DE69802061T2

DE69802061T2 - Dehnungs oder Spannungsmessung mit einer anfänglich verstimmten Brücke

Info

Publication number: DE69802061T2
Application number: DE69802061T
Authority: DE
Inventors: Haruki Okano
Original assignee: Tokyo Sokki Kenkyujo Co Ltd
Current assignee: Tokyo Sokki Kenkyujo Co Ltd
Priority date: 1997-12-11
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 2002-07-04
Anticipated expiration: 2018-12-12
Also published as: US6148675A; EP0922928A1; DE69802061D1; EP0922928B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen mechanischer Spannung mit einer Dehnungsmeßvorrichtung (strain gage).

Beschreibung der verwandten Technik

Im allgemeinen ist bekannt, eine Verformung eines Objekts mit einer Brücke, insbesondere einer Wheatston'schen Brücke, zu messen, die als einen Arm eine Dehnungsmeßvorrichtung, die an das Objekt zum Erzeugen einer von der mechanischen Spannung (strain) abhängigen Widerstandsänderung angelegt wird, und als die anderen drei Arme eine Mehrzahl von Widerständen aufweist.
Da die mechanische Spannung eines Objekts proportional zu der Belastung (stress) ist, der das Objekt unterworfen wird, wird der hier verwendete Begriff "mechanische Spannung" Belastung sowie auch Verformung in ihrem ursprünglichen Sinn abdecken, und Verformung im ursprünglichen Sinn wird durch das Bezugszeichen "&epsi;" mit oder ohne irgendwelchen Indizes bezeichnet.
Verfahren zum Messen mechanischer Spannung mit einer Brücke, die als einen Arm eine Dehnungsmeßvorrichtung aufweist, die an ein Objekt angelegt wird, dessen mechanische Spannung zu messen ist, werden in Einzelmeßvorrichtungsverfahren und in eine Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy"-Verfahren klassifiziert. Das Einzelmeßvorrichtung-Verfahren umfaßt eine Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter-Verfahren und ein Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren.
Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen zeigt eine Schaltung, die das Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter-Verfahren darstellt, das das grundlegendste Verfahren zum Messen der mechanischen Spannung mit einer Brücke ist. Gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter-Verfahren, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, werden zwei Leitungen 2, 3 mit jeweiligen entgegengesetzten Anschlüssen einer an ein Objekt angelegten Dehnungsmeßvorrichtung 1 verbunden, dessen mechanische Spannung zu messen ist. Das Verfahren wird ein Zweileiterverfahren aufgrund der mit der Dehnungsmeßvorrichtung 1 verbundenen beiden Leitungen 2, 3 genannt. Die Dehnungsmeßvorrichtung 1 wird durch diese Leitungen 2, 3 mit einer Widerstandsschaltung verbunden, die aus Widerständen 4, 5, 6 aufgebaut ist. Die Dehnungsmeßvorrichtung 1 und die Widerstände 4, 5, 6 bilden zusammen eine Brücke 7, die die Dehnungsmeßvorrichtung 1 (insbesondere die Dehnungsmeßvorrichtung 1 und die Leitungen 2, 3) als einen Arm und die Widerstände 4, 5, 6 als die anderen drei Arme aufweist.
Die Widerstände 4, 5, 6 umfassen im wesentlichen Widerstandselemente, deren jeweilige Widerstandswerte R&sub2;, R&sub3;, R&sub4; ungeachtet der in dem Objekt entwickelten mechanischen Spannung konstant sind, z. B. Widerstandselemente mit jeweiligen festen Widerstandswerten. Gewöhnlicherweise werden die Widerstandswerte R&sub2;, R&sub3;, R&sub4; der Widerstände 4, 5, 6 durch R&sub0; = R&sub2; = R&sub3; = R&sub4; dargestellt, wobei R&sub0; der Bezugswiderstandswert der Dehnungsmeßvorrichtung 1 ist, wenn keine mechanische Spannung an der Dehnungsmeßvorrichtung 1 entwickelt wird, d. h. der Nennwiderstandswert der Dehnungsmeßvorrichtung 1.
Zum Messen der mechanischen Spannung des Objekts mit der Brücke 7 wird eine Leistungsversorgungsspannung V (konstante Spannung) von einer Leistungsversorgung für die Brücke 7 zwischen den Leistungsecken I&sub1;, I&sub2; (power corners) angelegt (an diagonal entgegengesetzten Verbindungsstellen der Brücke 7). Die Leistungsecke I&sub1; ist an der Verbindungsstelle zwischen der Leitung 2 und dem Widerstand 6 oder an einem Punkt auf dem gleichen Potential wie die Verbindungsstelle zwischen der Leitung 2 und dem Widerstand 6 angeordnet, und die Leistungsecke I&sub2; ist an der Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 4 und dem Widerstand 5 oder an einem Punkt auf dem gleichen Potential wie die Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 4 und dem Widerstand 5 angeordnet. Wenn die Leistungsversorgungsspannung zwischen den Leistungsecken I&sub1;, I&sub2; anliegt, wird eine Ausgangsspannung e der Brücke 7 zwischen Signalecken 0&sub1;, 0&sub2; (signal corner) erfaßt (bei anderen diagonal entgegengesetzten Verbindungsstellen der Brücke 7). Die Signalecke 0&sub1; ist an der Verbindungsstelle zwischen der Leitung 3 und dem Widerstand 4 oder an einem Punkt auf dem gleichen Potential wie die Verbindungsstelle zwischen der Leitung 3 und dem Widerstand 4 angeordnet, und die Signalecke O&sub2; ist an der Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 5 und dem Widerstand 6 oder an einem Punkt auf dem gleichen Potential wie die Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 5 und dem Widerstand 6 angeordnet.
Wenn angenommen wird, daß die Leitungen 2, 3 vernachlässigbare kleine Widerstandswerte ra1, ra2 (ra1 = 0, ra2 = 0) aufweisen und R&sub0; = R&sub2; = R&sub3; = R&sub4; ist, wie es oben beschrieben ist, dann ist die in dem Objekt entwickelte Verformung &epsi; (strain im eigentlichen Sinn), an das die Dehnungsmeßvorrichtung 1 angelegt wird, und die Ausgangsspannung e der Brücke 7 miteinander gemäß der folgenden Gleichung (8) verknüpft:
wobei K den Dehnungfaktor (gage factor) der Dehnungsmeßvorrichtung 1 darstellt.
Daher kann durch Erfassen der Ausgangsspannung e der Brücke 7 die Verformung &epsi; des Objekts aus der erfaßten Ausgangsspannung e gemäß der Gleichung (8) berechnet werden.
Zur mechanischen Spannungsmessung ist es allgemeine Praxis, die Leistungsversorgungsspannung V für die Brücke 7 auf V = 2 (V) zu setzen und die Dehnungsmeßvorrichtung 1 zu benutzen, deren Dehnungsfaktor K gleich K = 2 ist. Gemäß dieser allgemeinen Praxis wird die Gleichung (8) neu geschrieben wie folgt:
Wenn die Verformung &epsi; ausreichend klein ist (e < < 1), dann kann der Nenner der rechten Seite der Gleichung (9) ignoriert werden, und die Verformung &epsi; kann als &epsi; = e bestimmt werden. Da die Verformung &epsi; des Objekts und die Belastung σ, die an das Objekt anliegt, um die Verformung &epsi; zu verursachen, miteinander gemäß σ = E·&epsi; verknüpft sind (E stellt das Young'sche Modul des Objekts dar), kann die Verformung, der das Objekt unterworfen ist, aus der Ausgangsspannung e durch Multiplizieren der rechten Seite der Gleichung (8) oder (9) mit dem Young'schen Modul E des Objekts bestimmt werden.
Das obige Verfahren ist das Grundverfahren des Messens der Belastung mit einer Dehnungsmeßvorrichtung.
Fig. 2 der beigefügten Zeichnungen zeigt eine Schaltung, die das Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren veranschaulicht. Gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter- Verfahren, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, werden zwei Leitungen 2, 3 mit jeweiligen entgegengesetzten Anschlüssen einer Dehnungsmeßvorrichtung 1 verbunden, die an ein Objekt angelegt wird, dessen mechanische Spannung zu messen ist, und eine Zusatzleitung 8 ist ebenfalls mit einem der Anschlüsse der Dehnungsmeßvorrichtung 1 verbunden, d. h. deren Anschluß, an dem die Leitung 3 verbunden ist. Das Verfahren wird aufgrund der drei mit der Dehnungsmeßvorrichtung 1 verbundenen Leitungen 2, 3, 8 ein Dreileiter-Verfahren genannt.
Wie bei der Schaltung zum Durchführen des in Fig. 1 gezeigten Einzelmeßvorrichtung-Zweileiterverfahrens ist die Dehnungsmeßvorrichtung 1 mit den Leitungen 2, 3 mit einer aus Widerständen 4, 5, 6 aufgebauten Widerstandsschaltung verbunden, die eine Brücke 9 bilden.
Zum Messen der mechanischen Spannung des Objekts mit der Brücke 9 wird eine Leistungsversorgungsspannung V (konstante Spannung) für die Brücke 9 zwischen den Leistungsecken I&sub1;, I&sub2; (an diagonal entgegengesetzten Verbindungsstellen der Brücke 9) angelegt. Die Leistungsecke I&sub1; ist an der Verbindungsstelle zwischen der Leitung 2 und dem Widerstand 6 oder an einem Punkt auf dem gleichen Potential wie die Verbindungsstelle zwischen der Leitung 2 und dem Widerstand 6 angeordnet, und die Leistungsecke I&sub2; ist an der Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 4 und dem Widerstand 5 oder an einem Punkt auf dem gleichen Potential wie die Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 4 und dem Widerstand 5 angeordnet.
Gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren bilden die anderen diagonal entgegengesetzte Verbindungsstellen der Brücke 9 den Anschluß der Brücke 9, an dem die Leitungen 3, 8 verbunden sind, und die Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 5 und dem Widerstand 6 oder einen Punkt auf dem gleichen Potential wie die Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 5 und dem Widerstand 6. Wenn die Leistungsversorgungsspannung zwischen den Leistungsecken I&sub1;, I&sub2; anliegt, wird eine Ausgangsspannung e der Brücke 9 zwischen den Signalecken O&sub1;, O&sub2; an diesen anderen diagonal entgegengesetzten Verbindungsstellen der Brücke 9 erfaßt. Die Zusatzleitung 8 wird verwendet, um die Ausgangsspannung e der Brücke 9 zu erfassen. Der Arm der Brücke 9, der die Dehnungsmeßvorrichtung 1 aufweist, ist aus der Drehnungsmeßvorrichtung 1 und der Leitung 2 aufgebaut, und der Arm der Brücke 9, der den Widerstand 4 aufweist, wird von dem Widerstand 4 und der Leitung 3 aufgebaut.
Wenn gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren angenommen wird, daß die Leitungen 2, 3 vernachlässigbar kleine Widerstände ra1, ra2 aufweisen (ra1 &sim; 0, ra2 &sim; 0) und R&sub0; = R&sub2; = R&sub3; = R&sub4; ist, wie es oben beschrieben ist, dann ist die obige Gleichung (8) erfüllt. Wenn V = 2 (V) und K = 2 ist, dann ist die obige Gleichung (9) erfüllt. Daher kann die in dem Objekt entwickelte Verformung e und die Belastung, der das Objekt unterworfen ist, gemäß der Gleichung (8) oder (9) berechnet werden. Es ist bekannt, daß das Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren wirksamer als das Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter-Verfahren ist, um den Einfluß einer Änderung in dem Widerstandswert der Widerstände 2, 3 in Folge einer Änderung der Umgebungstemperatur auf die mechanische Spannungsmessung aufzuheben.
Fig. 3 der beigefügten Zeichnungen zeigt eine Schaltung, die ein Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy"-Verfahren veranschaulicht. Gemäß dem Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy"- Verfahren, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, unterscheidet sich die Schaltung von der in Fig. 2 gezeigten Schaltung gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter-Verfahren dadurch, daß der Widerstand 4 in der in Fig. 2 gezeigten Schaltung durch eine Dehnungsmeßvorrichtung 10 (eine "Dummy"-Meßvorrichtung genannt) als ein Widerstand ersetzt wird, die die gleichen Merkmale wie die Dehnungsmeßvorrichtung 1 aufweist. Die Dehnungsmeßvorrichtung 10 ist in dem Arm mit Leitungen 11, 12 aufgenommen, die mit jeweiligen Anschlüssen verbunden sind. Die Dehnungsmeßvorrichtungen 1, 10 und die Widerstände 5, 6 bauen zusammen eine Brücke 13 auf.
Die "Dummy"-Meßvorrichtung 10 ist nahe der an dem Objekt angelegten Dehnungsmeßvorrichtung 1 positioniert, d. h. in einem Bereich, der die Temperaturumgebung wie die Dehnungsmeßvorrichtung 1 aufweist und der frei von mechanischer Spannung ist. Da die "Dummy"-Meßvorrichtung 10 die gleichen Merkmale wie die Dehnungsmeßvorrichtung 1 aufweist, und positioniert ist, um frei von mechanischer Spannung zu sein, weist die "Dummy"-Meßvorrichtung 10 einen Widerstandswert Rd auf, der grundsätzlich gleich dem Bezugswiderstand R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1 (Rd = R&sub0;) ist. Gemäß dem Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy"-Verfahren wird ebenfalls angenommen, daß die Widerstandswerte R&sub3;, R&sub4; der Widerstände 5, 6 durch R&sub0; = R&sub3; = R&sub4; dargestellt werden.
Zum Messen der mechanischen Spannung des Objekts mit der Brücke 13 wird eine Leistungsversorgungsspannung V für die Brücke 13 zwischen den Leistungsecken 11, 12 (an diagonal entgegengesetzten Verbindungsstellen der Brücke 13) angelegt. Die Leistungsecke 11 ist an der Verbindungsstelle zwischen der Leitung 2 und dem Widerstand 6 oder an einem Punkt auf dem gleichen Potential wie die Verbindungsstelle zwischen der Leitung 2 und dem Widerstand 6 angeordnet, und die Leistungsecke 12 ist an der Verbindungsstelle zwischen der Leitung 12 und dem Widerstand 5 oder an einem Punkt auf dem gleichen Potential wie die Verbindungsstelle zwischen der Leitung 12 und dem Widerstand 5 angeordnet. Wenn die Leistungsversorgungsspannung V zwischen den Leistungsecken 11, 12 anliegt, wird eine Ausgangsspannung e der Brücke 13 zwischen den Signalecken O&sub1;, O&sub2; (an anderen diagonal entgegengesetzten Verbindungsstellen der Brücke 13) erfaßt. Die Signalecke O&sub1; ist an der Verbindungsstelle zwischen der Leitung 3 und der Leitung 11 oder an einem Punkt auf dem gleichen Potential wie die Verbindungsstelle zwischen der Leitung 3 und der Leitung 11 angeordnet, und die Signalecke O&sub2; ist an der Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 5 und dem Widerstand 6 oder an einem Punkt auf dem gleichen Potential wie die Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 5 und dem Widerstand 6 angeordnet.
Wenn ferner gemäß dem Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy"- Verfahren angenommen wird, daß die Leitungen 2, 3 und 11, 12 vernachlässigbar kleine Widerstandswerte ra1, ra2, rd1, ra2 aufweisen und R&sub0; = Rd = R&sub3; = R&sub4; ist, wie es oben beschrieben ist, dann ist die obige Gleichung (8) wie bei dem Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter-Verfahren erfüllt. Wenn V = 2 (V) und K = 2 ist, dann ist die obige Gleichung (9) erfüllt. Daher kann die in dem Objekt entwickelte Verformung e und die Belastung, der das Objekt unterworfen ist, gemäß der Gleichung (8) oder (9) berechnet werden.
Gemäß dem Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy"-Verfahren verändert sich, sogar wenn sich der Widerstandswert der Dehnungsmeßvorrichtung 1 in Folge einer Änderung in der Umgebungstemperatur verändert, der Widerstandswert der "Dummy"-Meßvorrichtung 10 ebenfalls auf die gleiche Art und Weise wie der Widerstandswert der Dehnungsmeßvorrichtung 1, und sogar wenn sich die Widerstandswerte der Leitungen 2, 3 der Dehnungsmeßvorrichtung 1 in Folge einer Änderung in der Umgebungstemperatur verändern, erfahren die Leitungen 11, 12 der "Dummy"-Meßvorrichtung 10 die gleiche Änderung wie die Widerstandwerte der Leitungen 2, 3. Daher wird das Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy"-Verfahren als wirksam verwendet, um die Wirkung einer Änderung in dem Widerstandswerten der Dehnungsmeßvorrichtung 1 und der Widerstände 2, 3, 11, 12 in Folge einer Änderung in der Umgebungstemperatur bei der mechanischen Spannungsmessung aus zu löschen.
Die Dehnungsmeßvorrichtung zum Messen der mechanischen Spannung gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Verfahren umfaßt eine aus der Dehnungsmeßvorrichtung 1 und den Widerständen 4, 5, 6 der Brücken 7, 9 aufgebauten Widerstandsschaltung, die durch Schaltungsmuster auf einer Leiterplatte untereinander verbunden sind. Die Dehnungsmeßvorrichtung zum Messen mechanischer Spannung gemäß dem Zweimeßvorrichtung-"Common- Dummy"-Verfahren umfaßt eine Widerstandsschaltung, die aus den Dehnungsmeßvorrichtungen 1, 10 und den Widerständen 5, 6 der Brücke 13 aufgebaut ist, die ebenfalls durch Schaltungsmuster auf einer Leiterplatte verbunden sind. Die Dehnungsmeßvorrichtung 1 und die "Dummy"-Meßvorrichtung 10 sind mit den Widerstandsschaltungen durch die Leitungen verbunden, die die Brücken 7, 9, 13 aufbauen.
Zum Messen der mechanischen Spannung an einer Mehrzahl von Stellen an einem Objekt oder zum Messen der mechanischen Spannung an einer Mehrzahl von Objekten mit einer Multispot- Dehnungsmeßeinrichtung (multispot strain measuring device), werden Dehnungsmeßvorrichtungen 1 (oder Dehnungsmeßvorrichtungen 1 und "Dummy"-Meßvorrichtungen 10 gemäß dem Zweileiter-"Common-Dummy"-Verfahren) an jeweiligen Meßstellen mit einem Schaltkasten verbunden, der die · Widerstandsschaltung unterbringt. Im Betrieb werden die mit der Widerstandsschaltung verbundenen Dehnungsmeßvorrichtungen 1 nacheinander durch einen Schalter in dem Schaltkasten umgeschaltet, um die Brücken 7, 9, 13 an jeder der Meßstellen einzurichten.
Bei den Dehnungsmeßvorrichtungen mit den Brücken 7, 9, 13 wird die Leistungsversorgungsspannung V von der Leistungsversorgung an die Brücken 7, 9, 13 angelegt, und die Ausgangsspannung e der Brücken 7, 9, 13 wird durch einen Verstärker, einen A/D-Wandler, etc. erfaßt. Aus den Daten der erfaßten Ausgangsspannung e werden Daten, die die mechanische Spannung angeben, gemäß der Gleichung (8) oder (9) erzeugt. Die erzeugten mechanischen Spannungsdaten werden dann auf einer Anzeigeeinheit angezeigt. Die Daten der erfaßten Ausgangsspannung e können online an einen Personal Computer übertragen oder an einen Personal Computer durch eine Floppy- Disk oder einem anderem Aufzeichnungsmedium gesendet werden. Der Personal Computer kann dann Strain-Daten aus den empfangenen Daten erzeugen und die empfangenen Daten analysieren.
Gemäß den obigen herkömmlichen dehnungsmeßverfahren wird die mechanische Spannung aus der Ausgangsspannung e der Brücken 7, 9, 13 gemäß der Gleichung (8) gemessen. Daher ist es Vorraussetzung der dehnungsmeßverfahren, daß die Ausgangsspannung e der Brücken 7, 9, 13e = 0 ist, wenn die an das Objekt angelegte Dehnungsmeßvorrichtung 1 keine Verformung Entwickelt, d. h. &epsi; = 0. Anders gesagt, besteht die Annahme der Dehnungsmeßvorrichtungen darin, daß die Brücken 7, 9, 13 in einem Gleichgewichtszustand sind, wenn es keine Widerstandswertänderung abhängig von der Verformung der Dehnungsmeßvorrichtung 1 gibt.
Gemäß den obigen verschiedenen dehnungsmeßverfahren oder den darauf basierenden Dehnungsmeßeinrichtungen werden somit die Dehnungsmeßvorrichtung 1, die Widerstände 4, 5, 6 und die "Dummy"-Meßvorrichtung 10 so ausgewählt, daß sie hochgenaue Widerstandswerte aufzuweisen, die die Beziehung R&sub0; = R&sub2; R&sub3; = R&sub4; (das Einzelmeßvorrichtungs-Verfahren) oder die Beziehung Rβ = Rd = R&sub3; = R&sub4; (das Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy"- Verfahren) erfüllen, um dadurch die Widerstandswerte der Arme der Brücken 7, 9, 13 soweit wie möglich auszugleichen.
Tatsächlich ist es jedoch aufgrund der Widerstandswerte der Leitungen, mit denen die Dehnungsmeßvorrichtung 1, die Widerstände 4, 5, 6 und die Dehnungsmeßvorrichtung 10 verbunden sind, schwierig, die Ausgangsspannung e der Brücken 7, 9, 13 zu eliminieren oder ausreichend zu verringern, wenn keine mechanische Spannung an der an das Objekt angelegten Dehnungsvorrichtung 1 entwickelt wird.
Insbesondere sind, wenn mechanische Spannung an einer Mehrzahl von Stellen auf einem großen Objekt, wie beispielsweise eine Struktur oder dergleichen, mit der Multispot-Dehnungsmeßvorrichtung gemessen wird, die Leitungen 2, 3 oder 11, 12, die die Dehnungsmeßvorrichtung 1 und die "Dummy"-Meßvorrichtung 10 mit den Brücken 7, 9, 13 verbinden, notwendigerweise lang und weisen relativ große Widerstandswerte auf. Außerdem weisen diese Leitungen 2, 3 oder 11, 12 unterschiedliche Längen und somit unterschiedliche Widerstandswerte auf. Folglich wird bei einer derartigen Multispot-Dehnungsmeßanwendung die Ausgangsspannung e der Brücken 7, 9, 13 zu der Zeit, wenn keine mechanische Spannung an der an das Objekt angelegten Dehnungsmeßvorrichtung 1 entwickelt wird, weder eliminiert noch ausreichend reduziert werden können, sondern kann jedoch häufig relativ groß.
Gemäß den obigen dehnungsmeßverfahren erzeugen im allgemeinen die Brücken 7, 9, 13 eine bestimmte Ausgangsspannung e (e ≠ 0), wenn keine mechanische Spannung an der Dehnungsmeßvorrichtung 1 entwickelt wird. Die somit von den Brücken 7, 9, 13 erzeugte Ausgangsspannung zu der Zeit, wenn keine mechanische Spannung in der Dehnungsmeßvorrichtung 1 entwickelt wird, wird als eine "nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0;" bezeichnet. Jede gemäß der Gleichung (8) aus der von den Brücken 7, 9, 13 erzeugten Ausgangsspannung e berechnete Verformung, die eine derartige nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; erzeugen, ist nicht genau, da sogar, wenn keine Verformung an der Dehnungsmeßvorrichtung 1 entwickelt wird, eine durch &epsi; = (4/K)[e&sub0;/(V - 2·e&sub0;)] ausgedrückte Verformung gemäß der Gleichung (8) aus der von den Brücken 7, 9, 13 erzeugten Ausgangsspannung e berechnet wird, die die nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; erzeugt.
Es war üblich, die Wirkung der von den Brücken 7, 9, 13 erzeugten nicht ausgeglichenen Ausgangsspannung e&sub0; auf die Messung der mechanischen Spannung wie folgt aufzuheben:
Die von den Brücken 7, 9, 13 erzeugte nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; wird im voraus gemessen, und eine scheinbare Verformung &epsi;&sub0;( = (4/K)[e&sub0;/(V - 2·e&sub0;)]) der Dehnungsmeßvorrichtung 1, die der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; entspricht, wird aus der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; gemäß der Gleichung (8) berechnet. Dann wird die scheinbare Verformung &epsi;&sub0; von der mechanischen Spannung &epsi; subtrahiert, die gemäß der Gleichung (8) aus der von den Brücken 7, 9, 13 erzeugten Ausgangsspannung e auf die Messung der mechanischen Spannung berechnet wird, wodurch eine Verformung &epsi;p bestimmt wird. Anders ausgedrückt eine Verformung &epsi;p wird aus der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; und der von den Brücken 7, 9, 13 erzeugten Ausgangsspannung e bei der die Messung der mechanischen Spannung gemäß der folgenden Gleichung (10) berechnet:
Da V = 2 (V) und K = 2 ist, wird die Gleichung (10) als folgende Gleichung (11) neu geschrieben:
Eine von den Erfindern der Erfindung durchgeführte Untersuchung hat jedoch gezeigt, daß der obige Prozeß des Aufhebens der Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung in e&sub0; auf die Messung der mechanischen Spannung nicht in der Lage ist, die Verformung &epsi; (oder die davon abhängige Belastung) genau zu messen.
Insbesondere ist, wie es aus der Gleichung (8) ersichtlich ist, die Korrelation zwischen der Ausgangsspannung e der Brücken 7, 9, 13 und der Verformung &epsi; zur Zeit, wenn die nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; 0 ist, nichlinear (sie kann als linear angesehen werden, insoweit wie die Verformung &epsi; ausreichend klein ist), und wird durch eine durchgezogene Kurve a in Fig. 4 der beigefügten Zeichnungen dargestellt. Die tatsächliche Korrelation zwischen der Ausgangsspannung e der Brücken 7, 9, 13, die durch die nicht ausgeglichene Ausgangsspannung e&sub0; (e&sub0; ≠) verursacht wird, und die Verformung e wird durch eine durchgezogene Kurve b in Fig. 4 dargestellt. Die Kurve b unterscheidet sich geringfügig in der Form von Kurve a.
Gemäß dem obigen Verfahren des Aufhebens der Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; auf die Messung der mechanischen Spannung ist es aus Gleichung (10) offensichtlich, daß die Differenz &epsi;p zwischen der scheinbaren Verformung &epsi;&sub0;, die der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; entspricht, und einer Verformung &epsi;xp, die der Ausgangsspannung e entspricht (durch e in Fig. 4 angegeben), die bei der Messung der mechanischen Spannung &epsi;p(= &epsi;xp - &epsi;&sub0;) gemäß der ausgezogenen Kurve a erhalten wird, als Verformung &epsi;(= &epsi;p) - frei von der Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; - bestimmt wird.
Die tatsächliche Korrelation zwischen der Ausgangsspannung e zur Zeit der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; ist e&sub0; ≠ 0, und die Verformung &epsi; wird durch die durchgezogene Linie b dargestellt. Daher weist die tatsächliche Verformung &epsi;, die der Ausgangsspannung ex bei der Messung der mechanischen Spannung entspricht, einen Wert &epsi;x in Fig. 4 auf. Da die Korrelation zwischen der Ausgangsspannung e und der Verformung &epsi; nichtlinear ist, stimmen die Verformung &epsi;p = &epsi;xp - &epsi;&sub0;, die gemäß dem herkömmlichen Prozeß bestimmt wird, und die tatsächliche Verformung &epsi; = &epsi;x nicht miteinander überein, wie es aus Fig. 4 deutlich ersichtlich ist.
Daher kann der herkömmliche Prozeß des Messens der mechanischen Spannung, während die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung gemäß der Gleichung (10) aufgehoben wird, keine hochgenaue Messung der mechanischen Spannung durchführen.
Gemäß den obigen verschiedenen Dehnungsmeßverfahren oder den darauf basierenden Dehnungsmeßeinrichtungen, wie es oben beschrieben ist, wird die Verformung grundsätzlich gemäß der Gleichung (8) gemessen, und die Dehnungsmeßvorrichtung 1, die Widerstände 4, 5, 6 und die "Dummy"-Meßvorrichtung 10 werden ausgewählt, um hochgenaue Widerstandswerte aufzuweisen, um die Widerstandswerte der Arme der Brücken 7, 9, 13, soweit wie möglich, auszugleichen. Daher sind die Dehnungsmeßvorrichtung 1, die Widerstände 4, 5, 6 und die "Dummy"-Meßvorrichtung sehr kostspielig und müssen gemäß hochfortgeschrittener Fertigungstechnologie gefertigt werden.
Die auf den Dehnungsmeßverfahren basierende Dehnungsmeßeinrichtungen müssen die notwendigen Maßnahmen ergreifen, um die Widerstandswerte des Schaltungsmusters der jeweiligen aus den Brücken 7, 9, 13 gebildeten Widerstandsschaltung mit der damit verbundenen Dehnungsmeßvorrichtung 1 aufzuheben, und müssen ferner einen Schalter benutzen, der kleine Kontaktwiderstandswerte hat, um die mit der Widerstandsschaltung verbundenen Dehnungsmeßvorrichtungen 1 für Multispot-Messung der mechanischen Spannung umzuschalten. Folglich sind die Dehnungsmeßvorrichtungen relativ aufwendig herzustellen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur genauen Messung der mechanischen Spannung (strain) eines Objekts aus der Ausgangsspannung einer Brücke zu liefern, die als einen Arm eine an das Objekt anzulegenden Dehnungsmeßvorrichtung (strain gage) aufweist, während die Wirkung einer nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung der Brücke geeignet aufgehoben wird, so daß ein preiswertes und ein einfaches Dehnungsmeßsystem mit dem Verfahren aufgebaut werden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Messen der mechanischen Spannung eines Objekts mit erhöhter Genauigkeit basierend auf der Ausgangsspannung einer Brücke zu liefern, die als einen Arm eine an das Objekt anzulegende Dehnungsmeßvorrichtung aufweist, während die Wirkung der Widerstandswerte der mit der Dehnungsmeßvorrichtung verbundenen Leitungen aufgehoben wird.
Angesichts der Nachteile der herkömmlichen Dehnungsmeßvorrichtungen haben die Erfinder der Erfindung die Ausgangsspannung e der Brückenschaltungen 7, 9, 13 (siehe Fig. 1 bis 3) bezüglich des Einzelmeßvorrichtung- Zweileitungs-Verfahren, des Einzelmeßvorrichtung- Dreileiterverfahrens und des Zweimeßvorrichtung-"Common- Dummy"-Verfahrens untersucht und die folgenden Feststellungen gemacht:
Für eine verallgemeinerte Erläuterung, wie es in Fig. 5 der beigefügten Zeichnungen gezeigt ist, wird eine Brücke b mit vier Dehnungsmeßvorrichtungen G&sub1; bis G&sub4; als jeweilige Arme nachstehend betrachtet. Die Brücke ist eine sogenannte Aktive-Vier-Arm-Brücke.
Es sei angenommen, daß die Dehnungsmeßvorrichtungen G&sub1;-G&sub4; jeweilige Bezugswiderstandswerte (nominelle Widerstandswerte) R&sub1;&sub0; - R&sub4;&sub0; aufweisen, die die Widerstandswerte sind, wenn keine mechanische Spannung an den Dehnungsmeßvorrichtungen G&sub1; bis G&sub4; entwickelt wird, und daß sich die Widerstandswerte der Dehnungsmeßvorrichtungen G&sub1; bis G&sub4; um jeweils ΔR&sub1; bis ΔR&sub4; abhängig von der mechanischen Spannung der Dehnungsmeßvorrichtungen G&sub1; bis G&sub4; verändern, d. h. die Dehnungsmeßvorrichtung G&sub1; bis G&sub4; weisen jeweilige Widerstandswerte R&sub1;&sub0; + ΔR&sub1; - R&sub4;&sub0; + ΔR&sub4; auf, wenn sich eine mechanische Spannung entwickelt hat, die Dehnungsmeßvorrichtungen Gn (n = 1, 2, 3, 4) sind durch Leitungen Ln1, Ln2 (n = 1, 2, 3, 4) in der Brücke B aufgenommen, die mit entgegengesetzten Anschlüssen der Dehnungsmeßvorrichtungen Gn verbunden sind und jeweilige Widerstandswerte rn1, rn2 (n = 1, 2, 3, 4) aufweisen, und die Summe (rn1 + rn2) der Widerstandswerte rn1, rn2 (n = 1, 2, 3, 4) der Leitungen Ln1, Ln2 (n = 1, 2, 3, 4), die mit den entgegengesetzten Anschlüssen der Dehnungsmeßvorrichtungen Gn verbunden sind, ist durch rn (n = 1, 2, 3, 4) dargestellt.
Es sei ferner angenommen, daß die Verbindungsstelle zwischen der Leitung L&sub1;&sub1; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub1; und der Leitung L&sub4;&sub2; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub4;, oder ein Punkt auf dem gleichen Potential wie die Verbindungsstelle zwischen der Leitung L&sub1;&sub1; und der Leitung L&sub4;&sub2;, und die Verbindungsstelle zwischen der Leitung L&sub2;&sub2; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub2; und der Leitung L&sub3;&sub1; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub3;, oder ein Punkt auf dem gleichen Potential wie die Verbindungsstelle zwischen der Leitung L&sub2;&sub2; und der Leitung L&sub3;&sub1;, als jeweilige Leistungsecken I&sub1;, I&sub2; der Brücke B betrachtet werden, und daß die Verbindungsstelle zwischen der Leitung L&sub1;&sub2; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub1; und der Leitung L&sub2;&sub1; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub2;, oder ein Punkt auf dem gleichen Potential wie die Verbindungsstelle zwischen der Leitung L&sub1; und der Leitung L&sub2;&sub1;, und die Verbindungsstelle zwischen der Leitung L&sub3;&sub2; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub3; und der Leitung L&sub4;&sub1; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub4;, oder ein Punkt auf dem gleichen Potential wie die Verbindungsstelle zwischen der Leitung L&sub3;&sub2; und der Leitung L&sub4;&sub1;, als jeweilige Signalecken O&sub1;, O&sub2; der Brücke B betrachtet werden.
Es sei ferner angenommen, daß sich die Widerstandswerte der Dehnungsmeßvorrichtungen Gn primär in Folge der ihrer mechanischen Spannung verändern, und sich die Widerstandswerte der Leitungen Ln1, Ln2 (n = 1, 2, 3, 4) nicht mit der Zeit verändern, d. h. mit der Zeit konstant bleiben, oder jede ihrer zeitabhängigen Änderungen vernachlässigbar klein ist.
Wenn eine Leistungsversorgungsspannung V zwischen den Leistungsecken I&sub1;, I&sub2; angelegt wird, wird eine zwischen den Signalecken O&sub1;, O&sub2; erzeugte Ausgangsspannung e gemäß der folgenden Gleichung (12) gegeben:
Aus Gleichung (12) wird die nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke B, wenn keine mechanische Spannung an den Dehnungsmeßvorrichtungen Gn (n = 1, 2, 3, 4) entwickelt ist, d. h. wenn ΔRn = 0 (n = 1, 2, 3, 4) ist, durch die folgende Gleichung (13) ausgedrückt:
Aus der Gleichung (13) wird die folgende Gleichung (14) erhalten::
Die Gleichung (12) wird in die folgende Gleichung (15) modifiziert:
ΔR&sub1;·[(R&sub3;&sub0; + ΔR&sub3; + r&sub3;)·V-(R&sub3;&sub0; + ΔR&sub3; + R&sub4;&sub0; + ΔR&sub4; + r&sub3; + r&sub4;)·e] -ΔR&sub2;·[(R&sub4;&sub0; + ΔR&sub4; + r&sub4;)·V + (R&sub3;&sub0; + ΔR&sub3; + R&sub4;&sub0; + ΔR&sub4; + r&sub3; + r&sub4;)·e] +ΔR&sub3;·[(R&sub1;&sub0; + r&sub1;)·V + (R&sub1;&sub0; + R&sub2;&sub0; + r&sub1; + r&sub2;)·e] -ΔR&sub4;·[(R&sub2;&sub0; + r&sub2;)·V+(R&sub1;&sub0; + R&sub2;&sub0; + r&sub1; + r&sub2;)·e]- =(R&sub1;&sub0; + R&sub2;&sub0; + r&sub1; + r&sub2;)·(R&sub3;&sub0; + R&sub4;&sub0; + r&sub3; + r&sub4;)·e -[(R&sub1;&sub0; + r&sub1;)·(R&sub3;&sub0; + r&sub3;) - (R&sub4;&sub0; + r&sub4;)·(R&sub2;&sub0; + r&sub2;)]·V (15)
Der zweite Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (15) wird durch die rechte Seite der Gleichung (14) ersetzt, und beide Seiten der Gleichung (15) werden in die folgende Gleichung (16) modifiziert:
ΔR&sub1;·((R&sub3;&sub0; + r&sub5;)·V - (R&sub3;&sub0; + R&sub4;&sub0; + r&sub3; + r&sub4;)·e + ΔR&sub3;·V - (AR&sub3; + ΔR&sub4;)·e] -ΔR&sub2;·[(R&sub4;&sub0; + r&sub4;)·V + (R&sub3;&sub0; + R&sub4;&sub0; + r&sub3; + r&sub4;)·e + ΔR&sub4;·V + (ΔR&sub3; + ΔR&sub4;)·e] +ΔR&sub3;·[(R&sub1;&sub0; + r&sub1;)·V-(R&sub1;&sub0; + R&sub2;&sub0; + r&sub1; + r&sub2;)·e] -ΔR&sub4;·[(R&sub2;&sub0; + r&sub2;)·V + (R&sub1;&sub0; + R&sub2;&sub0; + r&sub1; + r&sub2;)·e] =(R&sub1;&sub0; + R&sub2;&sub0; + r&sub1; + r&sub2;)·(R&sub3;&sub0; + R&sub4;&sub0; + r&sub3; + r&sub4;)·(e - e&sub0;) (16)
Die mechanischen Spannungen der Dehnungsmeßvorrichtungen Gn (n = 1, 2, 3, 4), die grundsätzlich gleich der mechanischen Spannungen eines Objekts sind, wenn die Dehnungsmeßvorrichtungen Gn an das Objekt angelegt werden, werden durch &epsi;n (n = 1, 2, 3, 4) und die Dehnungsfaktoren der Dehnungsmeßvorrichtung Gn durch Kn (n = 1, 2, 3, 4) dargestellt. Die Verformungen &epsi;n (im ursprünglichen Sinne) und die Änderungen ΔRn in den Widerstandswerten der Dehnungsmeßvorrichtungen Gn sind miteinander gemäß der folgenden Gleichung (17) verknüpft:
Somit wird die Gleichung (16) in die folgende Gleichung (18) umgeschrieben:
K&sub1;·&epsi;&sub1;·R&sub1;&sub0;·[(R&sub3;&sub0; + r&sub3;)·V - (R&sub3;&sub0; + R&sub4;&sub0; + r&sub3; + r&sub4;)·e + K&sub3;·&epsi;&sub3;·R&sub3;&sub0;·V - (K&sub3;&epsi;&sub3;·R&sub3;&sub0; + K&sub4;·&epsi;&sub4;·R&sub4;&sub0;)·e] - K&sub2;·&epsi;&sub2;·R&sub2;&sub0;·[(R&sub4;&sub0; + r&sub4;)·V + (R&sub3;&sub0; + R&sub4;&sub0; + r&sub3; + r&sub4;)·e + K&sub4;·&epsi;&sub4;·R&sub4;&sub0;·V + (K&sub3;·&epsi;&sub3;·R&sub3;&sub0; + K&sub4;·&epsi;&sub4;·R&sub4;&sub0;)·e] + K&sub3;·&epsi;&sub3;·R&sub3;&sub0;·[R&sub1;&sub0; + r&sub1;)·V - (R&sub1;&sub0; + R&sub2;&sub0; + r&sub1; + r&sub2;)·e] - K&sub4;·&epsi;&sub4;·R&sub4;&sub0;·[(R&sub2;&sub0; + r&sub2;)·V + (R&sub1;&sub0; + R&sub2;&sub0; + r&sub1; + r&sub2;)·e] = (R&sub1;&sub0; + R&sub2;&sub0; + r&sub1; + r&sub2;)·(R&sub3;&sub0; + R&sub4;&sub0; + r&sub3; + r&sub4;)·(e - e&sub0;) (18)
Wenn die Gleichung (14) nach (R&sub2;&sub0; + r&sub2;) aufgelöst wird, wird die folgende Gleichung (19) erhalten:
Aus der Gleichung (19) wird (R&sub1;&sub0; + R&sub2;&sub0; + r&sub1; + r&sub2;), das auf der rechten Seite der Gleichung (18) enthalten ist, durch die folgende Gleichung (20) gegeben:
Wenn die Gleichung (20) auf die Gleichung (18) angewandt wird, wird die Gleichung (18) in die folgende Gleichung (21) umgeschrieben:
Die Gleichung (21) ist eine allgemeine Formel, die die Verformungen &epsi;n, die den Änderungen ΔRn in den Widerstandswerten der Dehnungsmeßvorrichtungen Gn (n = 1, 2, 3, 4) als Arme der Brücke B entsprechen, und die Ausgangsspannung e und die nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke B korreliert.
Das Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter-Verfahren, das Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren und das Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy"-Verfahren wird auf der Basis der in Fig. 5 gezeigten Brücke B und der Gleichung (21) analysiert.
Die auf dem in Fig. 1 gezeigten Einzelmeßvorrichtung- Zweileiter-Verfahren basierende Brücke 7 ist einer modifizierten Schaltung der in Fig. 5 gezeigten Brücke B äquivalent, wobei die Dehnungsmeßvorrichtungen G&sub2; bis G&sub4; in einem spannungsfreien (strain free) Zustand (ΔR&sub2; = ΔR&sub3; = ΔR&sub4; = 0) gehalten werden, wobei die Bezugswiderstandswerte R&sub1;&sub0; - R&sub4;&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtungen G&sub1; - G&sub4; mit den Bezugswiderstandswerten R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1 und den Widerstandswerten R&sub2; - R&sub4; der Widerstände 4-6 der in Fig. 1 gezeigten Brücke 7 ausgeglichen werden, wobei die Widerstände r&sub2;&sub1;, r&sub2;&sub2;, r&sub3;&sub1;, r&sub3;&sub2;, r&sub4;&sub1;, r&sub4;&sub2; der Leitungen L&sub2;&sub1;, L&sub2;&sub2;, L&sub3;&sub1;, L&sub3;&sub2;, L&sub4;&sub1;, L&sub4;&sub2; der Dehnungsmeßvorrichtungen G&sub2; - G&sub4; auf "0" gesetzt werden, und die Widerstandswerte r&sub1;&sub1;, r&sub1;&sub2; der Leitungen L&sub1;&sub1;, L&sub1;&sub2; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub1; auf die Widerstandswerte ra1, ra2 der Leitungen 2, 3 der in Fig. 1 gezeigten Dehnungsmeßvorrichtung 1 ausgeglichen werden.
Daher wird mit Bezug auf die Brücke 7 basierend auf dem in Fig. 1 gezeigten Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter-Verfahren, die folgende Gleichung (22) erfüllt, die aus der Gleichung (21) durch Setzen von &epsi;&sub2; = &epsi;3 = &epsi;&sub4; = 0 und r&sub2; = r&sub3; = r&sub4; = 0, Ersetzen von R&sub1; - R&sub4;&sub0; mit jeweils R&sub0;, R&sub2;, R&sub3;, R&sub4; und Ersetzen des Gesamtwiderstandswerts r&sub1; (= r&sub1;&sub1; + r&sub1;&sub2;) der Leitungen L&sub1;&sub1;, L&sub1;&sub2; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub1; mit dem Gesamtwiderstandswert r (= ra1 + ra2) der Leitungen 2, 3 der Dehnungsmeßvorrichtung 1 der Brücke 7 hergeleitet wird. Die Verformung &epsi;&sub1; und der Dehnungsfaktor K&sub1; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub1;, die in der Gleichung (21) verwendet werden, werden durch die Verformung &epsi; und den Dehnungsfaktor K der Dehnungsmeßvorrichtung 1 der Brücke 7 ersetzt.
Die folgende Gleichung (23) wird aus der Gleichung (22) hergeleitet:
Als Beispiel wird der berechnete Wert in den größeren Klammern der Gleichung (23) durch &epsi;a wie folgt dargestellt:
Wenn in der Gleichung (23) r = 0, oder allgemeiner, wenn der Gesamtwiderstandswert r der Leitungen 2, 3 der Dehnungsmeßvorrichtung 1, die in dem gleichen Arm der Brücke 7 wie die Dehnungsmeßvorrichtung 1 aufgenommen sind, ausreichend kleiner als der Bezugswiderstandswert R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1 (r/R&sub0; = 0) ist, dann stellt jedes durch die Gleichung (24) bestimmte &epsi;a die Verformung &epsi; des Objekts (= die Verformung der Dehnungsmeßvorrichtung 1) dar, die aus der Ausgangsspannung der Brücke 7, die erzeugt wird, wenn die mechanische Spannung des Objekts, auf die die Dehnungsmeßvorrichtung 1 angewendet wird, gemessen wird, und der nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 7 bestimmt wird. Anders ausgedrückt, die Gleichung (24) ist eine Grundformel zum Bestimmen der Verformung &epsi;a des Objekts (im ursprünglichen Sinn) aus der Ausgangsspannung e der Brücke 7, während der Einfluß der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; aufgehoben wird.
Wenn in der Gleichung (24) R&sub3; = R&sub4; ist, wie bei den herkömmlichen Dehnungsmeßverfahren, dann wird die folgende Gleichung (25) hergeleitet:
Wenn V = 2 (V) und K = 2, dann wird die Gleichung (25) umgeschrieben als:
Es sei bemerkt, daß die Gleichungen (25), (26) nicht die gleichen wie die Gleichung (10), (11) sind, die verwendet wurden, um die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; gemäß der herkömmlichen dehnungsmeßverfahren aufzuheben. Wenn in den Gleichungen (25), (26) e&sub0; = 0 ist, dann sind die Gleichungen (25), (26) in Übereinstimmung mit den bei den herkömmlichen dehnungsmeßverfahren verwendeten Grundgleichungen (8), (9).
Der Wert, der durch Multiplizieren von &epsi;a, das durch die Gleichung (24) bestimmt wird, mit (R&sub0; + r)/R&sub0; erzeugt wird, d. h. die durch die Gleichung (23) berechnete Verformung &epsi;, wird durch &epsi;b (&epsi;b = &epsi;a·(R&sub0; + r)/R&sub0;) dargestellt. Die Gleichung (23) zum Bestimmen von &epsi;b dient zum Bestimmen der Verformung &epsi;b (im ursprünglichen Sinne), während die Wirkung des Gesamtwiderstandswerts r der Leitungen 2, 3 der Dehnungsmeßvorrichtung 1 der Brücke 7, insbesondere eine Verringerung in der Empfindlichkeit in Folge des Gesamtwiderstandswerts, sowie auch die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0;, wenn der Gesamtwiderstandswert r der Leitungen 2, 3 verglichen mit den Bezugswiderstandswert R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1 relativ groß ist, aufgehoben wird.
Das Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren wird nun nachstehend analysiert. Die auf dem in Fig. 2 gezeigten Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren basierende Brücke 9 ist einer modifizierten Schaltung der in Fig. 5 gezeigten Brücke B äquivalent, wobei die Dehnungsmeßvorrichtungen G&sub2; - G&sub4; in einem spannungsfreien Zustand (ΔR&sub2; = ΔR&sub3; = ΔR&sub4; = 0) gehalten werden, die Bezugswiderstandswerte R&sub1;&sub0; - R&sub4;&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtungen G&sub1; - G&sub4; mit den Bezugswiderstandswert R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1 und den Widerstandswerten R&sub2; - R&sub4; der Widerstände 4-6 der in Fig. 2 gezeigten Brücke 9 ausgeglichen sind, der Widerstandswert r&sub1;&sub2; der Leitung L&sub1;&sub2; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub1;, der Widerstandswert r&sub2;&sub2; der Leitung L&sub2;&sub2; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub2; und die Widerstandswerte r&sub3;&sub1;, r&sub3;&sub2;, r&sub4;&sub1;, r&sub4;&sub2; der Leitungen L&sub3;&sub1;, L&sub3;&sub2;, L&sub4;&sub1;, L&sub4;&sub1; der Dehnungsmeßvorrichtungen G&sub3;, G&sub4; auf "0" eingestellt sind, und der Widerstandswert r&sub1;&sub1; der Leitung L&sub1;&sub1; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub1; und der Widerstandswert r&sub2;&sub1; der Leitung L&sub2;&sub1; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub2; mit den Widerstandswerten ra1, ra2 der Leitungen 2, 3 der in Fig. 2 gezeigten Dehnungsmeßvorrichtungen 1 ausgeglichen sind.
Daher wird mit Bezug auf die auf dem in Fig. 2 gezeigten Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren basierende Brücke 9 die folgende Gleichung (27) erfüllt, die aus der Gleichung (21) hergeleitet wird, wobei &epsi;&sub2; = &epsi;&sub3; = &epsi;&sub4; = &epsi;&sub0; und r&sub3; = r&sub4; = 0 gesetzt werden, R&sub1;&sub0; - R&sub4;&sub0; jeweils durch R&sub0;, R&sub2;, R&sub3;, R&sub4; und der Gesamtwiderstandswert r&sub1; (= r&sub1;&sub1; + r&sub1;&sub2;) der Leitungen L&sub1;&sub1;, L&sub1;&sub2; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub1; und der Gesamtwiderstandswert r&sub2; (= r&sub2;&sub1; + r&sub2;&sub2;) der Leitungen L&sub2;&sub1;, L&sub2;&sub2; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub2; durch die jeweiligen Widerstandswerte ra1, ra2 der Leitungen 2, 3 der Dehnungsmeßvorrichtung 1 der Brücke 9 ersetzt werden. Die Verformung &epsi;&sub1; und der Dehnungsfaktor K&sub1; der.
Dehnungsmeßvorrichtung G&sub1;, die in der Gleichung (21) verwendet werden, werden durch die Verformung &epsi; und den Dehnungsfaktor K der Dehnungsmeßvorrichtung 1 der Brücke 9 ersetzt.
Aus der Gleichung (27) wird die folgende Gleichung (28) hergeleitet:
Wenn in der Gleichung (28) ra1 = 0, oder allgemeiner, wenn der Widerstandswert Ra1 der Leitung 2, die in dem gleichen Arm der Brücke 9 wie die Dehnungsmeßvorrichtung 9 aufgenommen ist, ausreichend kleiner als der Bezugswiderstandswert 1% der Dehnungsmeßvorrichtung 1 ist (ra1/R&sub0; &sim; 0), dann ist die rechte Seite der Gleichung (28) gleich dem berechneten Wert in den größeren Klammern der Gleichung (23) und stimmt mit der Gleichung (24) überein.
Somit ist die Gleichung (24) eine Grundformel zum Bestimmen der Verformung &epsi;a aus der Ausgangsspannung e der Brücke 9, während die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; gemäß dem Einzelmeßvorrichtung- Dreileiter-Verfahren aufgehoben wird.
Die Gleichung (28) zum Bestimmen eines Werts (= &epsi;a·(R&sub0; + ra1)/R&sub0;), der durch Multiplizieren von &epsi;a aus der Gleichung mit (R&sub0; + ra1)/R&sub0; bestimmt wird, dient dazu, die Verformung 8 zu bestimmen (die der Verformung &epsi;b gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter-Verfahren entspricht), während die Wirkung des Widerstandswerts ra1 der Leitung 2 der Dehnungsmeßvorrichtung 1 der Blöcke 9, insbesondere eine Verringerung in der Empfindlichkeit in Folge des Widerstandswerts ra1, sowie auch die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0;, wenn der Widerstandswert ra1 der Leitung 2 relativ groß verglichen mit dem Bezugswiderstandswert R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1 ist, aufgehoben wird.
Wenn r in der Gleichung (23) den Gesamtwiderstandswert der Leitungen (der Leitungen 2, 3 gemäß dem Einzelmeßvorrichtungen-Zweileiter-Verfahren und der Leitung 2 gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren) in dem gleichen Arm wie die Dehnungsmeßvorrichtung 1 der Brücken 7, 9 darstellt, dann ist die Gleichung (23) nicht nur für die Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter-Verfahren, sondern auch für das Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren wirksam.
Das Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy"-Verfahren wird nachstehend analysiert. Die auf dem in Fig. 3 gezeigten Zweimeßvorrichtungen-"Common-Dummy"-Verfahren basierte Brücke 13 ist einer modifizierten Schaltung der in Fig. 5 gezeigten Brücke B äquivalent, wobei die Dehnungsmeßvorrichtungen G&sub2; - G&sub4; in einem spannungsfreien Zustand gehalten werden (ΔR&sub2; = ΔR&sub3; = ΔR&sub4; = 0), wobei die Bezugswiderstandswerte R&sub1;&sub0; bis R&sub4;&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtungen G&sub1; - G&sub4; auf den Bezugswiderstand R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1 ausgeglichen werden, der Bezugswiderstandswert R&sub4; der "Dummy"-Meßvorrichtung 10 und die Widerstandswerte R&sub3;, R&sub4; der Widerstände 5, 6 der in Fig. 3 gezeigten Brücke 13, und die Widerstandswerte r&sub3;&sub1;, r&sub3;&sub2;, r&sub4;&sub1;, r&sub4;&sub2; der Leitungen L&sub3;&sub1;, L&sub3;&sub2;, L&sub4;&sub1;, L&sub4;&sub2; der Dehnungsmeßvorrichtungen G&sub3;, G&sub4; auf "0" gesetzt werden, und die Widerstandswerte r&sub1;&sub1;, r&sub1;&sub2; der Leitungen L&sub1;&sub1;, L&sub1;&sub2; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub1; und die Widerstandswerte r&sub2;&sub1;, r&sub2;&sub2; der Leitungen L&sub2;&sub1;, L&sub2;&sub2; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub1; bezüglich den Widerstandswerten ra1, ra2 der Leitungen 2, 3 der Dehnungsmeßvorrichtung 1 und der Widerstandswerte rd1, rd2 der Leitungen 11, 12 der in Fig. 3 gezeigten Dummy- Meßvorrichtung 10 ausgeglichen werden.
Somit ist bezüglich der auf dem in Fig. 3 gezeigten Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy"-Verfahren basierenden Brücke 13 die Gleichung (22) für die Einzelmeßvorrichtung- Zweileiter-Verfahren erfüllt, die aus der Gleichung (21) durch Setzen von &epsi;&sub2; = &epsi;&sub3; = &epsi;&sub4; = 0 und r&sub3; = r&sub4; = 0, Ersetzen von R&sub1;&sub0; - R&sub4;&sub0; jeweils durch R&sub0;, R&sub2;, R&sub3;, R&sub4; und Ersetzen des Gesamtwiderstandswerts r&sub1; ( = r&sub1;&sub1; + r&sub1;&sub2;) der Leitungen L&sub1;&sub1;, L&sub1;&sub2; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub1; und des Gesamtwiderstandswerts r&sub2; (= r&sub2;&sub1; + r&sub2;&sub2;) der Leitungen L&sub2;&sub1;, L&sub2;&sub2; der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub2; jeweils durch den Gesamtwiderstand r (= ra1 + ra2) der Leitungen 2, 3 der Dehnungsmeßvorrichtung 1 bzw. des gesamten Widerstandswerts (= rd1 + rd2) der Leitungen 11, 12 der Dehnungsmeßvorrichtung 10 der Brücke 13 hergeleitet wird. Somit wird die Gleichung (23) für das Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter-Verfahren ebenfalls erfüllt. Wenn der Gesamtwiderstandswert r der Leitungen 2, 3 der Dehnungsmeßvorrichtung G&sub1; in der Gleichung (23) r = 0 ist, oder allgemeiner, wenn der Gesamtwiderstandswert r der Leitungen 2, 3 ausreichend kleiner als der Bezugswiderstand R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1 (r/R&sub0; = 0) ist, dann ist die Gleichung (24) erfüllt.
Somit ist für jede der Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter- Verfahren das Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren und das Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy"-Verfahren die Gleichung (24) eine Grundformel zum Bestimmen der Verformung sd aus der Ausgangsspannung e der Brücken 7, 9, 13 bei der Messung der mechanischen Spannung, während die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücken 7, 9, 13 aufgehoben wird, wenn der Gesamtwiderstand der Leitungen (der Leitungen 2, 3 gemäß dem Einzelmeßvorrichtung- Zweileiter-Verfahren und den Zweimeßvorrichtung-"Common- Dummy"-Verfahren und der Leitung 2 gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren in dem gleichen Arm wie die Dehnungsmeßvorrichtung 1 ausreichend kleiner als der Bezugswiderstand R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1 ist.
In den jeweiligen Brücken 7, 9, 13 gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter-Verfahren, dem Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren und dem Zweileiter- "Common-Dummy"-Verfahren wird der gesamte Widerstand der Leitungen (der Leitungen 2, 3 gemäß dem Einzelmeßvorrichtung- Zweileiter-Verfahren und dem Zweimeßvorrichtung-"Common- Dummy"-Verfahren und der Leitung 2 gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren) in dem gleichen Arm wie die Dehnungsmeßvorrichtung 1 als durch r in der Gleichung (23) dargestellt angesehen. In diesem Fall dient die Gleichung (23) als eine Formel zum Bestimmen der Verformung &epsi; (= &epsi;b) aus der Ausgangsspannung e der Brücken 7, 9, 13 bei der Messung der mechanischen Spannung, während die Wirkung der Widerstandswerte der Leitungen der Dehnungsmeßvorrichtung 1, insbesondere eine Verringerung in der Empfindlichkeit in Folge der Leitungswiderstandswerts sowie auch der Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücken 7, 9, 13 aufgehoben wird.
Basierend auf den obigen Feststellungen wird die Erfindung nachstehend beschrieben. Die nachstehend in Klammern gegebenen Bezugszeichen sind die in Fig. 1-3 der beigefügten Zeichnungen zum besseren Verständnis der Erfindung gegebenen Bezugszeichen.
Um die obigen Aufgaben zu erreichen, wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Messen einer mechanischen Spannung eines Objektes mit einer Brücke (7, 9, 13), die in einem ihrer Arme eine Dehnungsmeßvorrichtung (1) aufweist, die an das Objekt angelegt wird, um eine von der in dem Objekt entwickelten mechanischen Spannung abhängige Widerstandswertänderung zu erzeugen, und Widerständen (4, 5, 6 gemäß den Einzelmeßvorrichtungen-Verfahren und 10, 5, 16 gemäß dem Zweimeßvorrichtungen-"Common-Dummy"-Verfahren) in ihren jeweiligen verbleibenden drei Armen, wobei die Widerstände jeweilige von der in dem Objekt entwickelten mechanischen Spannung unabhängige Widerstandswerte aufweisen, wobei die Brücke (7, 9, 13) ein jeweiliges Leistungseckenpaar (I&sub1;, I&sub2;), das an einem Paar diagonal entgegengesetzter Verbindungsstellen ist, und ein jeweiliges Signaleckenpaar (O&sub1;, O&sub2;), das an einem anderen Paar diagonal entgegengesetzter Verbindungsstellen ist, aufweist, wobei das Verfahren die Schritte eines Erfassens einer Ausgangsspannung zwischen den Signalecken (O&sub1;, O&sub2;) als eine nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke, während keine mechanische Spannung durch die Dehnungsmeßvorrichtung erfaßt wird, Anlegen einer Leistungsversorgungsspannung zwischen den Leistungsecken (11, 12) der Brücke und Erfassen einer Ausgangsspannung e zwischen den Signalecken (O&sub1;, O&sub2;), um eine mechanische Spannung des Objekts zu erfassen, und Messen der in dem Objekt entwickelten mechanischen Spannung basierend auf einem Wert &epsi;a, der mit der erfaßten Ausgangsspannung e und der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; gemäß der obigen Gleichung (24) bestimmt wird. In der Gleichung (24) stellt V die zwischen den Leistungsecken (I&sub1;, I&sub2;) der Brücke (7, 9, 13) angelegte Leistungsversorgungsspannung, K den Dehnungsfaktor der Dehnungsmeßvorrichtung (1), R&sub3; den Widerstandswert des Widerstands (5) in dem Arm der Brücke (7, 9, 13), der dem Arm mit der Dehnungsmeßvorrichtung (1) gegenüberliegt, und R&sub4; den Widerstandswert des Widerstands (6) in dem Arm der Brücke (7, 9, 13) dar, der über einer der Leistungsecken benachbart zu dem Arm mit der Dehnungsmeßvorrichtung (1) positioniert ist.
Wenn die Gleichung (24) mit der Ausgangsspannung e der Brücke (7, 9, 13) bei der Messung der mechanischen Spannung und mit der nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; berechnet wird, kann die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke (7, 9, 13) auf die Messung der mechanischen Spannung geeignet aufgehoben werden, und die mechanische Spannung des Objekts kann hochgenau basierend auf dem von der Gleichung (24) bestimmten Wert &epsi;a gemessen werden.
In der Gleichung (24) ist es nicht erforderlich, daß die Widerstandswerte der Arme der Brücke (7, 9, 13) miteinander gleich sind. Daher können die Dehnungsmeßvorrichtung und die Widerstände der Brücke (7, 9, 13) grundlegend beliebige Widerstandswerte haben, insoweit als sie es der Brücke (7, 9, 13) ermöglichen, eine faßbare Ausgangsspannung e zu erzeugen. Insbesondere haben die Bezugsspannung der an das Objekt angelegten Dehnungsmeßvorrichtung (1) und der Widerstandswert des Widerstands in dem Arm entgegengesetzt dem Widerstand (6) mit dem Widerstandswert R&sub4; (dem Widerstandswert des Widerstands (4) gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Verfahren und dem Widerstandswert des "Dummy"-Meßvorrichtung (10) gemäß dem Zweimeßvorrichtung-Dummy-Verfahren) nichts mit der Berechnung der Gleichung (24) zu tun. Somit müssen die Dehnungsmeßvorrichtung (1) und der Widerstand (4) oder (10) keinen hochgenauen Widerstandswert aufweisen. Folglich kann die zur Messung der mechanischen Spannung verwendete Brücke hinsichtlich ihrer Schaltungskomponentenanforderung hochflexibel sein, und somit kann eine Dehnungsmeßvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens relativ kostengünstig hergestellt werden.
Gemäß der Erfindung kann daher die mechanische Spannung des Objekts aus der Ausgangsspannung der Brücke genau gemessen werden, während die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung der Brücke ausreichend aufgehoben wird, was es möglich macht, ein kostengünstiges und einfaches Dehnungsmeßsystem aufzubauen.
Der Dehnungsfaktor K der Dehnungsmeßvorrichtung (1), der in der Berechnung der Gleichung (24) verwendet wird, kann ein von dem Material, etc. der Dehnungsmeßvorrichtung (1) abhängiger Wert sein. Die Leistungsversorgungsspannung V in der Gleichung (24) kann einen Wert, der als ein an die Brücke (7, 9, 13) anzulegender Wert vorbestimmt ist, oder einen gemessener Wert der Leistungsversorgungsspannung V haben. Die Widerstandswerte R&sub3;, R&sub4; in der Gleichung (24) können gemessene Widerstandswerte oder nominelle Widerstandswerte der Widerstände (5, 6) sein, wenn die Widerstandswerte der Widerstände (5, 6) hochgenau sind.
Die Brücke kann eine Brücke basierend auf entweder einem Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter-Verfahren, einem Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren oder einem Zweileiter-"Common-Dummy"-Verfahren umfassen.
Der Widerstandswert R&sub3; des Widerstands (5) in dem Arm der Brücke (7, 9, 13), der dem Arm mit der Dehnungsmeßvorrichtung (1) entgegengesetzt ist, und der Widerstandswert R&sub4; des Widerstands (6) in dem Arm der Brücke, der benachbart dem Arm mit der Dehnungsvorrichtung (1) über einer der Leistungsecken (11) positioniert ist, können voneinander unterschiedlich sein, wobei sie jedoch vorzugsweise miteinander gleich sein sollten. Vorzugsweise ist die zwischen den Leistungsecken der Brücke (7, 9, 13) angelegte Leistungsversorgungsspannung V im wesentlichen 2 (V), und der Dehnungsfaktor K der Dehnungsmeßvorrichtung ist im wesentlichen 2. Mit dieser Anordnung kann die Gleichung (24) in die Gleichung (25) oder (26) vereinfacht werden. Folglich kann die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke (7, 9, 13) gemäß einer einfacheren Berechnung aufgehoben werden.
V·R&sub3;/(R&sub3; + R&sub4;) in dem Nenner der rechten Seite der Gleichung (24) stellt eine Spannung dar, die über dem Arm mit dem Widerstand (5) erzeugt wird, der den Widerstandswert R&sub3; aufweist, wenn die Leistungsversorgungsspannung V an der Brücke (7, 9, 13) anliegt. Auf ähnliche Weise stellt V·R&sub4;/(R&sub3; + R&sub4;) in den Nenner der rechten Seite der Gleichung (24) eine Spannung dar, die über dem Arm erzeugt wird, der den Widerstand (6) mit dem Widerstandswert R&sub4; aufweist, wenn die Leistungsversorgungsspannung V an der Brücke (7, 9, 13) anliegt. Die Summe der über dem Arm erzeugten Spannung, der den Widerstand (5) mit dem Widerstandswert R&sub3; aufweist, und der Spannung, die über dem Arm erzeugt wird, der den Widerstand (6) mit dem Widerstand R&sub4; aufweist, ist gleich der Leistungsversorgungsspannung V.
Gemäß der Erfindung umfaßt das Verfahren ferner die Schritte eines, während die Leistungsversorgungsspannung V zwischen den Leistungsecken (I&sub1;, I&sub2;) der Brücke (7, 9, 13) anliegt, Erfassen mindestens einer Spannung V&sub3;, die über dem Arm der Brücke erzeugt wird, der dem Arm mit der Dehnungsmaßvorrichtung (1) gegenüberliegt, und einer Spannung V&sub4;, die über dem Arm der Brücke (7, 9, 139 erzeugt wird, der über eine der Leistungsecken (I&sub1;) benachbart zu dem Arm mit der Dehnungsmeßvorrichtung (1) positioniert ist, und Berechnen der Gleichung (24) mit der erfaßten Spannung V&sub3; oder V&sub4; gemäß einer der folgenden Gleichungen (29), (30) und (31):
Durch Erfassen entweder der über den Arm der Brücke (1), der dem Arm mit der Dehnungsvorrichtung (1) entgegengesetzt ist, erzeugten Spannung V&sub3; und der Spannung V&sub4;, die über dem Arm der Brücke (7, 9, 13), der benachbart dem Arm mit der Dehnungsmeßvorrichtung (1) über eine der Leistungsecken (I&sub1;) ist, erzeugt wird, kann, sogar wenn die Widerstandswerte R&sub3;, R&sub4; der Widerstände (5, 6) in diesen Armen unbekannt sind, wenn irgendeine der Gleichungen (29) bis (31) mit der erfaßten Spannung V&sub3; und/oder V&sub4; berechnet wird, die mechanische Spannung des Objekts gemessen werden, während die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; aufgehoben wird. Die über dem Arm der Brücke (1) erzeugte Spannung V&sub3;, der dem Arm mit der Dehnungsmeßvorrichtung (1) entgegengesetzt ist, und die Spannung V&sub4;, die über dem Arm der Brücke (7, 9, 13) erzeugt wird, der benachbart den Arm mit der Dehnungsmeßvorrichtung (1) über eine der Leistungsecken (I&sub1;) ist, enthalten die Wirkung des Widerstandswerts eines Schaltungsmusters, durch das die Widerstände (5, 6) in diesen Armen in der Brücke (7, 9, 13) aufgenommen sind. Daher wird die Wirkung des Widerstandswerts des Schaltungsmusters ebenfalls für eine genauere Messung der mechanischen Spannung aufgehoben. Da die Wirkung des Widerstandswerts des Schaltungsmusters ebenfalls aufgehoben wird, wenn das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen der mechanischen Spannung auf eine Dehnungsmeßeinrichtung angewendet wird, dann ist es nicht notwendig, Messungen in der Dehnungsmeßeinrichtung vorzunehmen, um den Widerstandswert des Schaltungsmusters aufzuheben, und folglich kann die Dehnungsmeßeinrichtung relativ kostengünstig hergestellt werden.
Wenn beide Spannungen V&sub3;, V&sub4; erfaßt werden, dann kann die Summe (= V&sub3; + V&sub4;) der erfaßten Werte der Spannungen V&sub3;, V&sub4; als der Wert von V in der Gleichung (31) verwendet werden.
Die Gleichung (25), die gleich der Gleichung (24) ist, wobei R&sub3; = R&sub4; ist, kann als die folgende Gleichung (32) umgeschrieben werden:
Der Ausdruck in den Klammern der Gleichung (32) wird durch &epsi;p ersetzt, wie es in der folgenden Gleichung (33) gezeigt ist:
Der durch die Gleichung (33) bestimmte Wert &epsi;p ist nichts als der von der Gleichung (10) bestimmte Wert, der vorher verwendet wurde, um die Verformung s zu bestimmen, während die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke (7, 9, 13) aufgehoben wird, basierend auf der Annahme, daß R&sub0; = R&sub2; R&sub3; = R&sub4; in den Brücken 7, 9 gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter-Verfahren und dem Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren ist, die jeweils in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, und das R&sub0; = Rd = R&sub3; = R&sub4; in der Brücke 13 gemäß dem in Fig. 3 gezeigten Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy"-Verfahren ist.
Das heißt, daß der von der Gleichung (33) bestimmte Wert &epsi;p erzeugt wird, in dem unter den obigen Bedingungen ein Wert &epsi;, der gemäß der folgenden Gleichung (34) bestimmt wird, basierend auf der Gleichung (8), als scheinbare Verformung 80, die der unausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke (7, 9, 13) entspricht, von einem Wert &epsi; subtrahiert wird, der durch Gleichung (8) aus der Ausgangsspannung e der Brücke (7, 9, 13) bei der Messung der mechanischen Spannung bestimmten wird, wie bei dem herkömmlichen Prozeß.
Wenn die nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; mit &epsi;&sub0; ausgedrückt wird, dann wird die folgende Gleichung (35) aus der Gleichung (34) hergeleitet:
Aus der Gleichung (35) kann der Ausdruck (V - 2e&sub0;)/(V + 2e&sub0;) anstatt des Ausdrucks in den Klammern der Gleichung (32) durch die folgende Gleichung (36) unter Verwendung des Werts e&sub0; ausgedrückt, der gemäß der Gleichung (34) bestimmt wird:
Aus den Gleichungen (32), (33) kann die Gleichung (24) zum Bestimmen der Verformung so, während die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke (7, 9, 13) ausgelöscht wird, als die folgende Gleichung (37) ausgedrückt werden, wenn der durch die Gleichung (33) bestimmte Wert &epsi;p, um die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; aufzuheben, verwendet wird, und wenn ferner der von der Gleichung (34) bestimmte Wert e&sub0; als die scheinbare Verformung e&sub0; verwendet wird, der der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; entspricht:
Gemäß der Erfindung ist jeder der Widerstandswerte der Widerstände (Widerstände 4, 5, 6 gemäß dem Einzelmeßvorrichtungsverfahren, und Widerstände 10, 5, 6 gemäß dem Zweileiter-"Common-Dummy"-Meßverfahren) in den jeweiligen verbleibenden drei Armen der Brücke (7, 9, 13) außer dem Arm mit der Dehnungsmeßvorrichtung - im wesentlichen gleich dem Bezugswiderstandswert (R&sub0;) der Dehnungsmeßvorrichtung (1), wenn keine mechanische Spannung von der Dehnungsmeßvorrichtung (1) erfaßt wird, und das Verfahren umfaßt ferner die Schritte des Berechnens der Gleichung (33) mit dem zwischen den Signalecken erzeugten Ausgangsspannung e, wenn mechanische Spannung gemessen wird, und der nichtausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0;, des Berechnens der Gleichung (34) mit der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0;, des Berechnens der Gleichung (24) mit einem Wert &epsi;p, der von der Gleichung (33) bestimmt wird, und mit einem Wert &epsi;&sub0;, der von der Gleichung (34) bestimmt wird, gemäß der Gleichung (37).
Durch Berechnen der Gleichung (24) gemäß der Gleichung (37) ist es möglich, die Verformung &epsi;a, während die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke (7, 9, 13) aus dem von Gleichung (33) bestimmten Wert &epsi;p aufgehoben wird, um die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; aufzuheben, und den Wert &epsi;&sub0;, der durch die Gleichung (34) als die der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; entsprechenden scheinbaren Verformung &epsi;&sub0; bestimmt wird, zu bestimmten.
Gemäß der Erfindung ist die Dehnungsmeßvorrichtung mit den Widerständen (den Widerständen (4, 2) gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Verfahren, und den Widerständen (5, 10) gemäß dem Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy" -Verfahren) durch ein Paar von Leitungen (2, 3) verbunden, die mit jeweiligen Anschlüssen der Dehnungsmeßvorrichtung (1) verbunden sind, wobei mindestens eine der Leitungen (die Leitungen (2, 3) gemäß der Einzelmeßvorrichtung-Verfahren und dem Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy"-Verfahren und der Leitung (2) gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren) in dem gleichen Arm wie die Dehnungsmeßvorrichtung (1) angebracht werden, und das Verfahren enthält des weiteren den Schritt des Messens der in dem Objekt entwickelten mechanischen Spannung, basierend auf einem Wert &epsi;b, der durch Multiplizieren des bestimmten Wert &epsi;a mit dem Verhältnis (R&sub0; + r)/R&sub0; aus der Summe (R&sub0; + r) des Bezugswiderstandswerts der Dehnungsmeßvorrichtung, der erzeugt wird, wenn keine mechanische Spannung von der Dehnungsmeßvorrichtung erfaßt wird, und dem Gesamtwiderstand r der Leitung (der Leitung (2, 3) gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Verfahren und dem Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy"-Verfahren, und der Leitung (2) gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren), die in der gleichen Art wie die Dehnungsmeßvorrichtung an dem Bezugswiderstand R&sub0; angebracht ist, erzeugt wird.
Auf diese Art und Weise wird die mechanische Spannung auf der Basis des Werts &epsi;(= &epsi;b) gemessen, der gemäß der Gleichung (23) berechnet wird. Folglich ist es möglich, die Wirkung des Widerstandswerts der Leitung (in dem gleichen Arm wie die Dehnungsmeßvorrichtung), die mit der Dehnungsmeßvorrichtung (1) verbunden ist, d. h. eine Verringerung in der Empfindlichkeit infolge des Widerstandswerts der Leitung, sowie auch die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke (7, 9, 13) auszulöschen. Folglich kann die mechanische Spannung sehr genau sogar dann gemessen werden, wenn die Leitung einen relativ großen Widerstandswert aufweist.
Der Bezugswiderstandswert R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung (1), der erforderlich ist, um den Wert &epsi;b zu bestimmen, kann ein vorbestimmter Bezugswiderstandswert (nomineller Wert) der Dehnungsmeßvorrichtung 1 oder ein vorgemessener Bezugswiderstandswert der Dehnungsmeßvorrichtung (1) sein. Der Gesamtwiderstandswert r der Leitung kann ein vorgemessener Wert oder ein Wert sein, der aus dem Material, Länge, Dicke, etc. der Leitung bestimmt wird. Wenn ferner eine Spannung VG an die Dehnungsmeßvorrichtung (1) angelegt wird, und eine Spannung Vr an die Leitung in dem gleichen Art wie die Dehnungsvorrichtung (1) angelegt wird, wenn die Leistungsversorgungsspannung V an die Brücke (7, 9, 13) angelegt wird, während keine mechanische Spannung von der Dehnungsmeßvorrichtung (1) erfaßt wird, dann ist die Beziehung (R&sub0; + r)/R&sub0; = (VG + Vr)/VG offensichtlich erfüllt. Somit können die Spannungen VG, Vr gemessen werden, und der Wert eines Verhältnisses (VG + Vr)/VG basierend auf den gemessenen Spannungen VG, Vr kann als der Wert eines Verhältnisses (R&sub0; + r)/R&sub0; basierend auf dem Bezugswiderstandswert R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung (1) und des Widerstandswerts r der Leitung verwendet werden.
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offensichtlich, die beispielhaft bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltdiagramm, das ein Einzelmeßvorrichtung- Zweileiter-Verfahren zur Messung der mechanischen Spannung darstellt;
Fig. 2 ein Schaltdiagramm, das ein Einzelmeßvorrichtung- Dreileiter-Verfahren zur Messung der mechanischen Spannung darstellt;
Fig. 3 ist Schaltdiagramm, das ein Zweimeßvorrichtung- "Common-Dummy"-Verfahren zur Messung der mechanischen Spannung darstellt;
Fig. 4 eine grafische Darstellung, die Ausgangskennlinien einer Brücke zum Messen der mechanischen Spannung zeigt;
Fig. 5 ein Schaltdiagramm, das die Prinzipien der Erfindung darstellt;
Fig. 6 ein Blockdiagramm einer Dehnungsmeßeinrichtung, die verwendet wird, um ein Verfahren zum Messen der mechanischen Spannung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung durchzuführen;
Fig. 7 ein Ablaufdiagramm einer Verarbeitungssequenz der in Fig. 6 gezeigten Dehnungsmeßeinrichtung;
Fig. 8 ein Blockdiagramm einer Dehnungsmeßeinrichtung, die verwendet wird, um ein Verfahren zum Messen der mechanischen Spannung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung durchzuführen;
Fig. 9 ein Blockdiagramm einer Dehnungsmeßeinrichtung, die verwendet wird, um ein Verfahren zum Messen der mechanischen Spannung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung durchzuführen;
Fig. 10 ein Blockdiagramm einer Dehnungsmeßeinrichtung, die verwendet wird, um ein Verfahren zum Messen der mechanischen Spannung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung durchzuführen;
Fig. 11 ein Ablaufdiagramm einer Verarbeitungssequenz einer Dehnungsmeßeinrichtung, die verwendet wird, um ein Verfahren zum Messen der mechanischen Spannung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung durchzuführen;
Fig. 12 eine perspektivische Ansicht, teilweise in Blockform, eines Dehnungsmeßsystems, das verwendet wird, um ein Verfahren zum Messen der mechanischen Spannung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung durchzuführen; und
Fig. 13 ein Ablaufdiagramm einer Hauptverarbeitungssequenz eines in einem Aufzeichnungsmedium aufgezeichneten Anwendungsprogramms, das von dem in Fig. 12 gezeigten Dehnungsmeßsystem verwendet wird.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Ein Verfahren zum Messen mechanischer Spannung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Fig. 6 und 7 beschrieben. Das Verfahren zum Messen von mechanischer Spannung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ist ein Einzelmeßvorrichtung- Zweileiter-Verfahren. Die in Fig. 6 gezeigten Teile, die mit denen in Fig. 1 gezeigten identisch sind, werden durch identische Bezugszeichen bezeichnet.
Wie es in Fig. 6 gezeigt ist, umfaßt eine Dehnungsmeßeinrichtung 20 ein Paar von Verbindungsanschlüssen 21, 22 zur Verbindung mit jeweiligen Leitungen 2, 3, die mit jeweiligen Anschlüssen einer Dehnungsmeßvorrichtung 1 verbunden sind, die an ein Objekt angelegt wird, dessen mechanische Spannung zu messen ist.
Die Dehnungsmeßeinrichtung 20 umfaßt grundsätzlich eine Meßeinheit 23 und eine Steuereinheit 24, die miteinander einstückig kombiniert sein können oder auch nicht.
Die Meßeinheit 23 umfaßt drei Widerstände 4, 5, 6, die mit der Dehnungsmeßvorrichtung 1 beim Aufbau einer Brücke 7 zusammenarbeiten. Die Widerstände 4, 5, 6 umfassen jeweilige Widerstandselemente mit jeweiligen festen Widerstandswerten. Die Widerstände 4, 5, 6 werden mit einem Schaltungsmuster auf einer Leiterplatte (nicht gezeigt) untereinander und mit den Verbindungsanschlüssen 21, 22 verbunden, so daß wenn die Leitungen 2, 3 der Dehnungsmeßvorrichtung 1 mit den Verbindungsanschlüssen 21 bzw. 22 verbunden sind, die Widerstände 4, 5, 6 und die Dehnungsmeßvorrichtung 1 zusammen die Brücke 7 aufbauen.
Die Meßeinheit 23 umfaßt ebenfalls ein Paar von Leistungseingangsanschlüssen 25, 26 zum Anlegen einer Leistungsversorgungsspannung V von einer externen Leistungsversorgung zwischen einem Paar von Leistungsecken 11, 12 der Brücke 7 und einem Paar von Signalausgangsanschlüssen 27, 28 zum Ausgeben entweder einer zwischen einem Paar von Signalecken O&sub1;, O&sub2; der Brücke 7 erzeugten Ausgangsspannung e oder einer über einem Arm mit dem Widerstand 5 der Brücke 7 erzeugten Spannung V&sub3;.
Die Leistungseingangsanschlüsse 25, 26 sind jeweils mit den Leistungsecken I&sub1;, I&sub2; der Brücke 7 verbunden. Der Signalausgangsanschluß 28 ist mit der Signalecke O&sub2; verbunden, und der Signalausgangsanschluß 27 ist mit der anderen Signalecke O&sub1; und der Leistungsecke I&sub2; durch jeweilige Schalter 29, 30 verbunden, die durch ein externes Steuersignal an- und ausgeschaltet werden können.
Wenn die Leistungsversorgungsspannung V an der Brücke 7 anliegt, wenn die Schalter 29, 30 jeweils angeschaltet bzw. ausgeschaltet sind, erscheint eine von der Brücke 7 erzeugte Ausgangsspannung e zwischen den Signalausgangsanschlüssen 27 und 28, und wenn die Schalter 29, 30 ausgeschaltet bzw. angeschaltet sind, erscheint eine zwischen dem Arm mit dem Widerstand 5 erzeugte Spannung V&sub3; zwischen den Signalausgangsanschlüssen 27, 28.
Die Meßeinheit 23 umfaßt ebenfalls einen Steueranschluß 31 zum Anlegen eines Steuersignals von einem Controller 35 der Steuereinheit 24 an die Schalter 29, 30, um diese selektiv an- und auszuschalten.
Die Steuereinheit 24 umfaßt eine Brückenleistungsversorgung 32, die mit den Leistungseingangsanschlüssen 25, 26 der Meßeinheit 23 zum Erzeugen der Leistungsversorgungsspannung V (konstante Spannung) verbunden sind, die zwischen den Leistungsecken I&sub1;, I&sub2; der Brücke 7 durch die Leistungseingangsanschlüsse 25, 26 angelegt wird, einen mit den Signalausgangsanschlüssen 27, 28 verbundenen Verstärker zum Verstärken der Spannung e oder V&sub3;, die zwischen den Signalausgangsanschlüssen 27, 28 erscheint, einen A/D-Wandler 34 zum Umwandeln eines analogen Ausgangssignals von dem Verstärker 33 in ein digitales Signal, einen Controller 35 zum Durchführen verschiedener Daten- und Steuerverarbeitung, einen Speicher 36 zum Speichern verschiedener Daten und eines von dem Controller 35 durchzuführenden Programms, eine Anzeigeeinheit 38, die von dem Controller 35 durch eine Anzeigeschaltung 37 zum Anzeigen eines gemessenen Werts der mechanischen Spannung und weiterer Information mit Energie versorgt werden kann, eine Schnittstelle zum Senden verschiedener Daten von dem Controller 35 und an den Controller 35 von einer externen Steuerkonsole oder einem externen Personal Computer (nicht gezeigt) der Steuereinheit 24, und eine Hauptleistungsversorgung 40 zum Liefern einer Leistungsversorgungsspannung für die Steuereinheit 24 von einer handelsüblichen Leistungsversorgung. Der Controller 35 umfaßt einen Mikroprozessor oder dergleichen, und der Speicher 36 umfaßt ein ROM, ein RAM, ein EEPROM, etc. Der Verstärker 33 weist eine ausreichend große Eingangsimpedanz auf. Die Hauptleistungsversorgung 40 für die Steuereinheit 24 kann eine Batterie umfassen.
Der Controller 35 berechnet eine nachstehend gezeigte Gleichung (38) mit Daten, die eine nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 7, die durch den Verstärker 33 und den A/D-Wandler 34 geliefert wird, die von der Brücke 7 bei der Messung der mechanischen Spannung erzeugten Ausgangsspannung e und die über den Arm mit dem Widerstand 5 erzeugte Spannung V&sub3; darstellen, um dadurch die in dem Objekt entwickelten Verformung &epsi; zu bestimmen, an das die Dehnungsmeßvorrichtung 1 angelegt ist.
Die Berechnung der Gleichung (38) ist dieselbe wie die Berechnung des Ausdrucks in den größeren Klammern auf der rechten Seite der Gleichung (23) gemäß der Gleichung (29). Anders gesagt, die Berechnung der Gleichung (38) ist die gleiche wie die Bestimmung des Werts &epsi;b, der erhalten wird, wenn der von der Gleichung (29) erzeugte Wert &epsi;a mit (R&sub0; + r)/R&sub0; multipliziert wird (wobei r = ra1 + ra2) ist, als die Verformung &epsi;.
Der Speicher 36 speichert eine in Fig. 7 gezeigte Verarbeitungssequenz, um den Controller 35 freizugeben, um den obigen Berechnungsprozeß durchzuführen.
Der Betrieb der in Fig. 6 gezeigten Dehnungsmeßeinrichtung 20 wird nachstehend ausführlicher beschrieben.
Vor einem Dehnungsmeßprozeß werden die Werte des Dehnungsfaktors K und des Bezugswiderstands R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1, die von der Brückenleistungsversorgung 32 an die Brücke 7 anzulegende Leistungsversorgungsspannung V und der Gesamtwiderstandswert r(= ra1 + ra2) der Leitungen 2, 3 (in dem gleichen Arm wie die Dehnungsmeßvorrichtung 1), die die Dehnungsmeßvorrichtung 1 mit den Verbindungsanschlüssen 21, 22 verbinden, um die Dehnungsmeßvorrichtung 1 in die Brücke 7 aufzunehmen, von dem Bediener mit der externen Steuerkonsole oder dergleichen durch die Schnittstelle 39 und den Controller 35 in den Speicher 36 eingegeben, der die eingegebenen Werte speichert.
Zu dieser Zeit ist der Wert des in dem Speicher 36 zu speichernden Dehnungsfaktors K ein vorbestimmter Wert, wie der Dehnungsfaktor K der Dehnungsmeßvorrichtung 1, der mit der Dehnungsmeßeinrichtung 20 verwendet wird, oder ein normaler Wert des Dehnungsfaktors K der Dehnungsmeßvorrichtung 1, der mit der Dehnungsmeßeinrichtung 20 verwendet wird. Der Wert des Bezugswiderstandswerts R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1 ist ihr normaler Wert oder ein Bezugswiderstandswert, der tatsächlich von der Dehnungsmeßvorrichtung 1 gemessen wird. Ebenso ist der Wert der Leistungsversorgungsspannung V ein vorbestimmter Wert der eine Leistungsversorgungsspannung, der von der Brückenleistungsversorgung 32 an die Leistungsecken I&sub1;, I&sub2; der Brücke 7 anzulegen ist, oder ein tatsächlich gemessener Wert der Leistungsversorgungsspannung. Der Gesamtwiderstandswert r der Leitung 2, 3 ist die Summe der tatsächlich gemessenen Widerstandswerte der Leitungen 2, 3 oder ein aus Material, Länge, Dicke, etc. der Leitung 2, 3 bestimmter Wert.
Da beispielsweise der Wert der Leistungsversorgungsspannung V der in dem Speicher 36 gespeicherten Daten in der Dehnungsmeßeinrichtung 20 inhärent ist, kann er in dem ROM des Speichers 36 gespeichert werden, wenn die Dehnungsmeßeinrichtung 20 hergestellt wird.
Danach werden die Leitungen 2, 3 jeweils mit den Verbindungsanschlüssen 2, 3 verbunden, während die Dehnungsmeßvorrichtung 1 nicht an dem Objekt anliegt, dessen mechanische Spannung zu messen ist, und dann wird die Dehnungsmeßeinrichtung 20 auf eine vorbestimmte Art und Weise betrieben, um die Steuereinheit 24 unter Strom zu setzen.
Der Controller 35 startet dann die Brückenleistungsversorgung 32, um die Leistungsversorgungsspannung V durch die Leistungseingangsanschlüsse 25, 26 zwischen den Leistungsecken I&sub1;, I&sub2; der Brücke 7 anzulegen.
Der Controller 35 schaltet dann jeweils die Schalter 29, 30 an oder aus, um es zu ermöglichen, daß eine Ausgangsspannung e, die zwischen den Signalecken O&sub1;, O&sub2; erzeugt wird, durch die Signalausgangsanschlüsse 27, 28 an den Verstärker 33 angelegt werden kann. Der Controller 35 erfaßt die Ausgangsspannung e aus den von dem Verstärker 33 und dem A/D- Wandler 34 gelieferten Daten und speichert die erfaßte Ausgangsspannung e als eine nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 7 in dem Speicher 36.
Danach schaltet der Controller 35 die Schalter 29, 30 jeweils an und aus, um es einer über den Arm mit dem Widerstand 5 erzeugten Spannung V&sub3; zu ermöglichen, durch die Signalausgangsanschlüsse 27, 38 an den Verstärker 33 angelegt zu werden. Der Controller 35 erfaßt die Spannung V&sub3; aus den von dem Verstärker 33 und dem A/D-Wandler 34 gelieferten Daten und speichert die erfaßte Spannung V&sub3; in dem Speicher 36. Die Spannung V&sub3; kann erfaßt und gespeichert werden, nachdem die Dehnungsmeßvorrichtung 1 an das Objekt angelegt wird, oder bevor die Dehnungsmeßvorrichtung 1 mit der Dehnungsmeßeinrichtung 20 verbunden ist.
Nachdem die Dehnungsmeßvorrichtung 1 an das Objekt angelegt ist, misst der Controller 35 die in dem Objekt erzeugte mechanische Spannung zu einer Zeit, die von dem Anwender angegeben wird, oder gemäß einem vorbestimmten Zeitplan wie folgt:
Der Controller 35 legt die Leistungsversorgungsspannung V durch die Leitungseingangsanschlüsse 25, 26 zwischen den Leistungsecken I&sub1;, I&sub2; der Brücke 7 an. Der Controller 35 schaltet dann die Schalter 29, 30 jeweils an und aus, um es einer zwischen den Signalecken O&sub1;, O&sub2; erzeugten Ausgangsspannung e zu ermöglichen, durch die Signalausgangsanschlüsse 27, 28 an den Verstärker 33 angelegt zu werden. Der Controller 35 erfaßt die Ausgangsspannung e aus den von dem Verstärker 33 und dem A/D-Wandler gelieferten Daten und speichert die erfaßte Ausgangsspannung e in dem Speicher 36.
Der Controller 35 führt dann die in Fig. 7 gezeigte, in dem Speicher 36 gespeicherte Verarbeitungssequenz durch, um die in dem Objekt entwickelte Verformung &epsi; (in ihrem ursprünglichen Sinn) zu bestimmen.
Insbesondere liest der Controller 35 die gespeicherten Daten des Dehnungsfaktors K und des Bezugswiderstandswerts R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1, die an die Brücke 7 anzulegende Leistungsversorgungsspannung V, die Summe r (= ra1 + ra2) der Widerstandswerte ra1, ra2 der Leitungen 2, 3, die nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 7, die über den Arm mit dem Widerstand 5 erzeugte Spannung V&sub3; und die von der Brücke 7 bei der Messung der mechanischen Spannung erzeugten Ausgangsspannung e aus dem Speicher 36.
Mit den gelesenen Daten berechnet der Controller 35 die Gleichung (38), um die Verformung e zu bestimmen.
Der Controller 35 zeigt dann die bestimmte Verformung &epsi; auf der Anzeigeeinheit 38 durch die Anzeigeschaltung 37 an.
Da die Verformung &epsi; gemäß der Gleichung (38) bestimmt wird, ist es möglich, die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 7 aufzuheben, genauer gesagt, die Wirkung, die die nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; auf die gemessene Genauigkeit der Verformung &epsi; basierend auf der Ausgangsspannung e hat, ohne Abhängigkeit von den Widerstandswerten der Arme der Brücke 7 gemäß der Berechnung in den Klammern der Gleichung (38), d. h. die Berechnung der Gleichung (29). Da der Wert, der erhalten wird, wenn der von der Berechnung in den Klammern der Gleichung (38) erzeugte Wert mit (R&sub0; + r)/R&sub0; multipliziert wird, als die Verformung &epsi; bestimmt wird, kann ferner eine Verringerung in der Empfindlichkeit infolge der Widerstandswerte ra1, ra2 der Leitungen 2, 3 mit denen die Dehnungsvorrichtung 1 mit der Dehnungsmeßeinrichtung 20 verbunden ist, ebenfalls aufgehoben werden. Folglich ist die durch die Gleichung (38) bestimmte Verformung &epsi; sehr genau.
Insoweit die die nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 7 ohne Abhängigkeit von den Widerstandswerten der Arme der Brücke 7 aufgehoben werden kann, muß die Dehnungsmeßeinrichtung 20 nicht eine Dehnungsmeßvorrichtung und Widerstände mit sehr genauen Widerstandswerten verwenden, da die Dehnungsmeßvorrichtung 1 und die Widerstände 4, 5, 6 in den jeweiligen Armen der Brücke 7 eine Dehnungsmeßvorrichtung und Widerstände mit verschiedenen Widerstandswerten benutzen können. Außerdem ist es nicht notwendig, da man sich nicht auf die Widerstandswerte der Arme der Brücke 7 stützt, die Widerstandswerte des Schaltungsmusters zu berücksichtigen, das die Widerstände 4, 5, 6 untereinander verbindet. Als Ergebnis kann die Dehnungsmeßvorrichtung 1 und die Meßeinheit 23 relativ kostengünstig hergestellt werden.
Ein Verfahren zum Messen der mechanischen Spannung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 8 beschrieben. Fig. 8 zeigt in Blockform eine Dehnungsmeßeinrichtung, die verwendet wird, um das Verfahren des Messens der mechanischen Spannung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung durchzuführen. Das Verfahren zum Messen der mechanischen Spannung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist ein Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren. Die in Fig. 8 gezeigten Teile, die mit denen der in Fig. 6 gezeigten Dehnungsmeßeinrichtung identisch sind, werden mit identischen Bezugszeichen bezeichnet und nachstehend nicht ausführlich beschrieben.
Wie es in Fig. 8 gezeigt ist, umfaßt eine Dehnungsmeßeinrichtung 41 ein Paar von Verbindungsanschlüssen 21, 22 zur Verbindung mit den jeweiligen Leitungen 2, 3, die mit jeweiligen Anschlüssen einer Dehnungsmeßvorrichtung 1 verbunden sind, die an ein Objekt angelegt wird, und ein Verbindungsanschluß 42 zur Verbindung mit einer Zusatz- Leitung 8, die mit dem Anschluß der Dehnungsmeßvorrichtung 1 verbunden ist, an der die Leitung 3 verbunden ist.
Wie bei der in Fig. 6 gezeigten Dehnungsmeßeinrichtung 20 umfaßt die Dehnungsmeßeinrichtung 41 eine Meßeinheit 43 und eine Steuereinheit 24. Die Steuereinheit 24 umfaßt eine Schaltungsanordnung, die mit der Steuereinheit 24 der in Fig. 6 gezeigten Dehnungsmeßeinrichtung 20 identisch ist.
Die Meßeinheit 43 ist grundsätzlich der Meßeinheit 23 darin ähnlich, daß sie Widerstände 4, 5, 6, die mit der Dehnungsvorrichtung 1 beim Aufbauen einer Brücke zusammenarbeiten, und ein Paar von Leistungseingangsanschlüssen 25, 26 zum Anlegen einer Leistungsversorgungsspannung V zwischen einem Paar von Leistungsecken 11, 12 der Brücke 7 aufweist. Die Widerstände 4, 5, 6 und die Leitungseingangsanschlüsse 25, 26 sind miteinander auf die gleiche Art und Weise wie bei der Meßeinheit 23 verbunden.
Die Meßeinheit 43 umfaßt ebenfalls ein Paar von Signalausgangsanschlüssen 27, 28, die mit dem Verstärker 33 der Steuereinheit 24 verbunden sind, ein Paar von Schaltern 29, 30 und einen Steueranschluß zum Anlegen eines Steuersignals von dem Controller 35 der Steuereinheit 24 an die Schalter 29, 30, um sie selektiv an- und auszuschalten. Die Dehnungsmeßeinrichtung 41 unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten Dehnungsmeßeinrichtung 20 darin, daß der Signalausgangsanschluß 27 mit dem Verbindungsanschluß 42 verbunden ist, der durch die Zusatz-Leitung 8 mit dem Anschluß der Dehnungsmeßvorrichtung 1, die als die Signalecke 1 der Brücke 9 dient, und mit der Leistungsecke I&sub2; der Brücke 9 durch die jeweiligen Schalter 29, 30 verbunden ist. Der Signalausgangsanschluß 28 ist mit der Signalecke O&sub2; der Brücke 9 verbunden.
Wenn die Leistungsversorgungsspannung V zwischen den Leistungsecken I&sub1;, I&sub2; der Brücke 9 angelegt wird, wenn die Schalter 29, 30 an- bzw. ausgeschaltet sind, erscheint eine zwischen den Signalecken O&sub1;, O&sub2; erzeugte Ausgangsspannung e zwischen den Signalausgangsanschlüssen 27, 28, und wenn die Schalter 29, 30 aus- bzw. angeschaltet werden, erscheint eine über den Arm mit dem Widerstand 5 erzeugte Spannung V&sub3; zwischen den Signalausgangsanschlüssen 27, 28.
Der Controller 35 bestimmt die in dem Objekt entwickelte Verformung &epsi; gemäß der Gleichung (38), wie mit dem Controller 35 der Dehnungsmeßeinrichtung 20 gemäß der ersten Ausführungsform. Der Speicher 36 speichert die in Fig. 7 gezeigte Verarbeitungssequenz, um den Controller 35 zu befähigen, den obigen Berechnungsprozeß durchzuführen.
Vor einem Dehnungsmeßprozeß werden die Werte des Dehnungsfaktors K und des Bezugswiderstandswert R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1 und die von der Brückenleistungsversorgung 32 an die Brücke 9 anzulegende Leistungsversorgungsspannung V an den Speicher 36 geliefert und in diesem gespeichert. Ferner wird der Widerstandswert ra1 der Leitung 2, die in dem gleichen Arm wie die Dehnungsvorrichtung 1 ist, ebenfalls als der Gesamtwiderstandswert r der Leitungen, die in dem gleichen Arm wie die Dehnungsvorrichtung 1 sind, in dem Speicher 36 gespeichert.
Danach werden eine nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 9, eine über dem Arm mit dem Widerstand 5 erzeugte Spannung V&sub3; und eine von der Brücke 9 bei der Messung der mechanischen Spannung erzeugten Ausgangsspannung e erfaßt und gespeichert. Der Controller 35 führt dann die in Fig. 7 gezeigte, im Speicher 36 gespeicherte Verarbeitungssequenz aus, um die Verformung &epsi; aus den oben erfaßten Daten und den Daten des Dehnungsfaktors K, etc. zu bestimmen,, die in dem Speicher 36 gespeichert sind, und zeigt die bestimmte Verformung &epsi; auf der Anzeigeeinheit 37 an.
Wie bei der ersten Ausführungsform ist, da die Verformung &epsi; gemäß der Gleichung (38) bestimmt wird, es möglich, die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 9 ohne Abhängigkeit von den Widerstandswerten der Arme der Brücke 9 aufzuheben. Ferner kann eine Verringerung in der Empfindlichkeit infolge des Widerstandswerts r der Leitung 2 in dem gleichen Arm wie die Dehnungsvorrichtung 1 ebenfalls aufgehoben werden. Da es nicht erforderlich ist, daß die Widerstandswerte der Arme der Brücke 9 sehr genau sind, kann die Dehnungsmeßvorrichtung 1 und die Meßeinheit 43 relativ kostengünstig hergestellt werden.
Ein Verfahren zum Messen der mechanischen Spannung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird nachsehend mit Bezug auf Fig. 9 beschrieben. Fig. 9 zeigt in Blockform eine Dehnungsmeßeinrichtung, die verwendet wird, um das Verfahren des Messens der mechanischen Spannung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung durchzuführen. Das Verfahren des Messens der mechanischen Spannung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung ist ein Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy"-Verfahren. Die in Fig. 9 gezeigten Teile, die mit denen der in Fig. 6 gezeigten Dehnungsmeßeinrichtung identisch sind, werden mit identischen Bezugszeichen bezeichnet und nachstehend nicht ausführlich beschrieben.
Wie es in Fig. 9 gezeigt ist, umfaßt eine Dehnungsmeßeinrichtung 44 ein Paar von Verbindungsanschlüssen 21, 22 zur Verbindung mit jeweiligen Leitungen 2, 3, die an jeweiligen Anschlüssen einer Dehnungsmeßvorrichtung 1 verbunden sind, die an ein Objekt angelegt wird, deren mechanische Spannung zu messen ist, und ein Paar von Verbindungsanschlüssen 45, 46 zur Verbindung mit den jeweiligen Anschlüssen 11, 12, die mit jeweiligen Anschlüssen einer Dehnungsmeßvorrichtung (Dummy-Meßvorrichtung) 10 verbunden sind, die die gleichen Merkmale wie die Dehnungsmeßvorrichtung 1 aufweist.
Wie bei der in Fig. 6 gezeigten Dehnungsmeßeinrichtung 20 umfaßt die Dehnungsmeßeinrichtung 44 eine Meßeinheit 47 und eine Steuereinheit 24. Die Steuereinheit 24 umfaßt eine Schaltungsanordnung, die mit der der Steuereinheit 24 der in Fig. 6 gezeigten Dehnungsmeßeinrichtung 20 identisch ist. Die Meßeinheit 47 umfaßt Widerstände 5, 6, die mit der Dehnungsmeßvorrichtung 1 und der Dummy-Meßvorrichtung 10 beim Aufbauen einer Brücke zusammenarbeiten. In der Meßeinheit 47 sind der Verbindungsanschluß 22 zur Verbindung mit der an der Dehnungsmeßvorrichtung 1 verbundenen Leitung 3 und der Verbindungsanschluß 45 zur Verbindung der mit der Dummy- Meßvorrichtung 10 verbundenen Leitung 11 jeweils miteinander durch ein Schaltungsmuster verbunden. Die Widerstände 5, 6 sind miteinander durch das Schaltungsmuster und ebenfalls mit dem Verbindungsanschlüssen 21 bzw. 46 verbunden, so daß, wenn die Leitungen 2, 3 jeweils mit den Verbindungsanschlüssen 21, 22 verbunden sind, und die Leitungen 11, 12 jeweils mit den Verbindungsanschlüssen 45, 46 verbunden sind, die Brücke 13 gebildet wird, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.
Die Meßeinheit 43 umfaßt ein Paar von Leistungseingangsanschlüssen 25, 26, die mit jeweiligen Leistungsecken I&sub1;, I&sub2; der Brücke 13 zum Anlegen einer Leistungsversorgungsspannung V von der Brückenleistungsversorgung 32 der Steuereinheit 24 zwischen den Leistungsecken I&sub1;, I&sub2; verbunden ist.
Die Meßeinheit 47 umfaßt ferner ein Paar von Signalausgangsanschlüssen 27, 28, die mit dem Verstärker 33 der Steuereinheit 24 verbunden sind, ein Paar von Schaltern 29, 30 und ein Steueranschluß 31 zum Anlegen eines Steuersignals von dem Controller 35 der Steuereinheit 24 an die Schalter 29, 30, um diese selektiv an- und auszuschalten.
Der Signalausgangsanschluß 27 ist mit der Signalecke O&sub1; der Brücke 13 verbunden, d. h. der Verbindungsstelle zwischen den Verbindungsanschlüssen 22, 45 in der Meßeinheit 47, und der Leistungsecke 12 der Brücke 13 durch die jeweiligen Schalter 29, 30. Der Signalausgangsanschluß 28 ist mit der Signalecke O&sub2; der Brücke 13 verbunden.
Wenn die Leistungsversorgungsspannung zwischen den Leistungsecken I&sub1;, I&sub2; der Brücke 13 anliegt, wenn die Schalter 29, 30 jeweils an- bzw. ausgeschaltet sind, erscheint eine zwischen den Signalecken O&sub1;, O&sub2; erzeugte Spannung e zwischen den Signalausgangsanschlüssen 27, 38, und wenn die Schalter 29, 30 an- bzw. ausgeschaltet sind, erscheint eine über den Arm mit dem Widerstand 5 erzeugte Spannung V&sub3; zwischen den Signalausgangsanschlüssen 27, 28.
Der Controller 35 bestimmt gemäß der Gleichung (38) die in dem Objekt entwickelte Verformung &epsi;, wie bei dem Controller 25 der Dehnungsmeßeinrichtung 20 gemäß der ersten Ausführungsform. Der Speicher 36 speichert die in Fig. 7 gezeigte Verarbeitungssequenz, um den Controller 35 freizugeben, um den obigen Berechnungsprozeß durchzuführen.
Vor einem Dehnungsmeßprozeß werden die Werte des Dehnungsfaktors K und des Bezugswiderstandswerts R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1, die von der Brückenleistungsversorgung 32 an die Brücke 13 anzulegende Leistungsversorgungsspannung V und der Gesamtwiderstandswert. r(= ra1 + ra2) der Leitungen 2, 3 der Dehnungsmeßvorrichtung 1 an den Speicher 36 geliefert und in diesem gespeichert.
Danach wird auf die gleiche Art und Weise, wie bei dem Verfahren des Messens der mechanischen Spannung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, eine nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 13, eine über dem Arm mit dem Widerstand 5 erzeugte Spannung V&sub3; und eine von der Brücke 13 bei der Messung der mechanischen Spannung erzeugte Ausgangsspannung e erfaßt und gespeichert. Der Controller 35 führt dann die im Speicher 36 gespeicherte Verarbeitungssequenz, wie in Fig. 7, aus, um die Verformung &epsi; aus den oben erfaßten Daten und den Daten des Dehnungsfaktors K, etc., die in dem Speicher 36 gespeichert sind, zu bestimmen, und zeigt die bestimmte Verformung &epsi; auf der Anzeigeeinheit 37 an.
Wie bei der ersten Ausführungsform ist es möglich, da die Verformung &epsi; gemäß der Gleichung (38) bestimmt wird, die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 9 ohne Abhängigkeit von den Widerstandswerten der Arme der Brücke 9 aufzuheben. Ferner kann eine Verringerung in der Empfindlichkeit infolge des Gesamtwiderstandswerts r (= ra1 + ra2) der Leitungen 2, 3 in dem gleichen Arm wie die Dehnungsvorrichtung 1 ebenfalls aufgehoben werden. Folglich kann die Verformung &epsi; sehr genau gemessen werden. Da es nicht erforderlich ist, daß die Arme der Brücke 9 sehr genau sind, kann die Dehnungsmeßvorrichtung 1, die Dummy-Meßvorrichtung 13 und die Meßeinheit 47 relativ kostengünstig hergestellt werden.
Ein Verfahren zum Messen der mechanischen Spannung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 10 beschrieben. Fig. 10 zeigt in Blockform eine Dehnungsmeßeinrichtung, die verwendet wird, um das Verfahren des Messens der mechanischen Spannung gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung durchzuführen. Die in Fig. 10 gezeigte Dehnungsmeßeinrichtung ist grundsätzlich die gleiche wie die Dehnungsmeßeinrichtung 41 basierend auf dem Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren, wie es in Fig. 8 gezeigt ist. Die in Fig. 10 gezeigten Teile, die mit denen der in Fig. 8 gezeigten Dehnungsmeßeinrichtung 41 identisch sind, werden durch identische Bezugszeichen bezeichnet und nachstehend nicht ausführlich beschrieben.
Wie es in Fig. 10 gezeigt ist, ist eine Dehnungsmeßeinrichtung 48 eine Multispot- Dehnungsmeßvorrichtung zum Messen von Verformung an einer Mehrzahl von Punkten oder einer Mehrzahl von Objekten (nachstehend als "Meßpunkte" bezeichnet), die nicht gezeigt sind, gemäß einem Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren. Die Dehnungsmeßeinrichtung 48 umfaßt eine Meßeinheit 49, die allgemein als Schaltkasten bezeichnet wird, und eine Steuereinheit 50.
Die Meßeinheit 49 hat so viele Verbindungsanschlußsätze 21, 22, 42 wie es Meßpunkten gibt, wobei die Verbindungsanschlüsse 21, 22, 42 in jedem Satz jeweils mit Leitungen 2, 3 und einer Zusatzleitung 8 aufweisen, die mit einer an einen der Meßpunkte angelegten Dehnungsmeßvorrichtung 1 verbunden sind.
Die Meßeinheit 49 hat so viele Schaltersätze 51a, 51b, 51c wie Verbindungsanschlußsätze 21, 22, 42, wobei die Schalter 51a, 51b, 51c in jedem Satz jeweils mit den Verbindungsanschlüssen 21, 22, 42 verbunden sind, die mit einem der Dehnungsmeßvorrichtungen 1 verbunden sind. Wie bei der in Fig. 8 gezeigten Meßeinheit 43 umfaßt die Meßeinheit 49 Widerstände 4, 5, 6, Schalter 29, 30, ein Paar von Leistungseingangsanschlüssen 25, 26, ein Paar von Signalausgangsanschlüssen 27, 28 und einen Steueranschluß 31.
Wenn die Schalter 51a, 51b, 51c in jedem der mit einem der Dehnungsmeßvorrichtung 1 verbundenen Satz angeschaltet werden, werden die Verbindungsanschlüsse 21, 22, die mit den Leitungen 2, 3 verbunden sind, die mit der Dehnungsmeßvorrichtung 1 verbunden sind, mit dem aus den Widerständen 4, 5, 6 aufgebauten Widerstandsschaltung verbunden, die die in Fig. 2 gezeigte Brücke aufbauen, und der mit der Zusatz-Leitung 8 verbundene Verbindungsanschluß 42, der mit der Dehnungsvorrichtung 1 verbunden ist, ist durch den Schalter 29 mit dem Ausgangsanschluß 27 verbunden.
Die Schalter 51a, 51b, 51c in jedem Satz werden auf ihre angeschalteten/ausgeschalteten Zustände durch ein an einen Steueranschluß 52 der Meßeinheit 52 angelegtes Steuersignal gesteuert. Der obige Aufbau der Meßeinheit 49 ist grundsätzlich der gleiche wie die Struktur der in Fig. 8 gezeigten Meßeinheit 43.
Die Steuereinheit 50 umfaßt eine Grundschaltungsanordnung, die die gleiche wie die Steuereinheit 24 der in Fig. 8 gezeigten Dehnungsmeßeinrichtung 41 ist. Die Steuereinheit 50 umfaßt eine Brückenleistungsversorgung 32, einen Verstärker 33, einen A/D-Wandler 34, einen Controller 35, einen Speicher 36, eine Anzeigeschaltung 37, eine Anzeigeeinheit 38, eine Schnittstelle 39 und eine Hauptleistungsversorgung 40. Wie bei der in Fig. 8 gezeigten Dehnungsmeßeinrichtung 41 werden die Brückenleistungsversorgung 32 und der Verstärker 33 mit der Meßeinheit 49 verbunden. Der Controller 35 liefert ein Steuersignal an den Steueranschluß 52, um die Schalter 51a, 51b, 51c in jedem Satz auf ihre angeschalteten/ausgeschalteten Zustände zu steuern.
Der Controller 35 dient zum Bestimmen der Verformung &epsi; an jedem Meßpunkt gemäß der Gleichung (38). Der Speicher 36 speichert die in Fig. 7 gezeigte Verarbeitungssequenz, um den Controller 35 freizugeben, um den obigen Berechnungsprozeß durchzuführen.
Die Dehnungsmeßeinrichtung 48 misst die mechanische Spannung wie folgt:
Vor einem Dehnungsmeßprozeß wird der Wert der von der Brücke 9 anzulegenden Leitungsversorgungsspannung V (allen Meßpunkten gemeinsam) geliefert und in dem Speicher 36 gespeichert. Die Werte des Dehnungsfaktors K und des Bezugswiderstandswerts R&sub0; jeder der Dehnungsmeßvorrichtung 1 für die jeweiligen Meßpunkte werden an den Speicher 36 geliefert und in diesem gespeichert. Die Widerstandswerte ra1 der mit jedem der Dehnungsmeßvorrichtungen 1 verbundenen Leitungen 2 werden an den Speicher 36 geliefert und in diesem als der Gesamtwiderstandswert r der Leitung gespeichert, die in dem gleichen Arm wie die Dehnungsmeßvorrichtung 1 der Brücke 9 positioniert ist.
Danach werden die Dehnungsmeßvorrichtungen 1 an den Meßpunkten mit der Meßeinheit 49 verbunden, jedoch nicht an das Objekt angelegt, und dann wird die Dehnungsmeßeinrichtung 48 auf eine vorbestimmte Art und Weise betrieben, um die Steuereinheit 50 mit Energie zu versorgen.
Der Controller 35 startet dann die Brückenleiturigsversorgung 32, um die Leistungsversorgungsspannung V durch die Leistungseingangsanschlüsse 25, 26 zwischen den Leistungsecken 11, 12 der Brücke 9 anzulegen. Der Controller 35 schaltet dann die Schalter 29, 30 jeweils an und aus, und dann schalten die Sätze der Schalter 51a, 51b, 51c, die den jeweiligen Dehnungsmeßvorrichtungen 1 entsprechen, aufeinanderfolgend an. Danach werden die Dehnungsmeßvorrichtungen 1 aufeinanderfolgend mit der aus den Widerständen 4, 5, 6 gebildeten Widerstandsschaltung verbunden, wobei nacheinander die Brücken 9 für die Meßpunkte aufgebaut werden. Jedes Mal, wenn eine Brücke 9 für einen der Meßpunkte aufgebaut ist, wird eine zwischen den Signalecken O&sub1;, O&sub2; erzeugte Ausgangsspannung e durch die Signalausgangsanschlüsse 27, 28 an den Verstärker 33 angelegt. Der Verstärker 35 erfaßt die Ausgangsspannung e von dem durch den Verstärker 33 und den A/D-Wandler 34 gelieferten Daten und speichert die erfaßte Ausgangsspannung e als eine nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 7 in dem Speicher 36. Auf diese Art und Weise werden die nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannungen e&sub0; für die Brücken 9, die den jeweiligen Meßpunkten entsprechen, aufeinanderfolgend in dem Speicher 36 gespeichert.
Danach schaltet der Controller 35 die Schalter 29, 30 jeweils an bzw. aus, um es einer über dem Arm mit dem Widerstand 5 erzeugten Spannung V&sub3; zu ermöglichen, durch die Signalausgangsanschlüsse 27, 28 an den Verstärker 33 angelegt zu werden. Der Controller 35 erfaßt die Spannung V&sub3; aus den durch den Verstärker 33 und dem A/D-Wandler 34 gelieferten Daten und speichert die erfaßte Spannung V&sub3; (den allen Meßpunkten entsprechenden Brücken 9 gemeinsam ist) in dem Speicher 36. Die Spannung V&sub3; kann dann erfaßt und gespeichert werden, während alle Sätze der Schalter 51a, 51b, 51c ausgeschaltet sind. Alternativ kann die Spannung V&sub3; erfaßt und gespeichert werden, während die Schalter 51a, 51b, 51c von einem der Sätze angeschaltet sind. Ferner kann die Spannung V&sub3; erfaßt und gespeichert werden, bevor die nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannungen e&sub0; erfaßt und gespeichert werden, oder nachdem die Dehnungsmeßvorrichtungen 1 an die jeweiligen Meßpunkte angelegt werden.
Nachdem die Dehnungsmeßvorrichtungen 1 an die jeweiligen Meßpunkte angelegt sind, mißt der Controller 35 die mechanischen Spannungen an den jeweiligen Meßpunkten wie folgt: Der Controller 35 legt die Leitungsversorgungsspannung V von der Brückenleistungsversorgung 32 zwischen den Leitungsecken 11, 12 an und schaltet die Schalter 29, 30 an bzw. aus, und schaltet dann die Sätze der Schalter 51a, 51b, 51c, die den jeweiligen Dehnungsmeßvorrichtungen 1 entsprechen, sukzessive an, womit die Brücken 9 sukzessiv für die Meßpunkte aufgebaut werden. Der Controller 35 erfaßt eine Ausgangsspannung e der Brücke 9 für jeden Meßpunkt aus den durch den Verstärker 33 und den A/D-Wandlern gelieferten Daten, und speichert die erfaßte Ausgangsspannung e in dem Speicher 36. Auf diese Art und Weise werden die Ausgangsspannungen e der Brücken 9, die den jeweiligen Meßpunkten entsprechen, sukzessiv in den Speicher 36 gespeichert.
Der Controller 35 führt dann zum Bestimmen der Verformung &epsi; an jedem der Meßpunkte bei jedem der Meßpunkt die in Fig. 7 gezeigte, in dem Speicher 36 gespeicherte Verarbeitungssequenz aus.
Insbesondere liest der Controller 35 die gespeicherten Daten der Leistungsversorgungsspannung V, die an die Brücke 7 anzulegen sind (gemeinsam mit den Meßpunkten) und der Spannung V&sub3; über den Arm mit dem Widerstand 5. Der Controller 36 liest ebenfalls die gespeicherten Daten der Dehnungsfaktoren K und der Bezugswiderstandswerte R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtungen 1, die den Meßpunkten entsprechen, der Widerstandswerte r der Zuleitungen 2, die nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannungen e&sub0; der Brücken 9 und die von den Brücken 9 bei der Messung der mechanischen Spannung erzeugten Ausgangsspannungen e aus dem Speicher 36.
Mit den gelesenen Daten berechnet der Controller 35 die Gleichung (38), um die Verformung e für jeden der Meßpunkte zu bestimmen.
Der Controller 35 zeigt dann die bestimmte Verformung e für jeden der Meßpunkte auf der Anzeigeeinheit 38 durch die Anzeigeschaltung 37 an.
Da die Verformung e für jeden der Meßpunkte gemäß der Gleichung (38) bestimmt wird, ist es möglich, die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 9 auszulöschen, ohne von den Widerstandswerten der Arme der Brücke 9 für jeden der Meßpunkte in den Klammern der Gleichung (38) abhängig zu sein. Außerdem kann eine Verringerung in der Empfindlichkeit infolge der Gesamtwiderstandswerte r der Leitungen 2 in den gleichen Armen wie die Dehnungsmeßvorrichtungen 1 ebenfalls aufgehoben werden. Folglich wird die Verformung &epsi; für jeden der Meßpunkte sehr genau gemessen. Da es außerdem nicht erforderlich ist, daß die Widerstandswerte der Arme der Brücke 9 sehr genau sind, können die Dehnungsmeßvorrichtungen 1 und die Meßeinheit 49 relativ kostengünstig hergestellt werden.
Bei der vierten Ausführungsform wird das Verfahren zum Messen der mechanischen Spannung von einer Multispot- Dehnungsmeßvorrichtung gemäß dem Einzelmeßvorrichtung- Dreileiter-Verfahren durchgeführt. Die Prinzipien der vierten Ausführungsform sind jedoch ebenfalls auf ein Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter-Verfahren oder ein Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy"-Verfahren anwendbar.
In jeder der ersten bis vierten Ausführungsformen wird die Spannung V&sub3; über den Arm mit den Widerständen 5 der Brücken 7, 9, 13 erfaßt, und die Gleichung (38) wird mit der erfaßten Spannung V&sub3; berechnet. Eine Spannung V&sub4; über dem Arm mit dem Widerstand 6 der Brücken 7, 9, 13 kann jedoch erfaßt werden, und die Berechnung in den Klammern der Gleichung (38) kann mit der erfaßten Spannung V&sub4; gemäß der Gleichung (30) durchgeführt werden. Alternativ können beide Spannungen V&sub3;, V&sub4; erfaßt werden, und die Berechnung in den Klammern der Gleichung (38) kann mit den erfaßten Spannungen V&sub3;, V&sub4; gemäß der Gleichung (31) durchgeführt werden. Wenn beide Spannungen V&sub3;, V&sub4; erfaßt werden, dann kann die Summe (V&sub3; + V&sub4;) der erfaßten Spannungen V&sub3;, V&sub4; als der Wert der an die Brücken 7, 9, 13 für die Berechnung der Gleichung (38) gelieferten Leistungsversorgungsspannung V verwendet werden.
Die Spannung V&sub4; über den Arm mit dem Widerstand 6 der Brücken 7, 9, 13 kann auf die gleiche Art und Weise wie die Spannung V&sub3; über den Arm mit dem Widerstand 5 wie folgt erfaßt werden: Das Potential an der Signalecke O&sub2; der Brücken 7, 9, 13 wird durch den Ausgangsanschluß 28 an den Verstärker 33 angelegt, und das Potential an der Leitungsecke 11 der Brücken 7, 9, 13 wird durch einen Schalter (nicht gezeigt) und der Ausgangsanschlüsse 27 an den Verstärker 33 angelegt.
Bei jedem der ersten bis vierten Ausführungsformen wird die Spannung V&sub3; über den Arm mit dem Widerstand 5 der Brücken 7, 9, 13 erfaßt. Die Widerstandswerte R&sub3;, R&sub4; der Widerstände 5, 6 der Brücken 7, 9, 13 können jedoch in dem Speicher 36 gespeichert sein, und die Verformung &epsi; kann mit den gespeicherten Widerstandswerten R&sub3;, R&sub4; gemäß der Gleichung (23) bestimmt werden. Bei diese Alternative ist es nicht notwendig, die Spannung V&sub3; über den Arm mit dem Widerstand 5 oder die Spannung V&sub4; über den Arm mit dem Widerstand 6 zu erfassen. Wenn die Widerstandswerte R&sub3;, R&sub4; der Widerstände 5, 6 einander gleich sind, dann kann die Berechnung in den Klammern der Gleichung (23) gemäß der rechten Seite der Gleichung (25) ohne Verwenden der Daten der Widerstandswerte R&sub3;, R&sub4; durchgeführt werden. Ferner kann, wenn die an die Brücken 7, 9, 13 angelegte Leistungsversorgungsspannung V = 2 (V) ist und der Dehnungsfaktor K der Dehnungsmeßvorrichtung 1 K = 2 ist, die Berechnung in den Klammern der Gleichung (23) gemäß der rechten Seite der Gleichung (26) durchgeführt werden.
Ein Verfahren zum Messen der Verformung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Fig. 11 und 6 beschrieben. Das Verfahren des Messens der mechanischen Spannung gemäß der fünften Ausführungsform wird von einer Dehnungsmeßeinrichtung durchgeführt, die mit der in Fig. 6 gezeigten Dehnungsmeßeinrichtung identisch ist, die das Verfahren des Messens der mechanischen Spannung gemäß der ersten Ausführungsform basierend auf der Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter-Verfahren durchführt. Auf die in Fig. 6 gezeigte Dehnungsmeßeinrichtung 20 wird in der Beschreibung des Verfahrens zum Messen der mechanischen Spannung gemäß der fünften Ausführungsform Bezug genommen.
Gemäß der fünften Ausführungsform werden die Widerstandswerte R&sub2;, R&sub3;, R&sub4; der Widerstände 4, 5, 6 der Meßeinheit 23 durch R&sub0; = R&sub2; = R&sub3; = R&sub4; dargestellt, wobei R&sub0; der Bezugswiderstandswert der Dehnungsmeßvorrichtung 1 ist. Ferner wird gemäß der fünften Ausführungsform der in dem Objekt entwickelte Verformung &epsi; gemäß der folgenden Gleichung (39) mit dem von der Gleichung (33) bestimmten &epsi;p und dem von der Gleichung (34) bestimmten Wert &epsi;&sub0; bestimmt. Der Speicher 36 speichert die in Fig. 11 gezeigte Verarbeitungssequenz, um den Controller 35 zu befähigen, den obigen Berechnungsprozeß durchzuführen.
Die Berechnung der Gleichung (39) ist die gleiche wie die Berechnung des Ausdrucks in den größeren Klammern auf der rechten Seite der Gleichung (23) gemäß der Gleichung (37). Anders ausgedrückt, die Berechnung der Gleichung (39) ist die gleiche wie die Bestimmung des Werts &epsi;b, der erhalten wird, wenn der von der Gleichung (37) erzeugte Wert &epsi;a (für die Berechnung der Gleichung (37) verwendete &epsi;p, &epsi;&sub0; werden jeweils von den Gleichungen (33), (34) bestimmt) mit (R&sub0; + r)/R&sub0; multipliziert wird (wobei r = ra1 + ra2), als die Verformung &epsi;.
Weitere Einzelheiten des Verfahrens des Messens der Verformung gemäß der fünften Ausführungsform sind mit denjenigen des Verfahrens der Messung der Verformung gemäß der ersten Ausführungsform identisch.
Bei dem Verfahren des Messens der Verformung gemäß der fünften Ausführungsform mit der Dehnungsmeßeinrichtung 20 wie bei der ersten Ausführungsform werden vor einem Dehnungsmeßprozeß die Werte des Dehnungsfaktors K und des Bezugswiderstandswerts R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1, die an die Brückenleistungsversorgung 32 anzulegende Leistungsversorgungsspannung V an die Brücke 7 und der Gesamtwiderstandswert r(= ra1 + ra2) der Zuleitungen 2, 3 (in dem gleichen Arm wie die Dehnungsmeßvorrichtung 1), die mit der Dehnungsmeßvorrichtung 1 verbunden sind, an den Speicher 36 geliefert und in diesem gespeichert.
Ferner werden, wie bei de ersten Ausführungsform eine nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 7 und eine Ausgangsspannung e der Brücke 7 bei der Messung der mechanischen Spannung an den Speicher 36 geliefert und in diesem gespeichert. Bei der fünften Ausführungsform ist es jedoch nicht notwendig, die Spannung V&sub3; über den Arm mit dem Widerstand 5 der Brücke 7 zu erfassen und zu speichern.
Der Controller 35 führt dann die in Fig. 11 gezeigte Verarbeitungssequenz aus, die in dem Speicher 36 gespeichert ist, zum Bestimmen der Verformung e aus den obigen erfaßten Daten und der Daten, wie beispielsweise des Dehnungsfaktors K, die in dem Speicher 36 gespeichert sind.
Insbesondere liest der Controller 35 die Daten der an die Brücke 7 anzulegenden Leistungsversorgungsspannung V, des Dehnungsfaktors K der Dehnungsmeßvorrichtung 1, des Bezugswiderstandswerts R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1, des Gesamtwiderstandswerts r (= ra1 + ra2) der Zuleitungen 2, 3, die nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 7 und die Ausgangsspannung e der Brücke 7 bei der Messung der mechanischen Spannung aus dem Speicher 36 bei Schritt 11-1.
Dann berechnet der Controller 35 die Gleichung (33), basierend auf den Daten der Leistungsversorgungsspannung V, das Dehnungsfaktors K, der nicht ausgeglichen Anfangsausgangsspannung e&sub0; und der Ausgangsspannung e, um dadurch einen Wert &epsi;p bei Schritt 11-2 zu bestimmen. Der Wert &epsi;p ist für die Verformung e darstellend, die gemäß der Gleichung (10) bestimmt wurde, da er imstande ist, die nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 7 gemäß dem oben beschriebenen herkömmlichen Dehnungsmeßverfahren aufzuheben.
Der Controller 35 berechnet dann die Gleichung (34), basierend auf den Daten der Leistungsversorgungsspannung V, des Dehnungsfaktors K und der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0;, um dadurch einen Wert &epsi;&sub0;, bei Schritt 11-3 zu bestimmen. Der Wert &epsi;&sub0; ist für die scheinbare Verformung &epsi;&sub0; darstellend, die als der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 7 gemäß dem oben beschriebenen herkömmlichen Dehnungsmeßverfahren zu entsprechen, bestimmt wurde.
Der Controller 35 berechnet dann die Gleichung (39), basierend auf den Daten der Werte &epsi;p, &epsi;&sub0;, dem Dehnungsfaktor K, dem Bezugswiderstandswert R&sub0; und dem Gesamtwiderstandswert r(= ra1 + ra2), um dadurch die Verformung &epsi; bei Schritt 11-4 zu bestimmen. Der Controller 35 zeigt die bestimmte Verformung &epsi; auf der Anzeigeeinheit 37 an.
Bei der fünften Ausführungsform kann, wie bei der ersten Ausführungsform, die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 7 geeignet aufgehoben werden, und eine Verringerung der Empfindlichkeit infolge des Gesamtwiderstandswerts r( = ra1 + ra2) der Zuleitungen 2, 3 in dem gleichen Arm wie die Dehnungsmeßvorrichtung 1 der Brücke 7 kann ebenfalls aufgehoben werden. Die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 7 kann geeignet durch Durchführen der Berechnung in den Klammern der Gleichung (39) aufgehoben werden, d. h. die Berechnung der Gleichung (37), mit den Werten &epsi;p, &epsi;&sub0;, die gemäß dem herkömmlichen Dehnungsmeßverfahren erhalten wurden. Daher kann die Dehnungsmeßvorrichtung die mechanische Spannung einfach durch geringfügiges Modifizieren der von dem herkömmlichen Dehnungsmeßvorrichtung verwendeten Verarbeitungssequenz sehr genau messen.
Bei der fünften Ausführungsform ist es nicht notwendig, die Spannung V&sub3; über den Arm mit dem Widerstand 5 der Brücke 7 zu erfassen. Folglich kann man ohne die Schalter 29, 30 auskommen, und der Ausgangsanschluß 27 kann nur mit der Signalecke O&sub2; der Brücke 7 verbunden sein.
Das Verfahren des Messens der Verformung gemäß der fünften Ausführungsform wurde beispielhaft mit Bezug das Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren beschrieben. Gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren oder dem Zweileiter-"Common-Dummy"-Verfahren kann die Verformung &epsi; ebenfalls durch die Gleichung (39) bestimmt werden, während die Wirkung der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; und eine Verringerung in der Empfindlichkeit infolge der Widerstandswerte der Zuleitungen 2, 3 aufgehoben wird. In diesem Fall werden die Widerstandswerte der Arme der Brücke 9, 13 durch R&sub0; = R&sub2; = R&sub3; = R&sub4; gemäß der Einzelmeßvorrichtung- Dreileiter-Verfahren und durch R&sub0; = Rd = R&sub3; = R&sub4; gemäß dem - Zweileiter-"Common-Dummy"-Verfahren wie bei dem Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter-Verfahren dargestellt.
Bei jeder der ersten bis fünften Ausführungsform wird eine Verringerung in der Empfindlichkeit infolge des Widerstandswerts r der Zuleitung (die Zuleitungen 2, 3 gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter-Verfahren und dem Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy"-Verfahren und der Zuleitung 2 gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren) in dem gleichen Arm wie die Dehnungsmeßvorrichtung 1 der Brücken 7, 9, 13 aufgehoben. Wenn jedoch der Widerstandswert r der Zuleitung ausreichend kleiner als der Bezugswiderstandswert R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1 ist, kann die Verformung &epsi; durch die Gleichung (24), die Gleichungen (29) - (30) oder die Gleichung (37) bestimmt werden.
In jeder der ersten bis fünften Ausführungsform wird der Wert des Verhältnisses (R&sub0; + r)/R&sub0; zum Aufheben einer Verringerung in der Empfindlichkeit infolge des Widerstandswerts r der in dem gleichen Arm wie die Dehnungsmeßvorrichtung 1 positionierten Zuleitung direkt mit dem Bezugswiderstand R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1 und dem Widerstandswert r der Zuleitung bestimmt. Der Wert des Verhältnisses (R&sub0; + r)/R&sub0; kann jedoch wie folgt bestimmt werden: Wenn keine Verformung von der Dehnungsmeßvorrichtung 1 gemessen wird, werden eine von der Dehnungsmeßvorrichtung 1 erzeugte Spannung VG, wenn die Leistungsversorgungsspannung V an der Brücken 7, 9, 13 anliegt wird, und eine über der Zuleitung in dem gleichen Arm wie die Dehnungsmeßvorrichtung 1 erzeugte Spannung Vr gemessen. Dann ist der Wert eines Verhältnisses (VG + Vr) geteilt durch VG basierend auf diesen gemessenen Spannungen VG, Vr der Wert des Verhältnisses (R&sub0; + r)/R&sub0; zum Aufheben einer Verringerung in der Empfindlichkeit infolge des Widerstandswerts r der Zuleitung.
Bei den zweiten und vierten Ausführungsformen wird der Widerstandswert ra1 der Zuleitung 2 basierend auf dem Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren als der Widerstandswert r der in dem gleichen Arm wie die Dehnungsmeßvorrichtung 1 positionierten Zuleitung verwendet. Da im allgemeinen die mit der Dehnungsmeßvorrichtung 1 verbundenen Zuleitungen 2, 3 von der gleichen Länge und von der gleichen Drahtart sind, sind ihre Widerstandswerte ra1, ra2 im wesentlichen einander gleich. Daher kann bei den zweiten und vierten Ausführungsformen basierend auf dem Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren der Wert r/2 einer Hälfte des Gesamtwiderstandswerts r(= ra1 + ra2) der Zuleitungen 2, 3 als der Widerstandswert r der in dem gleichen Arm wie die Dehnungsmeßvorrichtung positionierten Zuleitung verwendet werden.
Bei jeder der ersten bis fünften Ausführungsform bestimmt das Verfahren zum Messen der mechanischen Spannung die Verformung &epsi; in ihrem ursprünglichen Sinne. Die mechanische Spannung kann jedoch durch Multiplizieren der gemäß der Gleichung (38) oder (39) berechneten Verformung &epsi; mit dem Young'schen Moduls E des Objektes bestimmt werden, an dem die Dehnungsmeßvorrichtung 1 angelegt ist.
Ein Verfahren zum Messen mechanischer Spannung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Fig. 12 und 13 beschrieben.
Wie es in Fig. 12 gezeigt ist, umfaßt ein Dehnungsmeßsystem, das verwendet wird, um das Verfahren des Messens der mechanischen Spannung gemäß der sechsten Ausführungsform durchzuführen, eine Dehnungsmeßeinrichtung 41 zum Durchführen der in Fig. 8 gezeigten Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter- Verfahrens und einen Personal Computer 53. Der Personal Computer 53 ist durch ein Kommunikationskabel mit der Schnittstelle 39 (siehe Fig. 8) der Steuereinheit 24 der Dehnungsmeßeinrichtung 41 zum Kommunizieren mit der Steuereinheit 24 verbunden. Der Personal Computer 53 kann ein gewöhnlicher Personal Computer oder eine Workstation sein.
Der Controller 35 (siehe Fig. 5) der Steuereinheit 24 überträgt die in dem Speicher 36 gespeicherten Daten, die die nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 9, die Spannung V&sub3; über den Arm mit dem Widerstand 5 der Brücke 9 und die Ausgangsspannung e der Brücke 9 bei der Messung der mechanischen Spannung angibt, an den Personal Computer 53.
Bei der sechsten Ausführungsform ist es für die Dehnungsmeßeinrichtung 51 nicht erforderlich, die Verformung &epsi; zu berechnen. Daher ist es für den Speicher 36 nicht erforderlich, das Programm zum Berechnen der Gleichung (38) und der Daten des Dehnungsfaktors K und des Bezugswiderstandswerts R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1, die an die Brücke 9 anzulegende Leistungsversorgungsspannung V und der Widerstandswert ra1 (= r) der Zuleitung 2 zu speichern, die in der Berechnung der Gleichung (38) verwendet werden.
Der Personal Computer 53 umfaßt eine Anzeigeeinheit 55, eine Tastatur 56 und einen Slot bzw. chlitz 57 zum Einführen einer Floppy-Disk (nachstehend als ein "FD Slot 57" bezeichnet. Der Personal Computer 53 kann mit den Daten der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e0 der Brücke 9, der Spannung V&sub3; über den Arm mit dem Widerstand 6 der Brücke 9 und der Ausgangsspannung e der Brücke 9 bei der Messung der mechanischen Spannung durch das Kommunikationskabel 54 beliefert werden. Die Daten des Dehnungsfaktors K und des Bezugswiderstandswerts R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1, die an die Brücke 9 anzulegende Leistungsversorgungsspannung V und der Widerstandswert ra1 (= r) der Zuleitung 2 können in den Personal Computer 53 durch die Tastatur 56 eingegeben werden.
Eine Floppy-Disk 58 wird als ein Aufzeichnungsmedium verwendet, das ein Applikationsprogramm zum Befähigen des Personal Computers 53 speichert, um eine Analyse der Messung der mechanischen Spannung einschließlich der in Fig. 13 gezeigten Verarbeitungssequenz durchzuführen.
Das in Fig. 12 gezeigte Dehnungsmeßsystem arbeitet wie folgt: Nachdem ein von der Dehnungsmeßeinrichtung 41 durchgeführter Dehnungsmeßprozeß beendet ist, wird die Dehnungsmeßeinrichtung 41 mit dem Personal Computer 53 durch das Kommunikationskabel 54 verbunden. Die Floppy-Disk 58 wird in den FD Slot 57 eingeführt, und das indem FD Slot 57 gespeicherte Applikationsprogramm wird gestartet.
Das Applikationsprogramm befähigt den Personal Computer 53, den folgenden Prozeß auszuführen:
Wie es in Fig. 13 gezeigt ist, befähigt das Applikationsprogramm den Personal Computer 53, eine Aufforderung anzuzeigen, um den Dehnungsfaktor K und den Bezugswiderstandswert R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1, die an die Brücke 9 anzulegende Leistungsversorgungsspannung V und den Widerstandswert ra1(= r) der Zuleitung 2 auf der Anzeigeeinheit 55 bei Schritt 13-1 anzuzeigen.
Wenn die Daten durch die Tastatur 56 als Antwort auf die angezeigte Aufforderung eingegeben sind, steuert das Applikationsprogramm den Personal Computer 53, um die Daten der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke 9 und der Spannung V&sub3; über den Arm mit dem Widerstand 5 der Brücke 9, die in dem Speicher 36 gespeichert sind, durch das Kommunikationskabel 54 bei Schritt 13-2 zu lesen.
Das Applikationsprogramm ermöglicht es ferner dem Personal Computer 53, die Daten einer Folge von Ausgangsspannungen e der Brücke 9, die zu unterschiedlichen Zeiten erfaßt werden, bei der Messung aus dem Speicher 36 in Schritt 13-3 zu lesen.
Das Applikationsprogramm ermöglicht es dann dem Personal Computer 53, die Berechnung der Gleichung (38) basierend auf den in den Personal Computer 53 bei Schritt 13-1 eingelesenen Daten und der in den Personal Computer 53 in den Schritten 13-2, 13-3 eingelesenen Daten durchzführen, um dadurch die den jeweiligen Daten der Ausgangsspannungen e der Brücke 9 entsprechenden Verformungen &epsi; bei Schritt 13-4 zu berechnen.
Danach veranlaßt das Applikationsprogramm den Personal Computer 53, die Daten der berechneten Verformungen &epsi; zu analysieren und die berechneten Verformungen e auf der Anzeigeeinheit 55 anzuzeigen. Da das Applikationsprogramm in der Floppy-Disk 58 gespeichert ist, die tragbar ist, kann der Dehnungsmeßvorrichtungsprozeß in einem breiten Bereich von Applikationen mit dem Personal Computer 53 durchgeführt werden.
Während die Floppy-Disk 58 als ein Aufzeichnungsmedium bei der veranschaulichten Ausführungsform verwendet wird, kann ein weiteres Aufzeichnungsmedium, wie beispielsweise ein CD- ROM oder dergleichen zum Speichern des Applikationsprogramms verwendet werden.
Bei der sechsten Ausführungsform werden die Daten von der Dehnungsmeßeinrichtung 41 an den Personal Computer 53 durch das Kommunikationskabel 54 übertragen. Die Daten können jedoch auf einem Aufzeichnungsmedium, wie beispielsweise einer Floppy-Disk oder dergleichen, durch die Dehnungsmeßeinrichtung 51 aufgezeichnet werden, und die Daten können an den Personal Computer 53 durch das Aufzeichnungsmedium übertragen werden.
Bei der sechsten Ausführungsform wird die Dehnungsmeßeinrichtung 41 zum Messen der mechanischen Spannung gemäß dem Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter-Verfahren dargestellt. Das das Applikationsprogramm speichernde Aufzeichnungsmedium kann jedoch in Kombination mit der Dehnungsmeßvorrichtung basierend auf dem Einzelmeßvorrichtung-Zweileiter-Verfahren sowie der Dehnungsmeßvorrichtung basierend auf dem Zweimeßvorrichtung- "Common-Dummy"-Verfahren verwendet werden. Ferner kann die Dehnungsmeßeinrichtung 48 als die Multispot- Dehnungsmeßvorrichtung die mechanische Spannung mit dem Aufzeichnungsmedium messen, das das Applikationsprogramm speichert, das von einem Personal Computer ausgeführt werden kann.
Bei der sechsten Ausführungsform wird die Verformung &epsi; gemäß der Gleichung (38) berechnet. Wenn jedoch die Spannung V&sub4; über den Arm mit dem Widerstand 6 der Brücken 7, 9 von der Dehnungsmeßvorrichtung erfaßt wird, dann kann das Applikationsprogramm zum Durchführen der Berechnung in den Klammern der Gleichung (38) gemäß der Gleichung (30) in dem Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet sein. Ferner kann, wenn sowohl die Spannung V&sub3; über dem Arm mit dem Widerstand 5 und die Spannung V&sub4; über dem Arm mit dem Widerstand 6 der Brücken 7, 9, 13 von der Dehnungsmeßvorrichtung erfaßt werden, ein Applikationsprogramm zum Durchführen der Berechnung in den Klammern der Gleichung (38) gemäß der Gleichung (31) in dem Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet sein.
Wenn jedoch weder die Spannung V&sub3; noch die Spannung V&sub4; erfaßt wird, dann kann ein Applikationsprogramm zum Eingeben der Widerstandswerte R&sub3;, R&sub4; der Widerstände 5, 6 in den Personal Computer und zum Bestimmen der Verformung &epsi; gemäß der Gleichung (23) in dem Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet sein.
Bei der sechsten Ausführungsform wird die Verformung gemäß der Gleichung (38) berechnet. Wenn jedoch die Widerstandswerte R&sub2; - R&sub4; der Widerstände 4-6 der Brücken 7, 9 gemäß dem Einzelmeßvorrichtungs-Verfahren gleich dem Bezugswiderstandswert R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung 1 sind, und die Bezugswiderstandswerte R&sub0; der Dummy-Meßvorrichtung 10 und der Widerstandswerte R&sub3;, R&sub4; der Widerstände 5, 6 der Brückenschaltung 13 gemäß dem Zweimeßvorrichtung-"Common- Dummy"-Verfahren gleich dem Bezugswiderstandswerten 1% der Dehnungsmeßvorrichtung 1 sind, dann wird, wie bei der fünften Ausführungsform, ein Applikationsprogramm zum Bestimmen der Verformung &epsi; gemäß der Gleichung (39) - und nicht Gleichung (38) - sein, z. B. wird ein Applikationsprogramm in dem Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet sein, bei dem die in Fig. 13 gezeigte Verarbeitung von Schritt 13-4 durch die in Fig. 11 gezeigte Verarbeitung mit Schritt 11-2 bis Schritt 11-4 ersetzt ist.
Bei der sechsten Ausführungsform wird die Verformung &epsi; in ihrem ursprünglichen Sinne gemessen. Die Belastung kann jedoch mit dem Personal Computer gemessen werden, wenn ein Applikationsprogramm zum Eingeben des Young'schen Moduls E und zum Multiplizieren der berechneten Verformung &epsi; mit dem Young'schen Modul E in dem Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet ist.

Claims

1. Verfahren zum Messen einer mechanischen Spannung eines Objektes mit einer Brücke, die in einem ihrer Arme eine Dehnungsmeßvorrichtung aufweist, die an das Objekt zum Erzeugen einer Widerstandswertänderung abhängig von der in dem Objekt erzeugten mechanischen Spannung angelegt wird, und Widerständen in ihren jeweiligen verbleibenden drei Armen, wobei die Widerstände jeweilige Widerstandswerte unabhängig von der in dem Objekt entwickelten mechanischen Spannung aufweisen, wobei die Brücke ein jeweiliges Leistungseckenpaar, das an einem Paar diagonal entgegengesetzter Verbindungsstellen ist, und ein jeweiliges Signaleckenpaar, das an einem anderen Paar diagonal entgegengesetzter Verbindungsstellen ist, aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

Erfassen einer Ausgangsspannung zwischen den Signalecken als eine nicht ausgeglichene Anfangsausgangsspannung e&sub0; der Brücke, während keine mechanischen Spannung durch die Dehnungsmeßvorrichtung erfaßt wird;

Anlegen einer Leistungsversorgungsspannung zwischen den Leistungsecken der Brücke und Erfassen einer Ausgangsspannung e zwischen den Signalecken, um eine mechanische Spannung des Objekts zu erfassen;

Messen der in dem Objekt entwickelten mechanischen Spannung basierend auf einem Wert &epsi;a, der mit der erfaßten Ausgangsspannung e und der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0; gemäß der folgenden Gleichung (1) bestimmt wird:

wobei V die zwischen den Leistungsecken der Brücke angelegte Leistungsversorgungsspannung, K der Eichfaktor der Dehnungsmeßvorrichtung, R&sub3; der Widerstandswert des Widerstands in dem Arm der Brücke ist, der dem Arm mit der Dehnungsmeßvorrichtung gegenüberliegt, und R&sub4; der Widerstandswert des Widerstands in dem Arm der Brücke ist, der über einer der Leistungsecken benachbart zu dem Arm mit der Dehnungsmeßvorrichtung positioniert ist.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Brücke eine Brücke basierend entweder auf einem Einzelmeßvorrichtung- Zweileiter-Verfahren, einem Einzelmeßvorrichtung-Dreileiter- Verfahren oder einem Zweimeßvorrichtung-"Common-Dummy"- Verfahren umfaßt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Widerstandswert R&sub3; des Widerstands in dem Arm der Brücke, der dem Arm mit der Dehnungsmeßvorrichtung gegenüberliegt, und der Widerstandswert R&sub4; des Widerstands in dem Arm der Brücke, der über eine der Leistungsecken benachbart zu dem Arm mit der Dehnungsvorrichtung positioniert ist, im wesentlichen einander gleich sind.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die zwischen den 5 Leistungsecken der Brücke angelegte Leistungsversorgungsspannung V im wesentlichen 2 (V) und der Eichfaktor K der Dehnungsmeßvorrichtung im wesentlichen 2 ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner mit folgenden Schritten:

während die Leistungsversorgungsspannung V zwischen den Leistungsecken der Brücke anliegt, Erfassen mindestens einer Spannung V&sub3;, die über dem Arm der Brücke erzeugt wird, der dem Arm mit der Dehnungsmeßvorrichtung gegenüberliegt, und einer Spannung V&sub4;, die über dem Arm der Brücke erzeugt wird, der über eine der Leistungsecken benachbart zu dem Arm mit der Dehnungsmeßvorrichtung positioniert ist; und

Berechnen der Gleichung (1) mit der erfaßten Spannung V&sub3; oder V&sub4; gemäß einer der folgenden Gleichungen (2), (3) und (4):

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem alle Widerstandswerte der Widerstände in den jeweiligen verbleibenden drei Armen der Brücke, die von dem Arm mit der Dehnungsmeßvorrichtung verschieden sind, im wesentlichen gleich dem Bezugswiderstand der Dehnungsmeßvorrichtung sind, wenn keine mechanische Spannung durch die Dehnungsmeßvorrichtung erfaßt wird, ferner mit folgenden Schritten:

Berechnen der folgenden Gleichung (5) mit der Ausgangsspannung e, die zwischen den Signalecken erzeugt wird, wenn die mechanische Spannung gemessen wird, und der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0;;

Berechnen der folgenden Gleichung (6) mit der nicht ausgeglichenen Anfangsausgangsspannung e&sub0;; und

Berechnen der folgenden Gleichung (1) mit einem durch die Gleichung (5) bestimmten Wert &epsi;p und einem durch die Gleichung (6) bestimmten Wert &epsi;&sub0;, gemäß der folgenden Gleichung (7):

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüchen 1 bis 6, bei dem die Dehnungsmeßvorrichtung mit den Widerständen durch ein Paar von mit den jeweiligen Anschlüssen der Dehnungsmeßvorrichtung verbundenen Zuleitungen verbunden ist, wobei mindestens eine der Zuleitungen in dem gleichen Arm wie die Dehnungsmeßvorrichtung plaziert ist, ferner mit folgendem Schritt:

Messen der in dem Objekt entwickelten mechanischen Spannung basierend auf einem Wert &epsi;b, der durch Multiplizieren des bestimmten Werts &epsi;a mit einem Verhältnis (R&sub0; + r)/R&sub0; der Summe (R&sub0; + r) des Bezugswiderstands R&sub0; der Dehnungsmeßvorrichtung, wenn keine mechanische Spannung durch die Dehnungsmeßvorrichtung erfaßt wird, und dem Gesamtwiderstand r der in dem gleichen Arm wie die Dehnungsmeßvorrichtung plazierten Zuleitung zu dem Bezugswiderstandswert R&sub0;, erzeugt wird.