DE870041C

DE870041C - Vorrichtung zur Messung mechanischer Verformungen

Info

Publication number: DE870041C
Application number: DEG6175A
Authority: DE
Inventors: Abraham I Dranetz; Glenn N Howatt
Original assignee: Sodet Soc D Echanges Tech
Current assignee: Sodet Soc D Echanges Tech
Priority date: 1950-06-01
Filing date: 1951-05-27
Publication date: 1953-03-09

Description

Vorrichtung zur Messung mechanischer Verformungen Die Erfindung betrifft Vorrichtungen, welche auf mechanische Verformungen ansprechen, insbesondere solche, welche elektrische Wirkungen zur Messung von Einfach- oder Vielfachimpulsen erzeugen.
Bisher erfolgte die Messung von mechanischen Impulsen sowohl durch mechanische wie elektrische Mittel, welche jedoch in vielen Fällen zu wünschen übrig ließen.
Die mechanischen Mittel sind gewöhnlich zu unempfindlich, selbst wenn sie teuer und so fein ausgebildet sind, daß sie sich leicht verstellen.
Ferner sind sie nicht ganz zuverlässig, da ihre Charakteristik von verschiedenen Faktoren beeinflußt werden kann, wie I(orrosion, Abnutzung, Verschmutzung und atmosphärischen Bedingungen.
Schließlich ist die Anwendung mechanischer Vorrichtungen infolge ihres grundsätzlichen Aufbaus auf Stellungen beschränkt, in welchen sie tatsächlich arbeiten können.
Bisher bekannte elektrische Vorrichtungen zur Messung feiner mechanischer Impulse weisen ebenfalls einige der Nachteile der mechanischen Vorrichtungen auf. Sie verwenden eine äußere Spannungsquelle, wodurch die Anwendung der Vorrichtungen kompliziert wird. Ferner erfordern sie komplizierte elektrische Systeme und kostspielige Anlagen. Die den Gegenstand der Erfindung bildende Vorrichtung, von der einige Ausfü'hrungsbeispiele weiter unten beschrieben sind, ist äußerst einfach, sehr klein und leicht. Sie kann an das zu verformende Organ angelegt werden oder einen Teil desselben bilden, und kann so geformt werden, daß sie sich dem verfügbaren Platz anpaßt.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Herstellung einer auf mechanische Velfor,mungen ansprechenden Vorrichtung s äußerster Einfachheit, welche gleichzeitig geringe Abmessungen und ein niedriges Gewicht aufweist.
Die Erfindung bezweckt ferner die Herstellung derartiger Vorrichtungen, welche unmittelbar an das zu verformende Organ angelegt werden oder einen Teil,desselb,en bilden können und so geformt werden können, daß sie in der günstigsten Weise und in der günstigsten Stellung angebracht werden können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet elektisch, erzeugt selbst eine Spannung und hat eine große Einheitskapazitanz und eine niedrige Impedanz. Sie kann für eine direkte Ablesung bei der Messung eines Impulses ausgebildet werden und ist äußerst empfindlich, so daß sehr geringe Unterschiede richtig angezeigt werden. Sie ist unempfindlich gegen atmosphärische Bedingungen, und obwohl sie für eine direkte Ablesung eingerichtét werden kann, können die erzeugten Spannungen, falls dies gewünscht wird, über einfache elektrische Kreise einem geeigneten Registriergerät zugeführt werden.
Die Erfindung bezweckt somit ferner die Herstellung von elektrisch arbeitenden, auf mechanische Verformungen ansprechenden Vorrichtungen, welche hochempfindlich sind, selbst eine Spannung erzeugen, eine große Einheitskapazitanz und eine niedrige Impedanz haben.
Die Erfindung bezweckt ferner die Herstellung derartiger Vorrichtungen, welche eine unmittelbare Anzeige der zu messenden Impulse ergeben, welche -jedoch, falls gewünscht, für die Betätigung eines Registriergeräts verwendet werden kann.
Die Erfindung bezweckt -ferner die Herstellung derartiger Vorrichtungen, welche - gegen atmosphärische Bedingungen unempfindlich sind.
Weitere Besonderheiten der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung hervorgehen, welche auf- die-Zeich-nung Bezug nimmt.
Fig. I ist eine schaubildliche Ansicht eines erfindungsgemäßen Elements, welches an ein Organ angelegt ist, welches einer Beanspruchung ausgesetzt werden soll; Fig; 2 ist eirie.schaubìldliche Ansicht' einer leicht abgeänderten Form eines derartigen Elements; Fig. 3 ist eine schaubildliche Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche mehrere erfindungsgemäße Elemente enthält; Fig. 4 ist eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren erfindun,gsgemäßen Elementen für Beschleunigungsmessungen, und - Fig. 5 ist. eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Elementen.
Bariumtitanat enthalbendes keramisches Material kann durch Anlegung' einer geeigneten Spannung während - einer- geeigneten Zeit piezoelektrisch gemacht werden. - Ein so sensibilisiertes Material erzeugt eine elektrische Spannung, wenn es mechanisch verformt wird. Diese Spannung kann mit Hilfe von auf die Oberflächen des keramischen Körpers aufgelegten Elektroden ermittelt werden. Wenn somit dieser keramische Körper in geeigneter Weise, z. B. durch Aufkitten oder durchAuflöten, starr an einem einer mechanischen Beanspruchung zu unterwerfenden Organ befestigt wird, teilt sich die auf das Organ ausgeübte Beanspruchung dem keramischen Körper mit, so daß dieser eine elektrische Spannung erzeugt. Die Messung der Beanspruchung erfolgt durch Messung dieser Spannung. Fig. I zeigt die grundsätzliche Verwendung der Erfindung.
Bei dieser Ausführungsform ist' ein Teil eines einer Beansprtichung zu unterwerfenden Körpers schaubildlich bei I dargestellt. Dieser Körper hat eine obere glatte Fläche 2, auf welcher ein im ganzen mit 3 - bezeichneter Streifen aus Bariumtitanat in geeigneter Weise durch Auflöten oder eine andere Haftverbindung zwischen der Fläche 2 und der Unterseite des Elements 3 befestigt ist. Auf diese Weise wird jede von einer Beanspruchung herrührende Verformung des Körpers I mechanisch unmittelbar auf das Element 3 übertragen.
Da der Körper 4 des Elements 3 piezoelektrisch gemacht wurde, erzeugt er eine von der Verformung abhängige elektrische Spannung. Diese mit Hilfe geeigneter Elektroden abgenommene Spannung erzeugt einen Strom in einem Stromkreis, so daß die Beanspruchung des Elements 3 und somit die vergleichibare Beanspruchung des Körpers I unmittelbar abgelesen werden kann.
In Fig. I -sind die obere Fläche 5 des Elements 3 sowie die untere Fläche desselben in geeigneter Weise mit einem leitenden Metall überzogen, z. B.
Silber, wobei einen Teil des Ablesestromkreises bildende Leiter 6 und 7 von diesen Flächen ausgehen. Das Elemlent 3 erzeugt selbst eine elektrische Spannung, und obwohl das Element klein und leicht und infolgedessen äußerst einfach ist, erzeugt es ,eine meßbare Spannung und somit in einfacher Weise eine unmittelbare Anzeige.
Fig. 2 zeigt eine zwfeckmäßiEger,e Elektrodenanordnung für ein Element der bei 3 auf Fig. I dargestellten Art. Bei dieser Ausfü'hrungsXform besitzt das allgemein mit 8 bezeichnete Element einen keramischen Körperg sowie Leiter, welche von Seiten elektroden abgehen und hei4e von der Oberseite des Elements ausgehen. Dies wird dadurch erreicht, daß sich eine Elektrode 10 nicht ganz über die ganze Oberseitetdes keramischen Körpers erstreckt, während die untere Elektrode 11 über das Ende 12 hinausragt und noch' über ein Stück der oberen Fläche greift, so daß der Streifen 13 entsteht. Dieser Streifen 13 ist elektrisch von der Elektrode 10 durch einen nicht mit einem überzug versehenen Abschnitt 14 des keramischen Körpers getrennt, wobei natürlich das Ende 15 ebenfalls keinen Überzug aufweist. Man erhält so eine zweckmäßigere Ausführungsform, bei welcher die beiden Leiter I6 und 17 von den Belägen 10 bzw. I3 von der Oberfläche des keramischen Körpers g ausgehen.
Das Element 8 kann natürlich an einem einer Beanspruchung zu unterwerfenden Körper in derselben Weise befestigt werden wie das Element 3 der Fig. I.
Die Versilherung oder die Aufbringung eines anderen Elektrodenbelages auf den keramischen Körper g kann auf verschiedene Weise erfolgen. So kann z. B. nur die zu überziehende Fläche bestrichen werden, oder auch das ganze Element kann nach Abdeckung des Streifens 14 in eine den Überzug bildende Lösung getaucht werden, worauf der Überzug sowohl von den Längskanten des Körpers g als auch von dem Ende 15 entfernt wird.
Wie bereits ausgeführt, ist der erfindungsgemäße Beanspruchungsmesser hochempfindlich, erzeugt selbst eine Spannung, und hat eine große Kapazitanz. Infolgedessen ist die oben beschriebene Vorrichtung gut für die Messung der Amplitude, der Phase und der Frequenz bei der Untersuchung von Schwingungen von Körpern verwendbar. Bei einer nur beispielshalber angegebenen Anwendung kann das Element an einem Musikinstrument angebracht werden, z. B. an einem Glockenspiel. Bei dieser Verwendung kann das Element zur Ergänzung des Musikinstruments durch ein Verstärkungssystem benutzt werden, für welches es die Eingangsleistung liefert.
Die Kombination von zwei Elementen der oben bieschriebenen Art mit einem zwischen ihnen liegenden Metallstreifen liefert ein in Fig. 3 dargestelltes, auf Biegungen empfindliches Organ. Diese Darstellung der Erfindung betrifft eine Abnahmevorrichtung für einen Ballisto-Kardiographen. Auf diesem Gebiet benötigt man genaue Messungen kleiner Bewegungen, da es sich um die Anzeige der Bewegung des Körpers infolge der von dem Arbeiten des Herzens herrührenden Blutpulsationen handelt.
Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung umfaßt einen Halter mit einem Fuß 20 und einem Ständer.
21, an welchem ein seitlicher Arm 22 befestigt ist.
Die Außenkante 23 dieses Arms trägt ein an dieser befestigtes frei tragendes Element 24. Dieses Element erstreckt sich über eine gewisse Strecke frei nacrn unten und steht bei 25 mit der Kante der Querschiene 26 in Berührung, welche wieder - auf die schlaffen Schenkel des Patienten gelegt wird, um die Bewegung derselxben aufzunehmen. Die Lage der Querschiene 26 ist so eingestellt, daß sie sich mit einem leichten Druck gegen den frei tragenden Teil 24 bei 25 legt.
Zwischen den Stellen 23 und 25 trägt der frei tragende Metallteil 24 piezoelektrische keramische Elemente der oben beschriebeun Art, die in geeigneten Weise auf entgegengesetzten Seiten desselben angebracht sind. Diese im ganzen mit 36 und 37 hezeichneten Elemente tragen auf ihren Seiten 28 und 29 Beläge, welche Elektroden geeigneter Form und Gestalt bilden. Die Beläge auf den Seiten 28 und 29 sind bei 30 und 3I mit Leitern verbunden. Die Innenseiten 32 und 33 stehen in leitender Berührung mit dem Metallstreifen 24 und bilden eine gemeinsame Elektrode, auf welcher ein Leiter bei 34 abgeht. Die piezoelektrischen Elemente 36 und 37 sind so gegenüber dem Metallstreifen 24 angebracht, daß die Bewegung des Streifens in der durch den Pfeil A angegebenen Richtung eine positive Spannung in der Richtung 3I-34 und 34-30 erzeugt. Die Spannungen addieren sich somit. Sich addierende Spannungen entgegengesetzter Polarität werden erzeugt, wenn der Teil 24 in der durch den Pfeil B angegebenen Richtung gebogen wird. Es ist natürlich selbstverständlich, daß die Elemente 36 und 37 so geladen werden können, daß sie, anstatt sich addierende Spannungen zu ergeben, entgegengesetzte Spannungen bei einer Durchbiegung des Teils 24 liefern.
Die von der auf Biegungen ansprechenden Anordnung von Elementen erzeugten Spannungen können über geeignete elektrische Stromkreise einem auf diesem Gebiet gewöhnlich benutzten Registriergerät zugeführt werden. Ferner ist die Empfindlichkeit der Vorrichtung so groß, daß durch Hinzufügung oder Vertauschung einfacher elektrischer Stromkreise die Messung der Geschwindigkeit der Beinbewegung oder des Drucks der Beinpulsationen möglich wird.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Kombination von piezoelektrischen, auf Biegung ansprechenden Bariumtitanatelementen zur - Messung der Beschleunigung ist in Fig. 4 gezeigt. In dieser Figur besitzt der Körper 40, dessen Beschleunigung gemessen werden soll, eine obere Fläche 41, an welcher ein im ganzen mit 42 bezeichneter Beschleunigungsmesser angebracht ist.
Der Körper 43 dieses die Form einer Klammer hebenden Beschleunigungsmessers kann durch ein hohles Rechteck gebildet werden, welches auf einer Seite 44 einen zwischen zwei Endflächen 45 und 46 liegenden Ausschnitt aufweist. Ein auf Biegungen empfindliches Element mit einem gemeinsamen Belag 47 in Form einer flachen Platte oder eines Streifens aus Metall, gegen dessen gegenüberliegende Seiten piezoelektrische kerami-sche Platten 48 und 49 angelegt sind, ist in der Seite 44 so angebracht oder festgepreßt, daß die mittleren Teile der keramischen Platten zwischen den Enden 45 und 46 liegen. Diese Anbringung oder Festpressung kann mittels eines geeigneten elastischen Materials erfolgen, z. B. mit Hilfe von Gummipolstern 50 und 5I, oder durch andere geeignete Mittel. Bei einer Erschütterung des Teils 40 werden die Erschütterungen durch den Körper 43 und die Klemmpolster 50 und 51 auf den mittleren Teil des Biegungselements übrtragen. Infolge der Verteilung der Masse dieses Biegungselements wird bei jeder Veränderung und Verschiebung eine Biegungskraft auf dieses ausgeübt. Diese Biegungswirkung wird infolge der piezoelektrischen Eigenschaften der Elemente 48 und 49 in eine elektrische Spannung umgeformt. Eine derartige Spannung kann dadurch abgenommen werden, daß der gemeinsame Belag 47 als ein Leiter oder Elektrode benutzt wird, wobei eine andere Elektrode- auf der Außen&eite eines jeden der Elemente 48 und 49 vorgesehen wird. Auch hier sind die geringe Größe und die Einfachheit des Biegungselements sowie die tatsache, daß/ es selbst eine Spannung erzeugt und seine hohe Empfindlichkeit sowie seine hohe Resonanzfrequenz äußerst vorteilhaft im Vergleich mit früheren Systemen.
Zur Dämpfung der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung können verschiedene Methoden benutzt werden.
Man kann das empfindliche Element oder auch die ganze Vorrichtung in Siliciumöl oder ein anderes zähflüssilges Fluidum bringen. Bei dieser Anordnung ist es natürlich zweckmäßig, die durch Temperaturschwankungen bewirkten Druckänderungen des Fluidums auszugleichen. Dies kann durch geeignete Druckausgleichsvorrichtungen erfolgen.
Eine andere Methode der Anbringung sowie eine andere Ausbildung des Biegungselements sind in Fig. 5 gezeigt. In dieser Figur weist das Biegungselement eine Vielfachbauart auf und umfaßt einen flachen Metallstreifen 55, auf welchen paarweise piezoelektrische keramische Platten 56 und 57, 58 und 59 in der Nähe der Enden des Metallstreifens 55 angebracht sind. Die Mitte 60 des Metallstreifens kann in der in Fig. 4 gezeigten Weise zwischen den Enden 6I und 62 der Seite 63 des hier im Schnitt gezeigten Klammerkörpers 64 eingespannt werden.
Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß der Metallstreifen 55 als eine Elektrode dienen kann, von welcher ein Leiter abgehen kann, wobei diese Elektrode für alle Platten 56, 57, 58 und 59 gemeinsam- ist. Die von den Elektroden von den Außenflächen der Platten abgehenden Leiter bilden so den anderen Leiter eines Stromlkreises. Wenn der Metallstreifen geerdet ist, kann die Anordnung, falls dies gewünscht wird, einen abgeglichenen Verstärker speisen.
Wenn die Ausgangsspannungen der keramischen Körper in Phase geschaltet sind anstatt in Gegenphase, wie dies gewöhnlich der Fall ist, wird nur die halbe Ausgangsspannung erhalten, die Kapazitanz ist jedoch doppelt so groß. Wenn in diesem Fall der Belag geerdet ist, können die parallel geschalteten Ausgangsleitungen an einen Einfachverstärker angeschlossen werden.
Eine erhöhte Empfindlichkeit der in Fig. 4 und 5 gezeigten Vorrichtungen kann auf Kosten der Erniedrigung der Resonanzfrequenz durch Hinzufügung von Gewichten an einem oder an beiden freien Enden der Biegungselemente erhalten werden Man erhält ein anderes Aufhängungssystem durch Einspannung des Elements an einem Ende, während sein anderes Ende frei bleibt. Die Empfindlichkeit ist in diesem Fall natürlich größer als bei einer Einspannung in der Mitte, die Resonanzfrequenz ist jedoch wiederum kleiner. Das Element kann auch an beiden Enden eingespannt werden, und zwar entweder fest oder in Gummi.
PATENTANSPRSCHE I. Vorrichtung zur Messung mechanischer Verformungen, gekennzeichnet durch ein diesen Verformungen ausgesetztes und eine entsprechende Verformung erleidendes Organ und einen piezoelektrischen Körper (5), der mit diesem Organ mechanisch so verbunden ist, daß er eine der Verformung des Organs analoge Verformung erfährt sowie Elektroden zur Messung des durch diese Verformung erzeugten elektrischen Potentials des Körpers.

Claims

2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Körper aus einer im wesentlichen rechteckigen, dünnen Platte aus einer keramischen Masse besteht, welche hauptsächlich durch feine Teilchen aus Bariumtitanat gebildet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Messung des Potentials des piezoelektrischen Körpers bestimmten Elektroden durch Elektrodenelemente gebildet werden, von denen wenigstens eines auf den Körper in der Form eines z. B. aus Silber bestehen den Überzuges aufgebracht ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der z. B. aus Silber bestehende und ein Elektrodenelement bildende Überzug auf eine ebene Fläche der den piezoelektrischen Körper bildenden Platte aufgebracht ist, während das andere Elektrodenelement durch einen auf Idie gegenüberliegende Seite der Platte aufgebrachten Überzug gebildet wird, wobei diese beiden Überzüge durch Teile dieses Körpers voneinander getrennt sind, welche keinen Überzug tragen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eines (11) der Elektrodenelemente von einer Seite der den piezoelektrischen Körper bildenden Platte aus um eine Kante herumgeht und sich bis auf die gegenüberliegende Seite derselben erstreckt, während das andere Elektrodenelement (1 o) einen wesentlichten Teil Dieser gegenüberliegenden Seite einnimmt, aber in einer gewissen Entfernung von dem Ende des ersten Elektrodenelements aufhört.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das verformbare Organ durch eine dünne elastisch verformbare Metallplatte (24) gebildet wird, welche an einem Halter (22) befestigt ist und gegen üiberliegende ebene Flächen aufweist, von denen eine an ihrem Ende an diesem Halter befestigt ist, wobei der größte Teil dieser Platte sich von diesem Halter (22) aus frei tragend erstreckt, wobei ein durch wenigstens ein Paar von dünnen Elementen (36, 37) aus einer keramischen Masse auf der Grundlage von Bariumtitanat gebildeter piezoelektrischer Körper mechanisch mit dieser Platte (24) verbunden ist und in einem elektrischen Kontakt mit dieser steht, wobei Elektrodenelemente an die freien Flächen der Elemente des piezoelektrischen Körpers angelegt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch I, gekennzeichnet durch einen zangenförmigen Körper (43) und ei;n auf eine Verformung ansprechendes System, wobei dieser zangenartige Körper durch ein Paar von gegeneinander gerichteten Armen gebildet wird, wobei das System eine verformbare Platte (47) aus einem metallischen Werkstoff und wenigstens ein Paar von im wesentlichen aus einer keramischen Masse auf der Grundlage von Bariumtitanat bestehenden Elementen aufweist, welches mechanisch mit den gegenüberliegenden Seiten dieser Platte (47) verbunden ist und mit dieser in einem elektrischen Kontakt steht, wobei diese Elemente Elektrodenabschnitte tragen, welche auf ihre freien, von der Platte abgewandten Seiten aufgebracht sind, wobei die durch die Platte (47) und die piezoelektrischen Elemente (48, 49) gebildete Anordnung zwischen den Enden der Arme des zangenförmigen Körpers eingespannt ist.