierten Spalten können durch die Korrosion ihre Freigängigkeit verlieren, wodurch es zu Blockierungen kommt und die Waage wertlos wird.

Konventionelle Beschichtungen der Waagen können als Korrosionsschutz nicht eingesetzt werden, da die Waage noch einer Wärmebehandlung bei einer Tempera­ tur von 815°C unterzogen werden muß und die kritischen Bereiche im Inneren der Waage nach dem Schweißen nicht mehr zugänglich sind.

Die bekannten Kraftaufnehmer erfüllen die Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der scheinbaren Dehnung mit der geforderten Genauigkeit nicht. Bisher ist kein Kraftaufnehmer bekannt, der eine wirksame Abdeckung im Bereich der Dehnmeßstreifen gewährleistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraft­ aufnehmer der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 an­ gegebenen Art zu schaffen, der insbesondere für den Einsatz in kyrogenisierten Windkanälen geeignet ist und einen wirksamen Korrosionsschutz aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 ange­ gebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Kraftaufnehmer ist der Dehn­ meßstreifen mit einer aufgedampften diffusionsdichten isolierenden Beschichtung versehen, die den Dehnmeß­ streifen und den darunter befindlichen Teil des Trägers schützt, so daß im Bereich des Dehnmeßstreifens keine Feuchtigkeit an den Träger gelangen kann. Die Beschich­ tung erstreckt sich nicht nur über den Dehnmeßstreifen sondern auch über mindestens den daran angrenzenden Teil des Trägers. Die Beschichtung ist sehr dünn und hat eine Stärke von nur wenigen Micrometern. Sie bildet eine diffusionsdichte Umhüllung der Dehnmeßstreifen und erforderlichenfalls des gesamten Trägers. Durch die geringe Dicke der Schutzschicht kann diese keine Kräfte übertragen, die die Hysterese der aufgebrachten Dehn­ meßstreifen beeinflussen könnten. Die Beschichtung weist eine durch chemische Dampfablagerung (CVD) diffusionsdicht aufgebrachte Schicht aus Siliziumoxid oder Siliziumkarbid auf, die sich an ihren Rändern diffusionsdicht mit dem Träger verbindet und zusammen mit dem Träger eine hermetische Umschließung des Dehnmeßstreifens bildet. Die genannten Materialien sind bis zu der bei der Wärmebehandlung angewandten Temperatur von 815°C temperaturbeständig und zeigen keine Rißbildungen oder Ablösungen. Darüber hinaus haben sie etwa gleiche Ausdehnungskoeffizienten wie hochlegierte Stähle.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung näher erläutert.

In der Figur ist eine Seitenansicht eines Kraftauf­ nehmers dargestellt.

Der Kraftaufnehmer weist einen Biegebalken 10 aus hoch­ legiertem Nickelstahl auf, der an einem Ende in einer Einspannung 11 eingespannt ist. Auf das andere freie Ende des Biegebalkens 10 kann eine Kraft einwirken, um den Balken zu verformen.

Auf dem Biegebalken sind Dehnmeßstreifen 12, 13 an der Oberseite und an der Unterseite angebracht.

Die Dehnmeßstreifen 12, 13 und die daran angrenzenden Teile des Biegebalkens sind mit einer Beschichtung 14 aus Siliziumoxid oder Siliziumkarbid in einer Schicht­ dicke von 2 µm bis 4 µm versehen. Diese Beschichtung ist in einem Dampfbeschichtungsverfahren (Chemical Vapor Deposition - CVD) durchgeführt. Die Beschich­ tungen 14 umschließen den jeweiligen Dehnmeßstreifen und die daran angrenzenden Bereiche des Biegebalkens 10 hermetisch. Sie bilden eine diffusionsdichte Schutz­ schicht, durch die hindurch keine Feuchtigkeit an die Teile des Kraftaufnehmers gelangen kann. Diese Schutz­ schicht kann sich auch über die gesamte Oberfläche des Biegebalkens erstrecken. Durch ihre geringe Stärke von maximal etwa 20 µm, vorzugsweise aber 2 bis 6 µm, wird verhindert, daß die Beschichtung Kräfte aufnimmt und die Hysterese des Kraftaufnehmers beeinflußt.

Die Beschichtung 14 kann auch aus zwei Schichten be­ stehen, nämlich einer unteren Siliziumoxidschicht als Isolator und einer darüber befindlichen Metallschicht, vorzugsweise Nickelschicht, als diffusionsdichte Schicht.

Die Erfindung ist nicht nur bei Kraftaufnehmern anwend­ bar, die als Biegebalken ausgebildet sind sondern auch bei Torsionsstäben, Membranen oder anderen Strukturen, die sich unter Krafteinwirkung elastisch verformen.

Der erfindungsgemäße Kraftaufnehmer eignet sich beson­ ders für die Anwendung im Niedrigtemperaturbereich von 300 K bis 100 K. Er kann aber auch hohen Temperaturen ausgesetzt werden, ohne dabei verstellt zu werden.

Claims (2)

1. Kraftaufnehmer mit einem einer Verformungskraft ausgesetzten Träger (10) aus Stahl und mindestens einem auf dem Träger (10) befestigten Dehnmeßstreifen (12, 13), bei welchem der Dehnmeßstreifen (12, 13) mit einer durchgehenden Beschichtung (14) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (14) eine durch chemische Dampfablagerung (CVD) diffusionsdicht aufgebrachte Schicht aus Siliziumoxid oder Siliziumkarbid aufweist.

2. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (14) eine Stärke von weniger als 20 µm, vorzugsweise von 2 bis 6 µm, hat.