DE69108715T2 - Kapazitiver kraftsensor. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf einen Wandler, der zum Erzeugen eines elektrischen Ausgangssignales in Abhängigkeit von einer mechanisch aufgebrachten Kraft konzipiert ist. Solche Wandler finden eine weitreichende Anwendung in Steuersystemen von verschiedenen Arten und die meisten, allgemein verwendeten Wandler stützen sich entweder auf eine variable Induktivität (ein Kern oder ein Anker, der sich in Axialrichtung durch ein Paar von ausgerichteten Spulen hindurch bewegt, die in einer abgeglichenen Schaltung miteinander verbunden sind) oder auf einen variablen Widerstand, beispielsweise Dehnungsmesser. Wandler mit variablen Kapazitäten sind ebenfalls bekannt, ihre Anwendung ist jedoch weniger weit verbreitet, da allgemein angenommen wird, daß die streng nichtlineare Charakteristik (die Beziehung zwischen Verschiebung und Kapazität ist hyperbolisch) sie unpraktisch macht, und darüber hinaus ist, es sei denn, daß sehr große Flächen einnehmende Elektroden oder Mehrplatten-Anordnungen benutzt werden, der absolute Wert der hierin involvierten Kapazität sehr klein und die Änderungen mit der Verschiebung können durch Streukapazitäten von Zuleitungen und anderen Komponenten überdeckt werden.
• Jedoch hat, wie weiter unten gezeigt wird, die variable Kapazität ihren Platz auf dem Gebiet der Wandler, und es kann aus ihren Charakteristika ein Vorteil gezogen werden, der Einfachheit und die Fähigkeit umfaßt, einer widrigen Umgebung standzuhalten.
• Eine besondere Notwendigkeit für einen stabilen oder unempfindlichen elektro-mechanischen Wandler ergibt sich bei der automatischen Steuerung des Bremsens von Anhänger-Fahrzeugen. Es ist erkannt worden, daß bei einer Fahrzeug-Anordnung, insbesondere einer Straßenfahrzeug- Anordnung, welche eine Zugmaschine und einen Anhänger (oder einen Sattelschlepper) umfaßt, wobei an beiden Fahrzeugen von einer Quelle in der Zugmaschine aus gebremst wird, es wünschenswert ist, die relative Bremswirkung bei den beiden Fahrzeugen unter sämtlichen Belastungs-Bedingungen aneinander anzupassen, so daß die zwei Fahrzeuge gleichmässig gebremst werden, dessen ungeachtet, ob beispielsweise der Anhänger leer oder voll beladen ist. Der einzige, voll zufriedenstellende Weg, um dies auszuführen, besteht in dem Abfühlen der Belastung in der Zugstange oder der Sattelkupplung zwischen den zwei Fahrzeugen während des Bremsens und im Benutzen der resultierenden Information, um die Bremswirkung in dem Anhänger in einem solchen Sinne zu modifizieren, daß jene Belastung gegen Null hin reduziert oder zumindest bis zu einem gewissen geringen Wert oder Bereich von Werten reduziert wird.
• Mit Ausnahme in einem einigermaßen rauhen oder groben System von dieser Art ist es daher notwendig, sowohl die Zug- als auch die Druck- Belastungen in der Zugstange zu messen. Dies wirft tatsächlich die Widerstands-Dehnungsmesser aus dem Rennen, es sei denn, es werden einigermaßen komplizierte vorgespannte Anordnungen benutzt oder es wird von einer Dualität bei beträchtlichen Kosten Gebrauch gemacht.
• Aus der GB-A-1 201 755 ist eine elektro-mechanische Wandler-Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei welcher elektrische Kondensatorplatten auf beiden Seiten des einen der Elemente angeordnet oder mit beiden Seiten des einen der Elemente verbunden sind, so daß bei relativer axialer Verschiebung der Elemente unter Belastung nach beiden Richtungen die Kapazität zwischen den Platten auf der einen Seite des einen der Elemente anwächst, während diejenige auf der anderen Seite abnimmt.
• Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen neuen Wandler mit variabler Kapazität von einer einfachen und kompakten, unempfindlichen Konstruktion hervorzubringen, welcher zur Anwendung in aggressiven Umgebungen geeignet ist.
• Gemäß der Erfindung schlagen wir eine elektro-mechanische Wandler- Anordnung von einer eine variable Kapazität aufweisenden Art vor, umfassend: ein erstes lastübertragendes Element mit einer mittleren Achse, welches sich durch ein zweites lastübertragendes Element hindurcherstreckt, sowie umfassend zwei in Axialrichtung voneinander beabstandete Flansche auf dem ersten Element, welche auf einander gegenüberliegenden Seiten eines sich in der Querrichtung erstreckenden Teiles des zweiten Elementes liegen, und elastische Mittel zum Übertragen von axialen Belastungen zwischen jedem der Flansche und dem genannten Teil zwischen diesen, wodurch Kräfte in beiden axialen Richtungen elastisch übertragen werden können, wobei die elastischen Mittel um die Achse herum symmetrisch angeordnet sind und wobei die genannten elektrischen Kondensator-Platten auf beiden Flanschen und beiden Seiten der genannten Teile des zweiten Elementes angeordnet oder mit den beiden Flanschen und den beiden Seiten der genannten Teile des zweiten Elementes verbunden sind, wobei die Platten um jene Flansche und jenes Teil herum symmetrisch verteilt sind, so daß bei einer relativen axialen Verschiebung der Elemente unter Belastung nach beiden Richtungen die Kapazität zwischen den Platten auf einer Seite des Teiles anwächst, während diejenige auf der anderen Seite abnimmt. Es wird erkannt werden, daß die symmetrische Anordnung der Kondensator-Platten die Wirkung von nicht-axialen Kräften auf die Anordnung im wesentlichen zu Null macht.
• Durch zweckmässiges Anordnen und durch Verbinden der zwei Kapazitäten in einer zweckmässigen Art und Weise, beispielsweise in einer Brückenschaltung oder zumindest einer Halb-Brückenschaltung, kann ein im wesentlichen lineares Ansprechen über einen beträchtlichen Bereich der Bewegung erzielt werden. Durch Anbringen von elastischen Mitteln mit einer zweckmässigen Federkonstanten kann ein weiter Bereich von Belastungen bei einem gegebenen mechanischen Aufbau und ohne die Kondensator-Anordnungen in irgendeiner Weise zu ändern, abgedeckt werden. In zweckmässiger Weise können die elastischen Mittel Scheibenfedern umfassen.
• Vorzugsweise sind gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung die Kondensatoren keine individuellen Kondensatoren, die um die Achse herum angeordnet sind, sondern sie sind von einer ringförmigen Form, wobei die Platten in der Form von Ringen sind, welche das zuerst erwähnte kraftübertragende Element umgeben.
• Die Erfindung wird nunmehr im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigen:
• Fig. 1 eine schematische, isometrische Explosions-Darstellung einer Wandler-Anordnung gemäß der Erfindung, welche bei einer Zugmaschinen-Anhänger-Zugstange angewendet wird;
• Fig. 2 eine Querschnittsansicht mit Blick auf den einen der Flansche und seinen mit ihm verbundenen Kondensator, mit Blickrichtung entlang der Achse;
• Fig. 3 einen Schnitt durch die Anordnung gemäß der Linie A-A in Fig. 2; und
• Fig. 4 eine mögliche Schaltung zum Erzeugen eines elektrischen Ausganges.
• Wenn zuerst auf die Fig. 1 Bezug genommen wird, so ist ersichtlich, daß der Zugbalken, d.h. das quer gerichtete Chassis-Element eines Schleppfahrzeuges, durch welches die Schlepplast aufgenommen wird, bei 1 gezeigt ist. Die Zugstange selbst ist aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen worden und ebenso die Zugvorrichtung, mit welcher die Zugstange in lösbarer Weise befestigt ist, jedoch liegt der Haupt-Stift der Zugvorrichtung auf der bei 2 gekennzeichneten Achse und es sind mit ihm zwei feste Flansche 3 und 4 befestigt. Vier symmetrisch angeordnete Schrauben gehen durch Löcher in den Flanschen hindurch und der Zugbalken überträgt die Schlepplast, und dies ist in der Tat eine Standard-Konstruktion, wobei ein ISO-Standard auf die Positionen der Löcher anwendbar ist. In den Standard-Ausführungen würde die Vorrichtung dicht sein, wobei kein Spiel zwischen den Flanschen und dem Zugbalken vorhanden ist, ausgenommen irgendeine mögliche Hartgummi-Dichtung, um einen leichten Elastizitätsgrad zu verleihen.
• Bei der Anordnung gemäß der Erfindung jedoch sind Scheiben-Federn 7 (Fig. 3) zwischen den Flanschen 3 und 4 und dem Zugbalken 1 vorhanden, sowie ein starres oder festen Abstandsstück 8 zwischen den zwei Flanschen, so daß Schrauben 9 die Flansche mit einem festen Abstand auseinander halten, und, falls es keine Belastung gibt, befindet sich die Zugbalken-Baugruppe mittig zwischen diesen. Die Flansche bewegen sich als ein Ganzes nach links oder nach rechts (wie in Fig. 3 ersichtlich), wenn eine Belastung aufgebracht wird, und zwar bis zu einem Ausmaß, welches im wesentlichen zu der Last proportional ist, und es ist von Bedeutung, darauf hinzuweisen, daß diese Last positiv oder negativ sein kann, d.h. ein Druck oder ein Zug in der Zugstange.
• Unabhängig von den Schrauben 9 und den Federn 7 sind Kondensatoren vorhanden, die durch ringförmige Elektroden gebildet sind, welche den Haupt-Stift der Zugvorrichtung umgeben. Auf einer jeden Seite des Zugbalkens sind zwei Elektroden 10 und 11 durch isolierende Ringe 12 von dem Zugbalken und dem angrenzenden Flansch isoliert und sie sind durch einen Ring aus einem Dielektrikum 13, vorzugsweise Nylon, voneinander beanstandet.
• Es versteht sich, daß, wenn die Last in der Zugstange in einer Richtung oder in der anderen anwächst, die Kondensator-Elektroden 10 und 11 auf der einen Seite näher zueinander hin gedrückt werden, während jene auf der anderen Seite des Zugbalkens sich auseinanderbewegen werden. Bei der bevorzugten Anordnung stützen wir uns nicht einfach auf die Elastizität des Dielektrikums, sondern wir machen die ringförmigen Elektroden von einer gewellten Form, d.h., es wird eine über den Umfang verlaufende Welle oder Rille in eine jede von diesen eingepreßt, so daß sie dazu neigen, auseinanderzuspringen. Sie werden vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt, der die geforderte Elastizität in Kombination mit Dauerhaftigkeit und Festigkeit aufweist, jedoch ist eine andere Möglichkeit Phosphor-Bronze.
• Eine Alternative zum Legen einer Welle in eine jede Elektrode würde es sein, das Dielektrikum wellig zum machen. Eine Weise, dies auszuführen, würde darin bestehen, gleichförmig über den Umfang beabstandete radiale Rippen, zum Beispiel durch ein Klebemittel, abwechselnd auf einander gegenüberliegenden Seiten des Dielektrikums aufzubringen, so daß sie versetzt angeordnet sind, beispielsweise sechs auf jeder Seite. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Dielektrikums aus einem elastischen Material, wie z.B. synthetischem Gummi, jedoch ist ein beträchtliches Hohlraumvolumen erforderlich, um den verschobenen Gummi aufzunehmen.
• In einem typischen Beispiel ist der Verlauf zwischen Null und voller Last in der Größenordnung von 1 mm in jeder Richtung. Jeder Kondensator hat einen mittleren Wert von ungefähr 470 pf. Falls erwünscht, könnte man die Kapazität dadurch vergrößern, daß weitere ringförmige Elektroden und dielektrische Ringe zwischen sie gesetzt werden, wobei sie alternativ in Paaren miteinander verbunden werden.
• In Abhängigkeit von der Federkonstanten der Scheibenfedern, die ausgewählt sind, kann eine vorgegebene Anordnung mit einem vorgegebenen Verlauf zwischen Belastung Null und voller Belastung für beliebige Anhänger beispielsweise mit einem Gewicht von 10 bis zu 70 Tonnen konstruiert werden. Es wird festgestellt werden, daß in dem beschriebenen Aufbau die Funktionen des Übertragens der Last und des Erzeugens des elektrischen Signals voneinander vollständig unabhängig gehalten sind, d.h., die Lasten an der Zugstange werden nicht durch die Kondensator-Platten oder durch irgendwelche anderen, mit diesen verbundenen Teile übertragen.
• Staubdichtungen oder Staubschutz-Manschetten 14 erstrecken sich rund um die Spalte zwischen den Flanschen und dem Zugbalken herum, jedoch selbst dann, wenn die Witterung durch die Dichtungen eindringt, sind die einfachen Kapazitäts-Sensoren gegenüber Beschädigung oder Defekt verhältnismäßig unempfindlich, im Gegensatz beispielsweise zu den empfindlichen induktiven Wandlern.
• Die Verarbeitung der Signale ist schlicht und einfach. Fig. 4 zeigt einen Plan, bei welchem die zwei Kondensatoren, bei A und B gezeigt, in einer Halb-Brückenschaltung verbunden und mit Wechselspannungen in Gegenphase von z.B. 1 Volt Spitzenwert betrieben werden, welche von einer mittelangezapften Sekundärwindung an der Spule eines freilaufenden Oszillators erhalten werden, welcher in einem typischen Falle mit einer Frequenz von 5kHz betrieben wird.
• Das Ausgangs-Signal von dem Sensor wird in die virtuelle Erde eines Verstärkers wechselstromgekoppelt; dies beseitigt die Wirkung der Kapazität der verbindenden Kabel und andere Streukapazitäten zu Erde. Der Ausgang des Verstärkers wird dann in einem Phasendetektorschaltkreis mit einem Referenzsignal von dem Oszillator verglichen, um ein bipolares Ausgangssignal zu erzeugen, welches in einem typischen Falle in einem Bereich zwischen + und - 5 Volt liegen kann.
• Die Kombination des Wandlers, des Oszillators, des Verstärkers und des Phasendetektors ist dazu befähigt, eine annähernd lineare Anzeige sowohl von Druck- als auch von Zug-Kräften in der Zugstange zu liefern.

Claims (10)

1. Eine elektro-mechanische Wandler-Anordnung von einer eine variable Kapazität aufweisenden Art, umfassend: ein erstes lastübertragendes Element mit einer mittleren Achse (2), welches sich durch ein zweites lastübertragendes Element hindurcherstreckt, und elektrische Kondensatorplatten (10, 11), die auf beiden Seiten des zweiten Elements angeordnet oder mit beiden Seiten des zweiten Elementes verbunden sind, so daß bei relativer axialer Verschiebung der Elemente unter Belastung nach beiden Richtungen die Kapazität zwischen diesen Platten (10, 11) auf einer Seite des Teiles (1) anwächst, während diejenige auf der anderen Seite abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung ferner aufweist: zwei in Axialrichtung voneinander beabstandete Flansche (3, 4) auf dem ersten Element, welche auf einander gegenüberliegenden Seiten eines sich in Querrichtung erstreckenden Teiles (1) des zweiten Elementes liegen, und elastische Mittel zum Übertragen von axialen Belastungen zwischen jedem der Flansche (3,4) und dem genannten Teil (1) zwischen diesen, wodurch Kräfte in beiden axialen Richtungen elastisch übertragen werden können, wobei die elastischen Mittel um die Achse herum symmetrisch angeordnet sind und wobei die genannten elektrischen Kondensator-Platten (10, 11) auf beiden Flanschen (3, 4) und beiden Seiten der genannten Teile (1) des zweiten Elementes angeordnet oder mit den beiden Flanschen (3, 4) und den beiden Seiten der genannten Teile (1) des zweiten Elementes verbunden sind, wobei die Platten (10, 11) um jene Flansche (3, 4) und jenes Teil (1) des zweiten Elementes herum symmetrisch verteilt sind.

2. Eine Wandler-Anordnung gemäß Anspruch 1, bei welcher die Kondensatoren, die durch die zwei Sätze von Platten (10, 11) gebildet sind, in einer symmetrischen elektrischen Schaltung verbunden sind, welche einen Differenz-Ausgang erzeugt.

3. Eine Wandler-Anordnung gemäß Anspruch 1 oder gemäß Anspruch 2, bei welcher die Platten (10, 11) der Kondensatoren von einer ringförmigen Form sind, wobei sie das erste lastübertragende Element einschließen.

4. Eine Wandler-Anordnung gemäß Anspruch 3, bei welcher die elastischen lastübertragenden Mittel mit umfangsmäßigem Zwischenabstand voneinander angeordnete Feder-Anordnungen (7) aufweisen, welche weiter von der Achse als die Kondensator-Platten (10, 11) beabstandet sind.

5. Eine Wandler-Anordnung gemäß Anspruch 4, bei welcher vier der genannten Feder-Anordnungen (7) vorhanden sind, welche auf die Ecken eines Rechteckes verteilt sind.

6. Eine Wandler-Anordnung gemäß Anspruch 5, bei welcher die Feder-Anordnungen (7) aus Scheibenfedern aufgebaut sind.

7. Eine Wandler-Anordnung gemäß Anspruch 6, bei welcher die Scheibenfedern (7) auf Schraubbolzen (9) angeordnet sind, die sich zwischen den Flanschen (3, 4) und durch das genannte Teil (1) des zweiten Elementes hindurch erstrecken.

8. Eine Wandler-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher die Kondensatorplatten (10, 11) durch Schichten aus einem dielektrischen Material (13) von einer gewellten oder mit Rillen versehenen Form voneinander getrennt sind, derart, daß die Platten leicht auseinander gedrängt werden.

9. Eine Wandler-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher die Kondensatorplatten (10, 11) von einer gewellten oder mit Rillen versehenen Form sind, derart, daß sie von aus dielektrischen Schichten bestehenden Platten (13) weg, die zwischen ihnen vorhanden sind, auseinander gedrängt werden.

10. Eine Zugstangen-Anordnung für ein Straßenfahrzeug, welche eine Wandler-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 umfaßt.