EP3762680A1 - Measuring mechanical changes - Google Patents

Measuring mechanical changes

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Publication number
EP3762680A1
EP3762680A1 EP19708090.6A EP19708090A EP3762680A1 EP 3762680 A1 EP3762680 A1 EP 3762680A1 EP 19708090 A EP19708090 A EP 19708090A EP 3762680 A1 EP3762680 A1 EP 3762680A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
resistor
resistors
operational amplifier
input
change
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19708090.6A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Gernot Nitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KUKA Deutschland GmbH
Original Assignee
KUKA Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KUKA Deutschland GmbH filed Critical KUKA Deutschland GmbH
Publication of EP3762680A1 publication Critical patent/EP3762680A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/108Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving resistance strain gauges
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/225Measuring circuits therefor

Definitions

  • the present invention relates to measuring mechanical changes.
  • the invention provides a device, an arrangement, a use and a method.
  • strain gauges or strain gauges, abbreviated DMS
  • DMS strain gauges
  • the object of the present invention is to improve the measurement of mechanical changes and / or to make them more flexible.
  • an apparatus for measuring mechanical changes there is provided an apparatus for measuring mechanical changes
  • At least one first resistor adapted to convert a mechanical change into a change in its resistance value
  • the at least one first resistor and the operational amplifier are connected such that the at least one first resistor is connected to the operational amplifier Input resistance is used and the operational amplifier at an output delivers or can deliver a measurement result.
  • the first resistor is a strain gauge.
  • strain gages change their ohmic resistance when stretched, for example, in a mechanical change experienced by a component to which they are attached.
  • the first resistor may also be an inductive resistor or a capacitive resistor. While embodiments of the present invention will be explained below mainly by means of a DMS, the invention is not limited to the use of DMS.
  • the first resistor is fastened or attachable to a component such that a mechanical change of the component can bring about or bring about the change in the resistance value of the at least first resistor.
  • the strain gauge when using a strain gauge, would typically be mounted on a surface of the component such that the length of the strain gauge changes with a mechanical change of the component.
  • the mechanical change of the component on a change in a dimension in at least one dimension and / or bending and / or torsion of the component is to be understood here in particular as meaning, for example, that the length of the component (for example a rod) changes, to which the first resistor is attached. This is stretched by it. Even with a bend or torsion (again, for example, a rod), depending on the attachment of the first resistor to the component, an elongation of the first resistance may result.
  • the first resistor may be attached to the device in a particular manner: at least a portion of the first resistor will respond to a change in resistance in a first direction (e.g.
  • the first resistor is then preferably attached to the component such that this first direction subtends an angle x with a parallel to the axis of torsion, where 0 ⁇ x ⁇ 90 degrees, preferably 10 degrees ⁇ x, more preferably 30 degrees ⁇ x, more preferably 40 degrees ⁇ x and / or preferably x ⁇ 80 degrees, more preferably x ⁇ 60 degrees, more preferably x ⁇ 50 degrees.
  • a first electrical connection of the first resistor (or in the case of the use of a plurality of resistors, in each case a first electrical connection of the resistors) is coupled to an input of the operational amplifier.
  • a second electrical terminal of the first resistor (or resistors) is provided to be electrically coupled (each) to an input electrical voltage.
  • the device is set up to measure different, in particular different, mechanical changes of the component by changing the respective input voltage for the at least first resistor.
  • the input voltage for the at least first resistor may be fed back to infer from the value of the applied input voltage and the value of the returned voltage to the voltage actually applied to the at least first resistor. This allows more accurate measurements. This will be particularly noticeable when relatively long cables (e.g., several meters long, several tens of meters, or over 100 meters long) are used to connect the first resistor to its input voltage.
  • the device has a DA converter for providing the respective input voltage for the at least first resistor. This allows a particularly user-friendly choice of the input voltage for each resistor.
  • the device has a shunt resistor, which is connected in parallel with the at least first resistor or can be switched. This can be used to calibrate the circuit.
  • the device has at least 2, preferably at least 3, more preferably at least 4, further preferably at least 8, 12 or 16 resistors, wherein the resistors are connected in parallel and serve as input resistors for the operational amplifier.
  • resistors are connected in parallel and serve as input resistors for the operational amplifier.
  • the device is set up to be operated in a measuring mode, wherein in measuring mode, in each case two input voltages are applied to two of the resistors, which are substantially equal in magnitude, but of opposite polarity.
  • measuring mode in each case two input voltages are applied to two of the resistors, which are substantially equal in magnitude, but of opposite polarity.
  • the device is set up to be operated in a first test mode, wherein in the first test mode, only one of the resistors has an input voltage that is different from ground, and the input voltage is grounded on all other resistors.
  • the device includes an additional test resistor that may be connected in parallel with the at least first resistor, wherein the device is configured to operate in a second test mode, wherein in the second test mode, an input voltage different from ground is applied only to the test resistor and on all other resistors, the input voltage is grounded, and wherein in measurement mode, the input voltage for the test resistor is grounded.
  • the functionality of the operational amplifier can be checked.
  • the test resistor would have no significant impact on the measurement result, because applying ground as input voltage to the test resistor will "turn it off".
  • the device comprises at least two resistors and in a first (amplification) stage two operational amplifiers, at least one of the at least two resistors serving as input resistance to the two operational amplifiers and the outputs of the two first stage operational amplifiers electrically connected to inputs, respectively a third operational amplifier, the third operational amplifier representing a second (amplification) stage and supplying or delivering a measurement result at an output.
  • an apparatus for measuring mechanical changes comprising: a component; and one of the devices described above, wherein the at least first resistor is attached to the component, preferably glued.
  • the resistor is preferably attached flat to a surface of the component, for example glued.
  • the forces that occur during a mechanical change of the component and transferred to the resistor spread over the entire contact area between the component and resistor.
  • the component has a 6D force-moment sensor with multiple measurement spokes, each measurement spoke being provided with a plurality of resistances of the measurement device.
  • the component has a flex spline of a Harmony Drive transmission.
  • the invention in another aspect, relates to the use of a resistor configured to convert a mechanical change into a change in its resistance as an input resistance to an operational amplifier.
  • the invention relates to a method of measuring mechanical changes, comprising:
  • FIG. 1 a circuit according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 6 shows a circuit according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 7 a circuit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 shows a circuit according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 10 shows a circuit according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 1 1 an arrangement of resistors on a component according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 1 shows a circuit according to an embodiment of the present invention.
  • the measuring circuit 10 has a bipolar-fed operational amplifier 1 with an inverting input 2, a non-inverting input 3 and an output 4.
  • the non-inverting input 3 is at ground (0V).
  • a node 7 of the circuit 10 is coupled (directly) to the inverting input 2.
  • the output voltage U_off can be removed.
  • a resistor RO is electrically (directly) coupled to the output 4 and the node 7.
  • Also coupled to the node 7 is at least one input resistor - in the example shown four input resistors R1, R2, R3 and R4.
  • a first electrical connection 5 is indicated, which is electrically coupled (directly) to the node 7.
  • the input resistors are each electrically (directly) connected to an input voltage U1, U2, U3 and U4.
  • a second electrical connection 6 is indicated, which is electrically coupled (directly) to the input voltage U1.
  • Further input resistors could be connected in a corresponding manner parallel to the illustrated resistors R1 to R4.
  • the circuit of Figure 1 with only one operational amplifier 1 can be regarded as a single-stage amplifier circuit.
  • the value of the negative feedback resistance R0 in relation to the input resistors R1 to R4 determines the gain.
  • the resistors R1 to R4 are not fixed resistors, but strain gages.
  • the circuit can be used to detect mechanical changes that cause changes in the resistance of the strain gages, because a change in the resistance values of the resistors R1 to R4 affects the output voltage U_out.
  • the input voltages may be provided, for example, by a DA converter.
  • strain gauges were chosen for resistors R1 to R4, whose resistance values are approximately equal, eg 350 W.
  • the weighting and the sign of the change of the resistors R1 to R4 can be controlled individually.
  • DMS the effect of the change in resistance of the DMS used on the output signal can be increased as desired. For a Wheatstone bridge this is not possible beyond the four basic bridge resistances.
  • strain gages have an "antagonist".
  • a counterpart to a first DMS is preferably a second DMS, which is connected to an opposite, approximately the same input voltage as the first DMS. This can be used in particular to minimize thermal drifts: Resistance changes of a first DMS due to temperature changes are compensated by corresponding resistance changes of a second DMS.
  • the wire lengths of two wired as counterparts DMS are preferably about the same to choose, so that temperature changes cause no offset of the output voltage.
  • the role of the opponent is not fixed but can be redistributed in successive measurements by changing the polarity of the input voltages between the DMSs involved.
  • R1 may be the opponent of R2 and R3 may be the antagonist of R4.
  • the R1 can take on the role of the opponent of the R3 and the R2 the counterpart of the R4.
  • a fixed resistor As a variant of the embodiment of FIG. 1, one could also use a fixed resistor as the counterpart of a DMS. Preferably, however, is taken into account that fixed resistors change their resistance depending on the temperature under certain circumstances differently, in particular change significantly different, as DMS, which in their meager stretching on a material (ie the material of the component, on which DMS is attached) can match. Overall, a fixed resistor can be expected as an opponent to a DMS with larger drifts.
  • the strain gauges can generally be individually weighted. As a variant to an equal (but opposite) weighting of a DMS and its counterpart, it would be possible to choose an unequal weighting by different input voltages. This can be used to achieve certain effects, e.g. to consider asymmetrical geometries of a component. For example, if a change in length of a pipe having circumferentially different wall thicknesses is to be measured by an arrangement according to Figure 1, it may be useful to have a first strain gauge attached to a first pipe section having a first wall thickness different from a suitable input voltage to weight as a second DMS, which is attached to a second pipe section with a second (different from the first wall thickness) wall thickness. Preferably, however, the weights are also similar here, for example with a deviation of at most 3%, 5% or 10%, in order to limit thermal drifts to an acceptable level.
  • Fig. 2 shows an arrangement of resistors (DMS) on a component according to an embodiment of the present invention.
  • DMS resistors
  • a round rod (or tube) 15 which is indicated in cross section.
  • four strain gauges (SG 1 to SG 4) are evenly distributed around the circumference of the rod.
  • the strain gages are attached longitudinally to a surface of the rod.
  • the DMS are preferably connected flat to the surface of the rod, for example, glued to the rod.
  • a change in length of the portion of the rod to which a DMS is attached causes a change in length of the corresponding DMS and thus a change in the resistance value of the DMS, which can be evaluated according to the figure 1.
  • two axes 20, 21 are indicated in Figure 2, around which the rod 15 can bend. If you switch the strain gauges 1 and 4 with positive weighting and the DMS 2 and 3 with negative weighting measures the bending moment about the axis 20. In turn, you measure the bending moment and the axis 21, if the DMS 3 and 4 positive weights and the DMS 1 and 2 negative. This change in weighting can be done by simply changing the sign of the input voltages applied to the respective DMS. In a variant (not shown) could attach the DMS similar to Figure 2, but alternately obliquely at an angle of 45 ° to about 80 ° to the longitudinal axis of the rod.
  • angles between 0 ° and 90 ° can be selected. Useful angle values can be determined empirically for each application. In many cases, the angles will be between 10 ° and 80 °, or between 30 ° and 60 °, or between 40 ° and 50 °. For example, the angle may be substantially 45 °.
  • bilateral CMOS switches can be used to switch the input voltages. Preferably, these are used with downstream impedance transformers.
  • An example of such an impedance converter is shown in FIG. 3, the CMOS switch being indicated by reference numeral 17.
  • Two different input voltages U1 a and U1 b are applied to the inputs of the CMOS switch.
  • An output of the CMOS switch is coupled to a non-inverting input of an operational amplifier 18 (this operational amplifier 18 is not to be confused with the operational amplifier 1 of FIG. 1).
  • An output 19 of the operational amplifier 18 is connected in a manner known per se to the inverting input of the operational amplifier 18 fed back.
  • the output 19 serves as an input voltage U1 for the strain gauge 1 (or R1) of FIG. 1.
  • Fig. 3 switching can be made, for example, with a frequency of several tens of kilohertz, which is sufficient for the quasi-simultaneous measurement of mechanical variables in many cases.
  • the separation of the measured quantities at the output 4 can take place by AD conversion of the output voltage U_out of the measuring amplifier, if appropriate after a certain settling time respectively after switching over the input voltages of the strain gauges.
  • the control of the CMOS switches, the AD converter and a digital output interface (not shown) as well as a processing of the measurement data in physical units can take place via a microcontroller (not shown) integrated in the sensor.
  • the user would not notice the rapid switching of the input voltages of the strain gauges in practical measuring mode. In other words, the user would typically feel that the various measurements (bending about different axes, torsion, etc.) are essentially simultaneous and output / displayed at the same time.
  • FIG. 4 shows a further example, which is based on the example of FIG.
  • a portion of the surface of the rod 15 is shown as a surface on which two strain gages 30, 31 are arranged perpendicular to each other.
  • DMS 30 is arranged along the longitudinal direction of the rod 15 ("linear").
  • DMS 31 is arranged transversely to the longitudinal direction of the rod 15.
  • the arrangement of Figure 4 can be used for the measurement of the bending moments and the tensile / compressive force on the round bar 15. It makes sense to use three or four such groups, which are arranged distributed at 120 ° or 90 ° on the circumference of the rod.
  • the signs (input voltage) for the weighting of the strain gauges can be selected as follows, for example:
  • FIG. Figure 5 shows the surface (or portion of the surface) of the rod 15 on which four pairs of strain gauges are arranged.
  • Each pair has a respective DMS 33, 35, 37, 39 transversely to the longitudinal direction of the rod 15 and a respective DMS 32, 34, 36, 38 which is inclined with respect to the longitudinal direction of the rod 15 by an angle between 0 ° and 90 ° , For example, about 45 ° (see also the variant of Figure 2 with respect to the possible angle).
  • the inclined DMS are alternately inclined in one or the other direction, so DMS 32 and 36 to the right and DMS 34 and 38 to the left.
  • the weights of the strain gauges can be chosen as follows:
  • U_off - U1 (R0 / R1) - U2 (R0 / R2) - U3 (R0 / R3) - U4 (R0 / R4)
  • U_off / U_ein - R0 / (R + AR1) - R0 / (R + AR2) + R0 / (R + AR3) + R0 / (R + AR4).
  • alternating voltages as input voltages to e.g. switch on inductive or capacitive input resistors.
  • a mechanical change would typically affect the inductive resistance such that a ferromagnetic core pushes into or is at least partly pulled out of a coil of the inductive resistor, resulting in a change in its resistance value.
  • a change in its resistance would typically be caused by changes in the spacing of two plates of a capacitor of the capacitance due to mechanical changes.
  • inductive or capacitive input resistors When using inductive or capacitive input resistors, however, a conflict of interest between the AC frequency and the switching frequency of the weights of the input voltages may arise.
  • the phase shifts require a certain amount of time for a sign change of the weights, since inductive or capacitive measuring resistors are more susceptible to oscillations As ohmic strain gages, they have resistances that can be switched within the range of the possible slew rates of the impedance transformers, for example within a few microseconds.
  • the single-stage circuit of FIG. 1 represents a basic circuit which does not suppress common-mode voltages at the inputs (eg mains hum).
  • a two-stage circuit according to FIG. 6 can be used.
  • This circuit again comprises, in a first (amplification) stage, an operational amplifier 1 with a negative feedback resistor ROa and input resistors.
  • only two input resistors R1 and R2 are connected to the inverting input of the operational amplifier 1 and corresponding input voltages U1 and U2.
  • the circuit can also have other input resistors.
  • the circuit has a second operational amplifier 100, to which in turn a negative feedback resistor ROa and input resistors R3 and R4 are connected.
  • the second operational amplifier 100 is also part of the first (amplification) stage.
  • the outputs of the operational amplifiers 1 and 100 are respectively connected via resistors R5 to the inverting and non-inverting inputs of a third operational amplifier 200, which constitutes a second (amplification) stage.
  • Whose output is connected via a further negative feedback resistor ROb to the inverting input of the third operational amplifier 200.
  • the non-inverting input of the third operational amplifier 200 is connected to ground (0V) via a further resistor ROb.
  • the output voltage U_aus can be removed.
  • two input amplifiers 1, 100 are used for two DMS groups.
  • the difference of the output signals is then formed and amplified in a further stage.
  • the second stage gain can also be realized by a fully integrated instrument amplifier whose gain is set with only a single external resistor.
  • FIG. 7 shows a variant of the circuit of FIG. 1.
  • the input voltages U1 to U4 are fed back via sensor lines and can then be measured as returned voltages U1 S to U4S.
  • Such a circuit may be used, in particular, for relatively long cables between the voltage source (s) providing the input voltages U1 to U4 and the input resistors R1 to R4. Likewise, this circuit is used with increased demands on the accuracy of measurement. In this circuit, it is assumed that the voltage losses in the cable from an input voltage source (Ui) to the corresponding input resistance (Ri) are about as large as the voltage losses in the corresponding feedback sensor line.
  • the mean value between the (applied) input voltage Ui and the returned sensor voltage UiS can be assumed to be actually applied to the input (in the figure on the left) input 6 of an input resistor Ri.
  • the measured value display of the measuring amplifier can be corrected accordingly.
  • FIG. 8 shows a further circuit variant based on the circuit of FIG. 1.
  • a shunt resistor 40 is additionally used, which can be connected in parallel by a switch 41 to a DMS (here R1).
  • DMS digital signal processor
  • switch 41 When switch 41 is closed the result is a defined detuning of the measuring circuit, ie when the shunt resistor 40 is switched on, the output voltage U_out makes a jump.
  • a calibration of the measuring amplifier or a test of the circuit for correct function can be carried out.
  • FIGS. 9 and 10 show a further circuit variant based on the circuit of FIG. 1.
  • FIGS. 9 and 10 additionally show a test resistor 42 (R test). This can be supplied via a switch 43 with an input voltage.
  • the switch 43 connects the test resistor 42 either to a test voltage U_test (FIG. 9) or to ground (0V, FIG. 10).
  • the test resistor 42 is also connected to the node 7 and thus also to the inverting input of the operational amplifier 1.
  • test resistor 42 In a test mode, shown in FIG. 9, (only) the test resistor 42 is connected to an input voltage different from ground. All other input resistors R1 to R4 are grounded with their inputs. In particular, the correct operation of the operational amplifier 1 can be checked in this test mode.
  • the input of the test resistor 42 by the switch 43 is grounded.
  • the other input resistors R1 to R4 can then be connected to their respective ground different input voltages.
  • the test resistor then does not (essentially) affect the measurement, so that the circuit behaves as in FIG.
  • FIG. 11 shows an application example of the present invention.
  • the 6D force-moment sensor 50 has a central tool hub 54 connected to four measuring spokes 56. At their outer ends, the measuring spokes 56 are each connected to a central region of a leaf spring 58. The sensor also has four housing screw 52 points. The four leaf springs 58 extend between the Gezzauseanschraubddlingen 52.
  • a plurality of DMS 60 are arranged. In the example shown, two strain gages 60 are located on each measuring spoke 56 on the visible side of the arrangement, each strain gauge 60 being inclined by approximately 45 ° to a center line of the measuring spoke 56.
  • On each measuring spoke 56 is a DMS 60 inclined to the right and a DMS 60 to the left. Overall, therefore, eight DMS 60 are arranged on the visible side of the arrangement. In addition, located on the invisible, the observer side facing another eight DMS 60 in a corresponding or similar arrangement, a total of sixteen DMS 60th
  • the DMS 60 of two adjacent measuring spokes each form their own 6D sensor. This creates two redundant 6D sensors.
  • forces and / or moments in the measuring spokes can be measured by the strain gages 60 when the middle tool hub 54 moves relative to the housing screw-on points 52.
  • the measurements can be evaluated by the circuits described above.
  • the bending moments in two planes, the torsional moment and the forces in three coordinate directions can be measured in each case.
  • FIG. 12 shows another application example of the present invention.
  • FIG. 12 shows, in a simplified representation, a Harmony Drive transmission 70 or a part thereof.
  • four strain gauges 74 are mounted in two DMS groups that can be used for torque measurement. Within one group, the two strain gages 74 are rotated by 90 ° with respect to each other.
  • the DMSs 74 of a group are arranged crosswise. The two groups are offset from each other by 90 ° in the circumferential direction of the Flexspline 72. Two DMS 74 (one of each group) are thus aligned in the circumferential direction. These are in the circumferential direction perpendicular to the other two DMS 74th
  • Each two circumferentially aligned DMS 74 can be evaluated by corresponding input voltages of opposite sign to each perpendicular thereto two other strain gages.
  • interference harmonics with twice and four times the rotational frequency of the wave generator of the Harmonie Drive gearbox can be created.
  • the strength of the compensation can be adjusted by the duration of the weighting and / or by the magnitude of the weighting. For example:
  • strain gages 1 and 2 as well as strain gages 3 and 4 (first line of the table) produces measuring signals which are proportional to the applied torque for a fixed period of time.
  • the weighting with the same sign of the strain gauges 1 and 2 or 3 and 4 produces measurement signals that are proportional to the noise components for an adjustable short period of time.
  • the interference harmonics can be largely removed or significantly reduced in the mean value of the temporal overall signal course.
  • the switching takes place rapidly in relation to the desired bandwidth of the useful signal and to the engine rotational frequency, e.g. in the range of several kilohertz.

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Abstract

A device for measuring mechanical changes comprises at least one first resistor, which is designed to convert a mechanical change into an adjustment of its resistance value; and at least one operational amplifier, wherein the at least first resistor and the operational amplifier are connected such that the at least first resistor serves the operational amplifier as an input resistance and the operational amplifier provides or can provide a measurement result at an output. The first resistor is e.g. a strain gauge which can be secured on a component.

Description

Messen von mechanischen Veränderungen  Measuring mechanical changes
Die vorliegende Erfindung betrifft das Messen von mechanischen Veränderungen. Hierzu stellt die Erfindung eine Vorrichtung, eine Anordnung, eine Verwendung und ein Verfahren bereit. The present invention relates to measuring mechanical changes. For this purpose, the invention provides a device, an arrangement, a use and a method.
Aus dem Stand der Technik ist es bereits bekannt, Dehnmessstreifen (oder Dehnungsmessstreifen, abgekürzt DMS) zum Messen von mechanischen Veränderungen, beispielsweise eines Bauteils, zu verwenden. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, DMS in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung verschaltet zu benutzen. Beispielsweise in einer Vollbrücke würde man je zwei gegenüberliegende DMS verwenden, deren Widerstandsänderungen (aufgrund von mechanischen Veränderungen) mit positivem Vorzeichen in das Messergebnis eingehen, und je zwei gegenüberliegende DMS, deren Widerstandsänderungen mit negativem Vorzeichen in das Messergebnis eingehen. It is already known from the prior art to use strain gauges (or strain gauges, abbreviated DMS) for measuring mechanical changes, for example of a component. From the prior art it is known to use DMS interconnected in a Wheatstone bridge circuit. For example, in a full bridge one would use two opposing strain gauges whose resistance changes (due to mechanical changes) with a positive sign are included in the measurement result, and two opposing strain gauges whose resistance changes with a negative sign are included in the measurement result.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat erkannt, dass solche Schaltungen für verschiedene Anwendungen von begrenztem Nutzen sind. The inventor of the present invention has recognized that such circuits are of limited use for various applications.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Messen von mechanischen Veränderungen zu verbessern und/oder flexibler zu gestalten. The object of the present invention is to improve the measurement of mechanical changes and / or to make them more flexible.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 15, 18 und 19 stellen eine Anordnung, eine Verwendung und ein Verfahren unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen. Weiterbildungen, die explizit beispielsweise nur für die Vorrichtung beansprucht oder beschrieben sind, gelten entsprechend auch für die Anordnung, die Verwendung und das Verfahren. This object is achieved by a device having the features of claim 1. Claims 15, 18 and 19 protect an assembly, a use and a method. The subclaims relate to advantageous developments. Further developments, which are explicitly claimed or described, for example, only for the device, apply correspondingly also to the arrangement, the use and the method.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Messen von mechanischen Veränderungen bereitgestellt, aufweisend According to an embodiment of the present invention, there is provided an apparatus for measuring mechanical changes
mindestens einen ersten Widerstand, der dazu eingerichtet ist, eine mechanische Veränderung in eine Änderung seines Widerstandswertes umzusetzen; und  at least one first resistor adapted to convert a mechanical change into a change in its resistance value; and
mindestens einen Operationsverstärker,  at least one operational amplifier,
wobei der mindestens erste Widerstand und der Operationsverstärker so geschaltet sind, dass der mindestens erste Widerstand dem Operationsverstärker als Eingangswiderstand dient und der Operationsverstärker an einem Ausgang ein Messergebnis liefert oder liefern kann. wherein the at least one first resistor and the operational amplifier are connected such that the at least one first resistor is connected to the operational amplifier Input resistance is used and the operational amplifier at an output delivers or can deliver a measurement result.
Obwohl bei der Benutzung von bereits bekannten Wheatstoneschen Brückenschaltungen zur Messung von mechanischen Veränderungen oft auch ein Operationsverstärker benutzt wird, dient der Widerstand, der bei solchen bereits bekannten Schaltungen eine mechanische Veränderung in eine Änderung seines Widerstandswertes umsetzt, nicht als Eingangswiderstand für den Operationsverstärker. Stattdessen werden bei solchen Schaltungen die Eingänge des Operationsverstärkers an die sogenannte Messdiagonale geschaltet. Although the use of already known Wheatstone bridge circuits for measuring mechanical changes often also an operational amplifier is used, the resistance, which implements in such known circuits a mechanical change in a change in its resistance value, not as input resistance for the operational amplifier. Instead, in such circuits, the inputs of the operational amplifier are switched to the so-called Messdiagonale.
Durch die oben vorgeschlagene Ausführung der Erfindung lässt sich eine große Anzahl an Schaltungsmöglichkeiten realisieren, die mit einer herkömmlichen Brückenschaltung nicht möglich wären. Diese werden im folgenden Text näher erläutert. By the above-proposed embodiment of the invention, a large number of circuit options can be realized, which would not be possible with a conventional bridge circuit. These will be explained in more detail in the following text.
In einer Ausführung ist der erste Widerstand ein Dehnmessstreifen. Wie dem Fachmann bekannt ist, ändern DMS ihren ohmschen Widerstand, wenn sie gedehnt werden, beispielsweise bei einer mechanischen Veränderung, die ein Bauteil, an dem sie befestigt sind, erfährt. Alternativ kann der erste Widerstand aber auch ein induktiver Widerstand oder ein kapazitiver Widerstand sein. Während Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nachfolgend hauptsächlich anhand eines DMS erläutert werden, ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von DMS beschränkt. In one embodiment, the first resistor is a strain gauge. As is known to those skilled in the art, strain gages change their ohmic resistance when stretched, for example, in a mechanical change experienced by a component to which they are attached. Alternatively, however, the first resistor may also be an inductive resistor or a capacitive resistor. While embodiments of the present invention will be explained below mainly by means of a DMS, the invention is not limited to the use of DMS.
Nach einer Ausführung ist der erste Widerstand so an einem Bauteil befestigt oder befestigbar, dass eine mechanische Veränderung des Bauteils die Änderung des Widerstandswertes des mindestens ersten Widerstands bewirkt bzw. bewirken kann. According to one embodiment, the first resistor is fastened or attachable to a component such that a mechanical change of the component can bring about or bring about the change in the resistance value of the at least first resistor.
Insbesondere bei der Benutzung eines DMS würde typischerweise der DMS so auf einer Oberfläche des Bauteils befestigt, dass sich die Länge des DMS bei einer mechanischen Veränderung des Bauteils ändert. In particular, when using a strain gauge, the strain gauge would typically be mounted on a surface of the component such that the length of the strain gauge changes with a mechanical change of the component.
In einer Ausführung weist die mechanische Veränderung des Bauteils eine Änderung einer Abmessung in mindestens einer Dimension und/oder eine Biegung und/oder eine Torsion des Bauteils auf. Unter einer Änderung einer Abmessung in mindestens einer Dimension ist hier insbesondere zu verstehen, dass sich beispielsweise die Länge des Bauteils (beispielsweise ein Stab) ändert, an dem der erste Widerstand befestigt ist. Dieser wird dadurch gedehnt. Auch bei einer Biegung oder Torsion (wiederum beispielsweise bei einem Stab) kann sich, je nach Befestigung des ersten Widerstands an dem Bauteil, eine Dehnung des ersten Widerstands ergeben. In one embodiment, the mechanical change of the component on a change in a dimension in at least one dimension and / or bending and / or torsion of the component. A change of a dimension in at least one dimension is to be understood here in particular as meaning, for example, that the length of the component (for example a rod) changes, to which the first resistor is attached. This is stretched by it. Even with a bend or torsion (again, for example, a rod), depending on the attachment of the first resistor to the component, an elongation of the first resistance may result.
Insbesondere im Falle einer Torsion handelt es sich vorzugsweise um eine Torsion um eine Achse. Zur Detektion einer solchen Torsion kann der erste Widerstand in einer bestimmten Weise an dem Bauteil befestigt werden: Zumindest ein Abschnitt des ersten Widerstands reagiert mit einer Änderung des Widerstandswertes auf eine mechanische Veränderung dieses Abschnitts in einer ersten Richtung (z.B. Dehnungsrichtung). Der erste Widerstand ist dann vorzugsweise so an dem Bauteil befestigt, dass diese erste Richtung einen Winkel x mit einer Parallelen zu der Achse der Torsion einschließt, wobei gilt: 0 < x < 90 Grad, vorzugsweise 10 Grad < x, weiter vorzugsweise 30 Grad < x, weiter vorzugsweise 40 Grad < x und/oder vorzugsweise x < 80 Grad, weiter vorzugsweise x < 60 Grad, weiter vorzugsweise x < 50 Grad. In particular, in the case of a torsion, it is preferably a torsion about an axis. In order to detect such torsion, the first resistor may be attached to the device in a particular manner: at least a portion of the first resistor will respond to a change in resistance in a first direction (e.g. The first resistor is then preferably attached to the component such that this first direction subtends an angle x with a parallel to the axis of torsion, where 0 <x <90 degrees, preferably 10 degrees <x, more preferably 30 degrees < x, more preferably 40 degrees <x and / or preferably x <80 degrees, more preferably x <60 degrees, more preferably x <50 degrees.
In einer Ausführung ist ein erster elektrischer Anschluss des ersten Widerstands (bzw. bei der Verwendung von mehreren Widerständen jeweils ein erster elektrischer Anschluss der Widerstände) mit einem Eingang des Operationsverstärkers gekoppelt. Ein zweiter elektrischer Anschluss des ersten Widerstands (oder der Widerstände) ist vorgesehen, um elektrisch (jeweils) mit einer elektrischen Eingangsspannung gekoppelt zu werden. Durch das Anlegen von einer geeigneten Eingangsspannung/geeigneten Eingangsspannungen kann der/jeder Widerstand individuell „eingeschaltet“ oder „ausgeschaltet“ werden. Auch können durch geeignete Eingangsspannungen die verschiedenen Widerstände unterschiedlich gewichtet werden. In one embodiment, a first electrical connection of the first resistor (or in the case of the use of a plurality of resistors, in each case a first electrical connection of the resistors) is coupled to an input of the operational amplifier. A second electrical terminal of the first resistor (or resistors) is provided to be electrically coupled (each) to an input electrical voltage. By applying appropriate input voltage (s), the resistor (s) can be individually "turned on" or "off". Also, the various resistors can be weighted differently by suitable input voltages.
In einer Ausführung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, durch eine Veränderung der jeweiligen Eingangsspannung für den mindestens ersten Widerstand verschiedene, insbesondere verschiedenartige, mechanische Veränderungen des Bauteils zu messen. In one embodiment, the device is set up to measure different, in particular different, mechanical changes of the component by changing the respective input voltage for the at least first resistor.
In dieser Weise können - insbesondere bei Verwendung von mehreren Widerständen - verschiedene mechanische Veränderungen des Bauteils gemessen werden, also beispielsweise eine Biegung nicht nur um eine Achse, sondern um verschiedene Achsen, oder eine Längenänderung nicht nur in einer Dimension, sondern in mehreren Dimensionen, oder eine Torsion nicht nur um eine Achse/in eine Richtung, sondern um mehrere Achsen und/oder in mehreren Richtungen. Ebenso können verschiedenartige mechanische Veränderungen des Bauteils gemessen werden, also nicht nur einzeln beispielsweise eine Längenänderung oder eine Biegung oder eine Torsion, sondern mehrere dieser Arten von mechanischen Veränderungen. In this way - especially when using multiple resistors - different mechanical changes of the component can be measured, so for example a bend not only about an axis, but about different axes, or a change in length not only in one dimension but in several dimensions, or a torsion not only about one axis / in one direction, but about several axes and / or in several directions. Likewise, various mechanical changes of the component can be measured, not only individually For example, a change in length or a bend or a twist, but more of these types of mechanical changes.
In einer Ausführung kann die Eingangsspannung für den mindestens ersten Widerstand zurückgeführt werden, um aus dem Wert der angelegten Eingangsspannung und dem Wert der zurückgeführten Spannung auf die tatsächlich an dem mindestens ersten Widerstand anliegende Spannung zu schließen. Dadurch können genauere Messungen ermöglicht werden. Dies wird sich insbesondere dann bemerkbar machen, wenn relativ lange Kabel (z.B. mit Längen von mehreren Metern, mehreren zig Metern oder über 100 Meter) zur Verbindung des ersten Widerstands mit seiner Eingangsspannung verwendet werden. In one embodiment, the input voltage for the at least first resistor may be fed back to infer from the value of the applied input voltage and the value of the returned voltage to the voltage actually applied to the at least first resistor. This allows more accurate measurements. This will be particularly noticeable when relatively long cables (e.g., several meters long, several tens of meters, or over 100 meters long) are used to connect the first resistor to its input voltage.
Nach einer Ausführung weist die Vorrichtung einen DA-Wandler zum Bereitstellen der jeweiligen Eingangsspannung für den mindestens ersten Widerstand auf. Dies ermöglicht eine besonders benutzerfreundliche Wahl der Eingangsspannung für jeden Widerstand. According to one embodiment, the device has a DA converter for providing the respective input voltage for the at least first resistor. This allows a particularly user-friendly choice of the input voltage for each resistor.
Nach einer Ausführung weist die Vorrichtung einen Shuntwiderstand auf, der parallel zu dem mindestens ersten Widerstand geschaltet ist oder geschaltet werden kann. Dies kann zum Kalibrieren der Schaltung benutzt werden. According to one embodiment, the device has a shunt resistor, which is connected in parallel with the at least first resistor or can be switched. This can be used to calibrate the circuit.
Nach einer Ausführung weist die Vorrichtung mindestens 2, vorzugsweise mindestens 3, weiter vorzugsweise mindestens 4, weiter vorzugsweise mindestens 8, 12 oder 16 Widerstände auf, wobei die Widerstände parallel zueinander geschaltet sind und als Eingangswiderstände für den Operationsverstärker dienen. Im Prinzip ist es möglich, eine beliebig große Anzahl von Widerständen als Eingangswiderstände für den Operationsverstärker zu benutzen. According to one embodiment, the device has at least 2, preferably at least 3, more preferably at least 4, further preferably at least 8, 12 or 16 resistors, wherein the resistors are connected in parallel and serve as input resistors for the operational amplifier. In principle, it is possible to use an arbitrarily large number of resistors as input resistors for the operational amplifier.
Durch die Verwendung von mehreren Widerständen können verschiedene mechanische Veränderungen (fast) gleichzeitig gemessen werden. By using several resistors different mechanical changes can be measured (almost) simultaneously.
In einer Ausführung ist die Vorrichtung dafür eingerichtet, in einem Messbetrieb betrieben zu werden, wobei im Messbetrieb an jeweils zwei der Widerstände paarweise Eingangsspannungen anliegen, die betragsmäßig im Wesentlichen gleich, aber von entgegengesetzter Polarität sind. Hierdurch können manche Störeinflüsse, wie zum Beispiel Temperaturänderungen, weitgehend eliminiert werden. In one embodiment, the device is set up to be operated in a measuring mode, wherein in measuring mode, in each case two input voltages are applied to two of the resistors, which are substantially equal in magnitude, but of opposite polarity. As a result, some disturbing influences, such as changes in temperature, can be largely eliminated.
In einer Ausführung ist die Vorrichtung dafür eingerichtet, in einem ersten Testbetrieb betrieben zu werden, wobei in dem ersten Testbetrieb nur an einem der Widerstände eine von Masse verschiedene Eingangsspannung anliegt und an allen anderen Widerständen die Eingangsspannung auf Masse liegt. In one embodiment, the device is set up to be operated in a first test mode, wherein in the first test mode, only one of the resistors has an input voltage that is different from ground, and the input voltage is grounded on all other resistors.
Hierdurch kann getestet werden, ob dieser eine Widerstand vorhanden/funktionsfähig ist. Ein solcher Test kann nacheinander für alle Widerstände durchgeführt werden. This can be tested to see if this one resistor is present / functional. Such a test can be performed successively for all resistors.
In einer Ausführung weist die Vorrichtung einen zusätzlichen Testwiderstand auf, der parallel zu dem mindestens ersten Widerstand geschaltet ist oder geschaltet werden kann, wobei die Vorrichtung dafür eingerichtet ist, in einem zweiten Testbetrieb betrieben zu werden, wobei in dem zweiten Testbetrieb eine von Masse verschiedene Eingangsspannung nur an dem Testwiderstand anliegt und an allen anderen Widerständen die Eingangsspannung auf Masse liegt, und wobei im Messbetrieb die Eingangsspannung für den Testwiderstand auf Masse liegt. In one embodiment, the device includes an additional test resistor that may be connected in parallel with the at least first resistor, wherein the device is configured to operate in a second test mode, wherein in the second test mode, an input voltage different from ground is applied only to the test resistor and on all other resistors, the input voltage is grounded, and wherein in measurement mode, the input voltage for the test resistor is grounded.
In diesem zweiten Testbetrieb kann beispielsweise die Funktionsfähigkeit des Operationsverstärkers überprüft werden. Im normalen Messbetrieb würde der Testwiderstand keinen wesentlichen Einfluss auf das Messergebnis haben, weil durch das Anlegen von Masse als Eingangsspannung für den Testwiderstand dieser„ausgeschaltet“ wird. In this second test operation, for example, the functionality of the operational amplifier can be checked. In normal measurement mode, the test resistor would have no significant impact on the measurement result, because applying ground as input voltage to the test resistor will "turn it off".
In einer Ausführung weist die Vorrichtung mindestens zwei Widerstände und in einer ersten (Verstärkungs-)Stufe zwei Operationsverstärker auf, wobei jeweils mindestens einer der mindestens zwei Widerstände den zwei Operationsverstärkern als Eingangswiderstand dient und wobei die Ausgänge der zwei Operationsverstärker der ersten Stufe elektrisch jeweils mit Eingängen eines dritten Operationsverstärkers gekoppelt sind, wobei der dritte Operationsverstärker eine zweite (Verstärkungs-)Stufe darstellt und an einem Ausgang ein Messergebnis liefert oder liefern kann. In one embodiment, the device comprises at least two resistors and in a first (amplification) stage two operational amplifiers, at least one of the at least two resistors serving as input resistance to the two operational amplifiers and the outputs of the two first stage operational amplifiers electrically connected to inputs, respectively a third operational amplifier, the third operational amplifier representing a second (amplification) stage and supplying or delivering a measurement result at an output.
Hierdurch können manche Störeinflüsse, wie zum Beispiel Gleichtaktspannungen an den Eingängen (z.B. Netzbrummen), unterdrückt werden. Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung zum Messen von mechanischen Veränderungen bereitgestellt, aufweisend: ein Bauteil; und eine der oben beschriebenen Vorrichtungen, wobei der mindestens erste Widerstand an dem Bauteil befestigt ist, vorzugsweise verklebt ist. As a result, some disturbing influences, such as common-mode voltages at the inputs (eg mains humming), can be suppressed. According to one aspect of the present invention, there is provided an apparatus for measuring mechanical changes, comprising: a component; and one of the devices described above, wherein the at least first resistor is attached to the component, preferably glued.
Um eine verlässliche mechanische Verbindung zwischen dem Bauteil und dem Widerstand zu erreichen, wird der Widerstand vorzugsweise flächig an einer Oberfläche des Bauteils befestigt, beispielsweise verklebt. Somit verteilen sich die Kräfte, die bei einer mechanischen Veränderung des Bauteils entstehen und auf den Widerstand übertragen werden, auf die gesamte Kontaktfläche zwischen Bauteil und Widerstand. In order to achieve a reliable mechanical connection between the component and the resistor, the resistor is preferably attached flat to a surface of the component, for example glued. Thus, the forces that occur during a mechanical change of the component and transferred to the resistor, spread over the entire contact area between the component and resistor.
In einer Anwendung weist das Bauteil einen 6D Kraft-Momentensensor mit mehreren Messspeichen auf, wobei jede Messspeiche mit mehreren Widerständen der Messvorrichtung versehen ist. In one application, the component has a 6D force-moment sensor with multiple measurement spokes, each measurement spoke being provided with a plurality of resistances of the measurement device.
In einem anderen Anwendungsbeispiel weist das Bauteil ein Flexspline eines Harmonie Drive-Getriebes auf. In another application example, the component has a flex spline of a Harmony Drive transmission.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung eines Widerstands, der dazu eingerichtet ist, eine mechanische Veränderung in eine Änderung seines Widerstandswertes umzusetzen, als Eingangswiderstand für einen Operationsverstärker. In another aspect, the invention relates to the use of a resistor configured to convert a mechanical change into a change in its resistance as an input resistance to an operational amplifier.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen von mechanischen Veränderungen, aufweisend: In another aspect, the invention relates to a method of measuring mechanical changes, comprising:
Bereitstellen einer der oben beschriebenen Anordnungen; Providing one of the above-described arrangements;
Versorgen des mindestens ersten Widerstands mit einer Eingangsspannung; und Supplying the at least first resistor with an input voltage; and
Ausgeben eines Messergebnisses an dem Ausgang des Operationsverstärkers. Outputting a measurement result at the output of the operational amplifier.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert: Fig. 1 : eine Schaltung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; Further advantages and features emerge from the exemplary embodiments. This shows, partially schematized: Fig. 1: a circuit according to an embodiment of the present invention;
Fig. 2: eine Anordnung von Widerständen an einem Bauteil nach einer2 shows an arrangement of resistors on a component after a
Ausführung der vorliegenden Erfindung; Embodiment of the present invention;
Fig. 3: eine Schaltung zur Verwendung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; 3 shows a circuit for use with embodiments of the present invention;
Fig. 4: eine Anordnung von Widerständen an einem Bauteil nach einer4 shows an arrangement of resistors on a component after a
Ausführung der vorliegenden Erfindung; Embodiment of the present invention;
Fig. 5: eine Anordnung von Widerständen an einem Bauteil nach einer5 shows an arrangement of resistors on a component after a
Ausführung der vorliegenden Erfindung; Embodiment of the present invention;
Fig. 6: eine Schaltung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; Fig. 6 shows a circuit according to an embodiment of the present invention;
Fig. 7: eine Schaltung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; Fig. 7: a circuit according to an embodiment of the present invention;
Fig. 8: eine Schaltung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; 8 shows a circuit according to an embodiment of the present invention;
Fig. 9: eine Schaltung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; 9 shows a circuit according to an embodiment of the present invention;
Fig. 10: eine Schaltung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; 10 shows a circuit according to an embodiment of the present invention;
Fig. 1 1 : eine Anordnung von Widerständen an einem Bauteil nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; Fig. 1 1: an arrangement of resistors on a component according to an embodiment of the present invention;
Fig. 12: eine Anordnung von Widerständen an einem Bauteil nach einer12 shows an arrangement of resistors on a component after a
Ausführung der vorliegenden Erfindung; Embodiment of the present invention;
Fig. 1 zeigt eine Schaltung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die Messschaltung 10 weist einen bipolar gespeisten Operationsverstärker 1 mit einem invertierenden Eingang 2, einem nicht-invertierenden Eingang 3 und einem Ausgang 4 auf. Der nicht-invertierende Eingang 3 liegt auf Masse (0V). Ein Knotenpunkt 7 der Schaltung 10 ist (direkt) an den invertierenden Eingang 2 gekoppelt. An dem Ausgang 4 kann die Ausgangsspannung U_aus abgenommen werden. Ein Widerstand RO ist elektrisch (direkt) mit dem Ausgang 4 und dem Knotenpunkt 7 gekoppelt. Auch mit dem Knotenpunkt 7 gekoppelt ist mindestens ein Eingangswiderstand - im gezeigten Beispiel vier Eingangswiderstände R1 , R2, R3 und R4. Für den ersten Eingangswiderstand R1 ist ein erster elektrischer Anschluss 5 angedeutet, der in elektrischer Hinsicht (direkt) mit dem Knotenpunkt 7 gekoppelt ist. Die Eingangswiderstände sind jeweils elektrisch (direkt) mit einer Eingangsspannung U1 , U2, U3 und U4 verbunden. Für den ersten Eingangswiderstand R1 ist ein zweiter elektrischer Anschluss 6 angedeutet, der in elektrischer Hinsicht (direkt) mit der Eingangsspannung U1 gekoppelt ist. Weitere Eingangswiderstände könnten in entsprechender Weise parallel zu den dargestellten Widerständen R1 bis R4 geschaltet sein. Fig. 1 shows a circuit according to an embodiment of the present invention. The measuring circuit 10 has a bipolar-fed operational amplifier 1 with an inverting input 2, a non-inverting input 3 and an output 4. The non-inverting input 3 is at ground (0V). A node 7 of the circuit 10 is coupled (directly) to the inverting input 2. At the exit 4 the output voltage U_off can be removed. A resistor RO is electrically (directly) coupled to the output 4 and the node 7. Also coupled to the node 7 is at least one input resistor - in the example shown four input resistors R1, R2, R3 and R4. For the first input resistor R1, a first electrical connection 5 is indicated, which is electrically coupled (directly) to the node 7. The input resistors are each electrically (directly) connected to an input voltage U1, U2, U3 and U4. For the first input resistance R1, a second electrical connection 6 is indicated, which is electrically coupled (directly) to the input voltage U1. Further input resistors could be connected in a corresponding manner parallel to the illustrated resistors R1 to R4.
Die Schaltung der Figur 1 mit nur einem Operationsverstärker 1 kann als einstufige Verstärkerschaltung angesehen werden. Der Wert des Gegenkopplungswiderstands R0 im Verhältnis zu den Eingangswiderständen R1 bis R4 bestimmt die Verstärkung. The circuit of Figure 1 with only one operational amplifier 1 can be regarded as a single-stage amplifier circuit. The value of the negative feedback resistance R0 in relation to the input resistors R1 to R4 determines the gain.
Es gilt: U_aus = - U1 (R0/R1) - U2 (R0/R2) - U3 (R0/R3) - U4 (R0/R4) The following applies: U_off = - U1 (R0 / R1) - U2 (R0 / R2) - U3 (R0 / R3) - U4 (R0 / R4)
Die Schaltung summiert also das Verhältnis von R0 zu Ri (i=1 ,2...), jeweils gewichtet durch die entsprechende Eingangsspannung. The circuit thus sums the ratio of R0 to Ri (i = 1, 2 ...), each weighted by the corresponding input voltage.
In dieser Ausführung der Erfindung sind die Widerstände R1 bis R4 keine Festwiderstände, sondern DMS. Somit kann die Schaltung dazu benutzt werden, mechanische Veränderungen, die Widerstandsänderungen der DMS bewirken, zu erfassen, denn eine Änderung der Widerstandswerte der Widerstände R1 bis R4 wirkt sich auf die Ausgangsspannung U_aus aus. In this embodiment of the invention, the resistors R1 to R4 are not fixed resistors, but strain gages. Thus, the circuit can be used to detect mechanical changes that cause changes in the resistance of the strain gages, because a change in the resistance values of the resistors R1 to R4 affects the output voltage U_out.
Die Eingangsspannungen können beispielsweise durch einen DA-Wandler bereitgestellt werden. The input voltages may be provided, for example, by a DA converter.
In durch den Erfinder durchgeführten Versuchen konnten gute Ergebnisse erzielt werden, wenn DMS für die Widerstände R1 bis R4 gewählt werden, deren Widerstandswerte ungefähr gleich groß sind, z.B. 350 W. Gleichwohl kann man aber auch unterschiedliche DMS mischen. Durch den Betrag und das Vorzeichen der Eingangsspannungen LH bis U4 kann die Gewichtung und das Vorzeichen der Änderung der Widerstände R1 bis R4 dabei individuell gesteuert werden. Durch das Hinzufügen von DMS kann die Auswirkung der Widerstandsänderung der benutzten DMS auf das Ausgangssignal beliebig gesteigert werden. Bei einer Wheatstoneschen Brücke ist dies über die vier grundsätzlich vorhandenen Brückenwiderstände hinaus nicht möglich. Schaltet man z.B. in einer Wheatstoneschen Brücke jeweils zwei DMS je Brückenzweig in Reihe, so hat man zwar bei gleicher Dehnung der beiden DMS in einem Brückenzweig die Widerstandsänderung verdoppelt, da aber auch der Gesamtwiderstand verdoppelt ist, ergibt sich der gleiche Einfluss auf die Ausgangsspannung der Brücke wie mit einzelnen DMS im Brückenzweig. Bei einer Parallelschaltung von DMS im Brückenzweig ergeben sich ähnliche Verhältnisse. In experiments carried out by the inventor, good results could be achieved if strain gauges were chosen for resistors R1 to R4, whose resistance values are approximately equal, eg 350 W. However, one can also mix different strain gauges. By the magnitude and the sign of the input voltages LH to U4, the weighting and the sign of the change of the resistors R1 to R4 can be controlled individually. By adding DMS, the effect of the change in resistance of the DMS used on the output signal can be increased as desired. For a Wheatstone bridge this is not possible beyond the four basic bridge resistances. If, for example, two strain gauges per branch bridge are connected in series in a Wheatstone bridge, the resistance change has been doubled with the same strain of the two strain gages in a bridge branch, but since the total resistance is also doubled, the same influence on the output voltage of the bridge results as with individual strain gauges in the bridge branch. Parallel connection of strain gages in the bridge branch results in similar conditions.
Besonders gute Ergebnisse können mit der Messschaltung 10 der Fig. 1 erzielt werden, wenn zumindest manche, und vorzugsweise alle DMS einen„Gegenspieler“ haben. Unter einem Gegenspieler zu einem ersten DMS ist vorzugsweise ein zweiter DMS zu verstehen, der an eine entgegengesetzte, etwa gleich große Eingangsspannung wie der erste DMS angeschlossen ist. Dies kann insbesondere dafür verwendet werden, um thermische Driften gering zu halten: Widerstandsänderungen eines ersten DMS aufgrund von Temperaturänderungen werden durch entsprechende Widerstandsänderungen eines zweiten DMS kompensiert. Particularly good results can be achieved with the measuring circuit 10 of FIG. 1, if at least some, and preferably all, strain gages have an "antagonist". A counterpart to a first DMS is preferably a second DMS, which is connected to an opposite, approximately the same input voltage as the first DMS. This can be used in particular to minimize thermal drifts: Resistance changes of a first DMS due to temperature changes are compensated by corresponding resistance changes of a second DMS.
Die Drahtlängen zweier als Gegenspieler verdrahteter DMS sind vorzugsweise etwa gleich zu wählen, so dass Temperaturänderungen keinen Offset der Ausgangsspannung hervorrufen. Die Rolle des Gegenspielers ist nicht fest vorgegeben, sondern kann bei aufeinanderfolgenden Messungen durch Ändern der Polarität der Eingangsspannungen zwischen den beteiligten DMS jeweils neu verteilt werden. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 kann beispielsweise in einer ersten Messung der R1 der Gegenspieler des R2 sein und der R3 der Gegenspieler des R4 sein. In einer zweiten Messung kann durch Ändern der Eingangsspannungen der R1 die Rolle des Gegenspielers des R3 annehmen und der R2 die des Gegenspielers des R4. The wire lengths of two wired as counterparts DMS are preferably about the same to choose, so that temperature changes cause no offset of the output voltage. The role of the opponent is not fixed but can be redistributed in successive measurements by changing the polarity of the input voltages between the DMSs involved. In the exemplary embodiment of FIG. 1, for example, in a first measurement R1 may be the opponent of R2 and R3 may be the antagonist of R4. In a second measurement, by changing the input voltages, the R1 can take on the role of the opponent of the R3 and the R2 the counterpart of the R4.
Als Variante des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 könnte man auch einen Festwiderstand als Gegenspieler eines DMS benutzen. Vorzugsweise wird dabei aber berücksichtigt, dass Festwiderstände ihren Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur unter Umständen anders ändern, insbesondere deutlich anders ändern, als DMS, die man in ihrer Scheindehnung auf einen Werkstoff (also das Material des Bauteils, an dem der DMS befestigt ist) abgleichen kann. Insgesamt gesehen ist mit einem Festwiderstand als Gegenspieler zu einem DMS mit größeren Driften zu rechnen. As a variant of the embodiment of FIG. 1, one could also use a fixed resistor as the counterpart of a DMS. Preferably, however, is taken into account that fixed resistors change their resistance depending on the temperature under certain circumstances differently, in particular change significantly different, as DMS, which in their meager stretching on a material (ie the material of the component, on which DMS is attached) can match. Overall, a fixed resistor can be expected as an opponent to a DMS with larger drifts.
Durch die individuell einstellbaren Eingangsspannungen können die DMS generell individuell gewichtet werden. Als Variante zu einer gleichen (aber entgegengesetzten) Gewichtung eines DMS und seines Gegenspielers wäre es möglich, durch verschieden große Eingangsspannungen eine ungleiche Gewichtung zu wählen. Dies kann dazu benutzt werden, bestimmte Effekte zu erzielen, z.B. um unsymmetrische Geometrien eines Bauteils zu berücksichtigen. Wenn beispielsweise eine Längenänderung eines Rohres, das in Umfangsrichtung unterschiedliche Wandstärken aufweist, durch eine Anordnung gemäß Figur 1 gemessen werden soll, kann es nützlich sein, einen ersten DMS, der an einem ersten Rohrabschnitt mit einer ersten Wandstärke befestigt ist, durch eine geeignete Eingangsspannung anders zu gewichten als einen zweiten DMS, der an einem zweiten Rohrabschnitt mit einer zweiten (zur ersten Wandstärke unterschiedlichen) Wandstärke befestigt ist. Vorzugsweise sind aber auch hier die Gewichtungen ähnlich, beispielsweise mit einer Abweichung von maximal 3 %, 5 % oder 10 %, um thermische Driften auf ein akzeptables Maß zu beschränken. Due to the individually adjustable input voltages, the strain gauges can generally be individually weighted. As a variant to an equal (but opposite) weighting of a DMS and its counterpart, it would be possible to choose an unequal weighting by different input voltages. This can be used to achieve certain effects, e.g. to consider asymmetrical geometries of a component. For example, if a change in length of a pipe having circumferentially different wall thicknesses is to be measured by an arrangement according to Figure 1, it may be useful to have a first strain gauge attached to a first pipe section having a first wall thickness different from a suitable input voltage to weight as a second DMS, which is attached to a second pipe section with a second (different from the first wall thickness) wall thickness. Preferably, however, the weights are also similar here, for example with a deviation of at most 3%, 5% or 10%, in order to limit thermal drifts to an acceptable level.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung von Widerständen (DMS) an einem Bauteil nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. An einem runden Stab (oder Rohr) 15, der im Querschnitt angedeutet ist, sind vier DMS (DMS 1 bis DMS 4) gleichmäßig am Umfang des Stabes verteilt befestigt. In diesem Beispiel sind die DMS in Längsrichtung an einer Oberfläche des Stabes befestigt. Dabei sind die DMS vorzugsweise flächig mit der Oberfläche des Stabs verbunden, beispielsweise auf den Stab geklebt. Eine Längenänderung des Abschnitts des Stabes, an dem ein DMS befestigt ist, bewirkt eine Längenänderung des entsprechenden DMS und somit eine Änderung des Widerstandswertes des DMS, die gemäß der Figur 1 ausgewertet werden kann. Fig. 2 shows an arrangement of resistors (DMS) on a component according to an embodiment of the present invention. On a round rod (or tube) 15, which is indicated in cross section, four strain gauges (SG 1 to SG 4) are evenly distributed around the circumference of the rod. In this example, the strain gages are attached longitudinally to a surface of the rod. The DMS are preferably connected flat to the surface of the rod, for example, glued to the rod. A change in length of the portion of the rod to which a DMS is attached, causes a change in length of the corresponding DMS and thus a change in the resistance value of the DMS, which can be evaluated according to the figure 1.
Durch gestrichelte Linien sind in Figur 2 auch zwei Achsen 20, 21 angedeutet, um die sich der Stab 15 biegen kann. Schaltet man die DMS 1 und 4 mit positiver Gewichtung und die DMS 2 und 3 mit negativer Gewichtung misst man das Biegemoment um die Achse 20. Im Gegenzug misst man das Biegemoment und die Achse 21 , wenn man die DMS 3 und 4 positiv wichtet und die DMS 1 und 2 negativ. Dieser Wechsel der Gewichtung kann durch einfachen Wechsel des Vorzeichens der an den jeweiligen DMS anliegenden Eingangsspannungen geschehen. In einer Variante (nicht dargestellt) könnte man die DMS ähnlich wie in Figur 2 befestigen, jedoch abwechselnd schräg unter einem Winkel von 45° bis ca. 80° zur Längsachse des Stabes. Somit kann man bei entsprechenden Eingangsspannungen nicht nur die Biegung um die Achsen 20 und 21 messen, sondern auch noch die Torsion um die Längsachse des Stabes. Durch einen Winkel größer 45° kann man die Aussteuerung des Messverstärkers bei der Torsionsmessung im Verhältnis zur Aussteuerung bei der Biegungsmessung verringern. Man könnte dafür aber auch alternativ den Betrag der Eingangsspannungen je nach Messgröße variieren. By dashed lines, two axes 20, 21 are indicated in Figure 2, around which the rod 15 can bend. If you switch the strain gauges 1 and 4 with positive weighting and the DMS 2 and 3 with negative weighting measures the bending moment about the axis 20. In turn, you measure the bending moment and the axis 21, if the DMS 3 and 4 positive weights and the DMS 1 and 2 negative. This change in weighting can be done by simply changing the sign of the input voltages applied to the respective DMS. In a variant (not shown) could attach the DMS similar to Figure 2, but alternately obliquely at an angle of 45 ° to about 80 ° to the longitudinal axis of the rod. Thus, with appropriate input voltages, it is not only possible to measure the bending about the axes 20 and 21, but also the torsion about the longitudinal axis of the rod. An angle greater than 45 ° can be used to reduce the modulation of the measuring amplifier in the torsion measurement in relation to the deflection in the bending measurement. Alternatively, one could vary the amount of input voltages depending on the measured variable.
Im Prinzip sind Winkel zwischen 0° und 90° wählbar. Sinnvolle Winkelwerte können für jede Anwendung empirisch bestimmt werden. In vielen Fällen werden die Winkel zwischen 10° und 80° betragen, oder zwischen 30° und 60° betragen oder zwischen 40° und 50° betragen. Beispielsweise kann der Winkel im Wesentlichen 45° betragen. In principle, angles between 0 ° and 90 ° can be selected. Useful angle values can be determined empirically for each application. In many cases, the angles will be between 10 ° and 80 °, or between 30 ° and 60 °, or between 40 ° and 50 °. For example, the angle may be substantially 45 °.
Für die Vorzeichen der Eingangsspannungen könnte die folgende Tabelle benutzt werden: For the signs of the input voltages, the following table could be used:
Bei sukzessiver Umschaltung der Eingangsspannungen U1 bis U4 würde man am Ausgang 4 des Verstärkers 1 nacheinander elektrische Spannungen proportional zu den gewünschten Messgrößen erhalten. With successive switching of the input voltages U1 to U4, one would successively receive electrical voltages proportional to the desired measured variables at the output 4 of the amplifier 1.
Je nach verwendeten Komponenten können für die Umschaltung der Eingangsspannungen beispielsweise bilaterale CMOS Schalter benutzt werden. Vorzugsweise werden diese mit nachgeschalteten Impedanzwandlern benutzt. Ein Beispiel eines solchen Impedanzwandlers ist in Figur 3 gezeigt, wobei der CMOS Schalter durch das Bezugszeichen 17 angedeutet ist. Zwei verschiedene Eingangsspannungen U1 a und U1 b liegen an den Eingängen des CMOS Schalters an. Ein Ausgang des CMOS Schalters ist mit einem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärker 18 gekoppelt (dieser Operationsverstärker 18 ist nicht mit dem Operationsverstärker 1 aus der Fig. 1 zu verwechseln). Ein Ausgang 19 des Operationsverstärkers 18 ist in an sich bekannter Weise an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 18 rückgekoppelt. Außerdem dient der Ausgang 19 als Eingangsspannung U1 für den DMS 1 (bzw. R1 ) der Fig. 1. Depending on the components used, for example, bilateral CMOS switches can be used to switch the input voltages. Preferably, these are used with downstream impedance transformers. An example of such an impedance converter is shown in FIG. 3, the CMOS switch being indicated by reference numeral 17. Two different input voltages U1 a and U1 b are applied to the inputs of the CMOS switch. An output of the CMOS switch is coupled to a non-inverting input of an operational amplifier 18 (this operational amplifier 18 is not to be confused with the operational amplifier 1 of FIG. 1). An output 19 of the operational amplifier 18 is connected in a manner known per se to the inverting input of the operational amplifier 18 fed back. In addition, the output 19 serves as an input voltage U1 for the strain gauge 1 (or R1) of FIG. 1.
Die in Fig. 3 angedeutete Umschaltung kann beispielsweise mit einer Frequenz von mehreren zig Kilohertz vorgenommen werden, was für die quasi gleichzeitige Messung von mechanischen Größen in vielen Fällen ausreichend ist. The indicated in Fig. 3 switching can be made, for example, with a frequency of several tens of kilohertz, which is sufficient for the quasi-simultaneous measurement of mechanical variables in many cases.
Die Trennung der Messgrößen am Ausgang 4 (Fig. 1 ) kann durch AD - Wandlung der Ausgangsspannung U_aus des Messverstärkers erfolgen, gegebenenfalls nach einer gewissen Einschwingzeit jeweils nach Umschaltung der Eingangsspannungen der DMS. Die Steuerung der CMOS Schalter, des AD - Wandlers und einer digitalen Ausgangsschnittstelle (nicht dargestellt) sowie eine Aufbereitung der Messdaten in physikalischen Einheiten kann über einen im Sensor integrierten Mikrocontroller (nicht dargestellt) erfolgen. Im Allgemeinen würde der Anwender von der schnellen Umschaltung der Eingangsspannungen der DMS im praktischen Messbetrieb nichts merken. Mit anderen Worten, der Anwender hätte typischerweise den Eindruck, dass die verschiedenen Messungen (Biegung um verschiedene Achsen, Torsion usw.) im Wesentlichen zeitgleich erfolgen und gleichzeitig ausgegeben/angezeigt werden. The separation of the measured quantities at the output 4 (FIG. 1) can take place by AD conversion of the output voltage U_out of the measuring amplifier, if appropriate after a certain settling time respectively after switching over the input voltages of the strain gauges. The control of the CMOS switches, the AD converter and a digital output interface (not shown) as well as a processing of the measurement data in physical units can take place via a microcontroller (not shown) integrated in the sensor. In general, the user would not notice the rapid switching of the input voltages of the strain gauges in practical measuring mode. In other words, the user would typically feel that the various measurements (bending about different axes, torsion, etc.) are essentially simultaneous and output / displayed at the same time.
Figur 4 zeigt ein weiteres Beispiel, das sich an das Beispiel der Figur 2 anlehnt. Ein Abschnitt der Oberfläche des Stabes 15 ist als Fläche dargestellt, auf der zwei DMS 30, 31 senkrecht zueinander angeordnet sind. DMS 30 ist entlang der Längsrichtung des Stabes 15 („linear“) angeordnet. DMS 31 ist quer zur Längsrichtung des Stabes 15 angeordnet. FIG. 4 shows a further example, which is based on the example of FIG. A portion of the surface of the rod 15 is shown as a surface on which two strain gages 30, 31 are arranged perpendicular to each other. DMS 30 is arranged along the longitudinal direction of the rod 15 ("linear"). DMS 31 is arranged transversely to the longitudinal direction of the rod 15.
Die Anordnung der Figur 4 kann für die Messung der Biegemomente und der Zug- /Druckkraft auf den runden Stab 15 benutzt werden. Dabei ist es sinnvoll, drei oder vier solcher Gruppen zu verwenden, die unter 120° bzw. 90° am Umfang des Stabes verteilt angeordnet werden. Für die Messung von Zug/Druck bzw. Biegung linear/quer zu verschiedenen Ebenen können die Vorzeichen (Eingangsspannung) für die Gewichtung der DMS beispielsweise wie folgt gewählt werden: The arrangement of Figure 4 can be used for the measurement of the bending moments and the tensile / compressive force on the round bar 15. It makes sense to use three or four such groups, which are arranged distributed at 120 ° or 90 ° on the circumference of the rod. For the measurement of tension / compression or bending linear / transverse to different planes, the signs (input voltage) for the weighting of the strain gauges can be selected as follows, for example:
Eine weitere Variante ist in Figur 5 dargestellt. Figur 5 zeigt die Oberfläche (bzw. einen Abschnitt der Oberfläche) des Stabes 15, an der vier Paare von DMS angeordnet sind. Jedes Paar weist jeweils einen DMS 33, 35, 37, 39 quer zur Längsrichtung des Stabes 15 und jeweils einen DMS 32, 34, 36, 38 auf, der bezüglich der Längsrichtung des Stabes 15 um einen Winkel zwischen 0 ° und 90 ° geneigt ist, beispielsweise ca. 45° (siehe auch die Variante zur Figur 2 bezüglich der möglichen Winkel). Dabei sind die geneigten DMS abwechselnd in die eine oder andere Richtung geneigt, also DMS 32 und 36 nach rechts und DMS 34 und 38 nach links. Another variant is shown in FIG. Figure 5 shows the surface (or portion of the surface) of the rod 15 on which four pairs of strain gauges are arranged. Each pair has a respective DMS 33, 35, 37, 39 transversely to the longitudinal direction of the rod 15 and a respective DMS 32, 34, 36, 38 which is inclined with respect to the longitudinal direction of the rod 15 by an angle between 0 ° and 90 ° , For example, about 45 ° (see also the variant of Figure 2 with respect to the possible angle). The inclined DMS are alternately inclined in one or the other direction, so DMS 32 and 36 to the right and DMS 34 and 38 to the left.
Mit einer solchen Anordnung können die Biegemomente in zwei Ebenen, die Zug- /Druckkraft sowie das Torsionsmoment, welches auf den Stab 15 einwirkt, messen. Die Gewichtungen der DMS können dabei wie folgt gewählt werden: With such an arrangement, the bending moments in two planes, the tensile / compressive force and the torsional moment, which acts on the rod 15, measure. The weights of the strain gauges can be chosen as follows:
Es wird nun die Auswertung von Messergebnissen unter Verwendung einer Schaltung gemäß Figur 1 näher betrachtet. Mit beispielsweise vier Eingangswiderständen R1 bis R4 gilt, wie bereits erwähnt: The evaluation of measurement results using a circuit according to FIG. 1 will now be considered in more detail. With, for example, four input resistors R1 to R4, as already mentioned:
U_aus = - U1 (R0/R1 ) - U2 (R0/R2) - U3 (R0/R3) - U4 (R0/R4) Wenn man beispielsweise R3 als Gegenspieler zu R1 benutzen möchte und R4 als Gegenspieler zu R2 benutzen möchte, und wenn weiterhin die Eingangsspannungen betragsmäßig alle gleich, aber für Gegenspieler von entgegengesetzter Polarität sind, könnte man schreiben: U1 = U2 = U ein und U3 = U4 = -U ein U_off = - U1 (R0 / R1) - U2 (R0 / R2) - U3 (R0 / R3) - U4 (R0 / R4) For example, if you want to use R3 as the opponent to R1 and use R4 as the opponent to R2, and Furthermore, if the input voltages are all the same in magnitude, but for opponents of opposite polarity, one could write: U1 = U2 = U on and U3 = U4 = -U on
Außerdem betrachten wir einen Fall, in dem alle Widerstände den gleichen Widerstandswert R im Grundzustand (also ohne Dehnung) haben. In dem Fall gilt: Ri = R + ARi (i = 1..4) In addition, consider a case in which all resistors have the same resistance value R in the ground state (that is, without strain). In the case: Ri = R + ARi (i = 1..4)
Wobei ARi die durch Dehnung hervorgerufene Änderung des Widerstandswertes des Widerstands Ri ist. Daraus ergibt sich Where ARi is the strain-induced change in the resistance of the resistor Ri. This results in
U_aus/U_ein = - R0/(R + AR1 ) - R0/(R + AR2) + R0/(R + AR3) + R0/(R + AR4). U_off / U_ein = - R0 / (R + AR1) - R0 / (R + AR2) + R0 / (R + AR3) + R0 / (R + AR4).
Wählt man für den in Fig. 1 gezeigten Gegenkopplungswiderstand RO = R, so kann man näherungsweise schreiben: If one chooses for the negative feedback resistance RO = R shown in FIG. 1, one can approximately write:
U_aus/U_ein = + AR1/R + AR2/R - AR3/R - AR4/R U_off / U_ein = + AR1 / R + AR2 / R - AR3 / R - AR4 / R
Dabei ist anzumerken, dass die durch die Näherung verursachte Abweichung zu einer exakten Berechnung nur ca. 0,0008 % bei DMS mit 350 W und einer durch die Dehnung verursachten Verstimmung von 1 W beträgt. Diese Abweichung ist in der Regel deutlich kleiner als die zu erwartende Messgenauigkeit. It should be noted that the deviation caused by the approximation to an exact calculation is only about 0.0008% for strain gages with 350 W and a distortion caused by the strain of 1 W. This deviation is usually much smaller than the expected measurement accuracy.
Durch die Wahl von RO kann die Gesamtverstärkung gewählt werden. Wählt man statt RO = R beispielsweise RO = 35 kD für den Gegenkopplungswiderstand und R = 350 W als Widerstandswert des DMS, so ergäbe sich eine Verstärkung um einen Faktor von 100. By selecting RO, the overall gain can be selected. If, for example, RO = 35 kD for the negative feedback resistance and R = 350 W as the resistance value of the strain gage instead of RO = R, a gain of 100 would result.
Statt (zeitweise) konstanter Eingangsspannungen und ohmschen Eingangswiderständen kann man auch Wechselspannungen als Eingangsspannungen an z.B. induktiven oder kapazitiven Eingangswiderständen aufschalten. Bei einem induktiven Widerstand würde sich typischerweise eine mechanische Veränderung so auf den induktiven Widerstand auswirken, dass ein ferromagnetischer Kern sich in eine Spule des induktiven Widerstands schiebt oder aus dieser zumindest teilweise herausgezogen wird, wodurch sich eine Änderung seines Widerstandswertes ergibt. Bei einem kapazitiven Widerstand würde eine Änderung seines Widerstandswertes typischerweise dadurch hervorgerufen, dass sich aufgrund von mechanischen Veränderungen der Abstand von zwei Platten eines Kondensators des kapazitiven Widerstands ändert. Instead of (temporarily) constant input voltages and ohmic input resistors, it is also possible to use alternating voltages as input voltages to e.g. switch on inductive or capacitive input resistors. In the case of an inductive resistor, a mechanical change would typically affect the inductive resistance such that a ferromagnetic core pushes into or is at least partly pulled out of a coil of the inductive resistor, resulting in a change in its resistance value. For a capacitive resistor, a change in its resistance would typically be caused by changes in the spacing of two plates of a capacitor of the capacitance due to mechanical changes.
Bei der Verwendung von induktiven oder kapazitiven Eingangswiderständen kann allerdings ein Zielkonflikt zwischen der Wechselspannungsfrequenz und der Umschaltfrequenz der Gewichtungen der Eingangsspannungen entstehen. Au ßerdem benötigen die Phasenverschiebungen bei einem Vorzeichenwechsel der Gewichtungen eine gewisse Zeit, da induktive oder kapazitive Messwiderstände mehr zum Schwingen neigen als ohmsche DMS Widerstände, die man im Rahmen der möglichen Anstiegsraten der Impedanzwandler beispielsweise innerhalb weniger Mikrosekunden umschalten kann. When using inductive or capacitive input resistors, however, a conflict of interest between the AC frequency and the switching frequency of the weights of the input voltages may arise. In addition, the phase shifts require a certain amount of time for a sign change of the weights, since inductive or capacitive measuring resistors are more susceptible to oscillations As ohmic strain gages, they have resistances that can be switched within the range of the possible slew rates of the impedance transformers, for example within a few microseconds.
Bei der Schaltung gemäß Figur 1 kommt ein weiterer Vorteil der Schaltung zum Tragen. Es ist nämlich möglich, in einem Testbetrieb (also in der Regel ohne mechanische Veränderung der DMS) einzelne DMS (beispielsweise nur einen DMS) durch Anlegen einer von Masse (0V) verschiedenen Eingangsspannung einzuschalten und alle anderen abzuschalten (OV). Durch Messen der tatsächlich am Ausgang 4 des Operationsverstärkers 1 anliegenden Spannung U_aus und Vergleichen mit der zu erwartenden Ausgangsspannung kann ermittelt werden, ob der eingeschaltete Eingangswiderstand funktionsfähig bzw. korrekt angeschlossen ist. Ergibt sich eine Abweichung außerhalb einer festgelegten oder festzulegenden Toleranz, kann daraus geschlossen werden, dass der eingeschaltete Eingangswiderstand nicht funktionsfähig bzw. nicht korrekt angeschlossen ist. Dieser Test kann sukzessive für andere Widerstände der Schaltung durchgeführt werden. Damit kann die Integrität der Messanordnung geprüft werden. Weil die Eingangswiderstände gegebenenfalls relativ schnell ein- und ausgeschaltet werden können, kann dieser Test in relativ kurzer Zeit durchgeführt werden. Dies ist insbesondere bei einer großen Anzahl angeschlossener DMS von Vorteil. In the circuit of Figure 1, another advantage of the circuit comes into play. It is in fact possible to switch on individual strain gauges (for example, only one strain gage) in a test mode (ie, as a rule without mechanical change of the strain gauge) by applying an input voltage different from ground (0V) and shutting off all others (OV). By measuring the voltage U_out actually present at the output 4 of the operational amplifier 1 and comparing it with the expected output voltage, it is possible to determine whether the input resistance switched on is operationally or correctly connected. If a deviation outside a specified or specified tolerance, it can be concluded that the input resistance is not functional or not connected correctly. This test can be performed successively for other resistors of the circuit. Thus, the integrity of the measuring arrangement can be checked. Because the input resistors can be switched on and off relatively quickly if necessary, this test can be carried out in a relatively short time. This is particularly advantageous for a large number of connected DMS.
Weiterbildungen der in Figur 1 vorgestellten Schaltung werden nun anhand der Fig. 6 bis 10 beschrieben. Further developments of the circuit presented in FIG. 1 will now be described with reference to FIGS. 6 to 10.
Die einstufige Schaltung der Figur 1 stellt eine Grundschaltung dar, die Gleichtaktspannungen an den Eingängen (z.B. Netzbrummen) nicht unterdrückt. Um eine Gleichtaktunterdrückung zu ermöglichen, kann eine zweistufige Schaltung gemäß Figur 6 benutzt werden. Diese Schaltung weist in einer ersten (Verstärkungs-)Stufe wiederum einen Operationsverstärker 1 mit einem Gegenkopplungswiderstand ROa und Eingangswiderständen auf. In dem gezeigten Beispiel sind nur zwei Eingangswiderstände R1 und R2 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 und entsprechenden Eingangsspannungen U1 und U2 verbunden. Die Schaltung kann aber auch weitere Eingangswiderstände aufweisen. In entsprechender Weise weist die Schaltung einen zweiten Operationsverstärker 100 auf, an den wiederum ein Gegenkopplungswiderstand ROa und Eingangswiderstände R3 und R4 angeschlossen sind. Der zweite Operationsverstärker 100 ist auch Teil der ersten (Verstärkungs-)Stufe. Die Ausgänge der Operationsverstärker 1 und 100 sind jeweils über Widerstände R5 an den invertierenden bzw. den nicht-invertierenden Eingang eines dritten Operationsverstärkers 200, der eine zweite (Verstärkungs-)Stufe darstellt, angeschlossen. Dessen Ausgang ist über einen weiteren Gegenkopplungswiderstand ROb mit dem invertierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers 200 verbunden. Der nicht invertierende Eingang des dritten Operationsverstärkers 200 ist über einen weiteren Widerstand ROb mit Masse (0V) verbunden. An dem Ausgang des dritten Operationsverstärkers 200 kann die Ausgangsspannung U_aus abgenommen werden. The single-stage circuit of FIG. 1 represents a basic circuit which does not suppress common-mode voltages at the inputs (eg mains hum). In order to enable common-mode rejection, a two-stage circuit according to FIG. 6 can be used. This circuit again comprises, in a first (amplification) stage, an operational amplifier 1 with a negative feedback resistor ROa and input resistors. In the example shown, only two input resistors R1 and R2 are connected to the inverting input of the operational amplifier 1 and corresponding input voltages U1 and U2. The circuit can also have other input resistors. In a corresponding manner, the circuit has a second operational amplifier 100, to which in turn a negative feedback resistor ROa and input resistors R3 and R4 are connected. The second operational amplifier 100 is also part of the first (amplification) stage. The outputs of the operational amplifiers 1 and 100 are respectively connected via resistors R5 to the inverting and non-inverting inputs of a third operational amplifier 200, which constitutes a second (amplification) stage. Whose output is connected via a further negative feedback resistor ROb to the inverting input of the third operational amplifier 200. The non-inverting input of the third operational amplifier 200 is connected to ground (0V) via a further resistor ROb. At the output of the third operational amplifier 200, the output voltage U_aus can be removed.
In der Schaltung der Figur 6 werden also zwei Eingangsverstärker 1 , 100 für zwei DMS Gruppen benutzt. Die Differenz der Ausgangssignale wird dann in einer weiteren Stufe gebildet und verstärkt. Thus, in the circuit of FIG. 6, two input amplifiers 1, 100 are used for two DMS groups. The difference of the output signals is then formed and amplified in a further stage.
Statt des in Fig. 6 gezeigten Differenzverstärkers 200 kann die Verstärkung der zweiten Stufe auch durch einen fertig integriert erhältlichen Instrumentenverstärker, dessen Verstärkung nur mit einem einzelnen externen Widerstand festgelegt wird, realisiert werden. Instead of the differential amplifier 200 shown in Fig. 6, the second stage gain can also be realized by a fully integrated instrument amplifier whose gain is set with only a single external resistor.
Figur 7 zeigt eine Variante der Schaltung der Figur 1 . Die Eingangsspannungen U1 bis U4 werden über Sensorleitungen zurückgeführt und können dann als rückgeführte Spannungen U1 S bis U4S gemessen werden. Eine solche Schaltung kann insbesondere bei relativ langen Kabeln zwischen der Spannungsquelle / den Spannungsquellen, die die Eingangsspannungen U1 bis U4 bereitstellt / bereitstellen, und den Eingangswiderständen R1 bis R4 benutzt werden. Ebenso findet diese Schaltung bei erhöhten Anforderungen an die Messgenauigkeit Anwendung. Bei dieser Schaltung wird angenommen, dass die Spannungsverluste in dem Kabel von einer Eingangs- Spannungsquelle (Ui) zu dem entsprechenden Eingangswiderstand (Ri) etwa so groß sind wie die Spannungsverluste in der entsprechenden rückführenden Sensorleitung. Dementsprechend kann der Mittelwert zwischen der (angelegten) Eingangsspannung Ui und der rückgeführten Sensorspannung UiS als tatsächlich am (in der Figur linken) Eingang 6 eines Eingangswiderstands Ri anliegende Spannung angenommen werden. Die Messwertanzeige des Messverstärkers kann entsprechend korrigiert werden. FIG. 7 shows a variant of the circuit of FIG. 1. The input voltages U1 to U4 are fed back via sensor lines and can then be measured as returned voltages U1 S to U4S. Such a circuit may be used, in particular, for relatively long cables between the voltage source (s) providing the input voltages U1 to U4 and the input resistors R1 to R4. Likewise, this circuit is used with increased demands on the accuracy of measurement. In this circuit, it is assumed that the voltage losses in the cable from an input voltage source (Ui) to the corresponding input resistance (Ri) are about as large as the voltage losses in the corresponding feedback sensor line. Accordingly, the mean value between the (applied) input voltage Ui and the returned sensor voltage UiS can be assumed to be actually applied to the input (in the figure on the left) input 6 of an input resistor Ri. The measured value display of the measuring amplifier can be corrected accordingly.
Figur 8 zeigt eine weitere Schaltungsvariante basierend auf der Schaltung der Figur 1 . In Figur 8 wird zusätzlich ein Shuntwiderstand 40 benutzt, der durch einen Schalter 41 zu einem DMS (hier R1 ) parallel geschaltet werden kann. Bei geschlossenem Schalter 41 ergibt sich eine definierte Verstimmung der Messschaltung, d.h. beim Zuschalten des Shuntwiderstands 40 macht die Ausgangsspannung U_aus einen Sprung. Anhand des gemessenen) Wertes dieses Sprungs und des (im Voraus bekannten) Widerstandswertes des Shuntwiderstands 40 kann eine Kalibrierung des Messverstärkers bzw. eine Prüfung der Schaltung auf korrekte Funktion durchgeführt werden. FIG. 8 shows a further circuit variant based on the circuit of FIG. 1. In Figure 8, a shunt resistor 40 is additionally used, which can be connected in parallel by a switch 41 to a DMS (here R1). When switch 41 is closed the result is a defined detuning of the measuring circuit, ie when the shunt resistor 40 is switched on, the output voltage U_out makes a jump. On the basis of the measured value of this jump and of the (known in advance) resistance value of the shunt resistor 40, a calibration of the measuring amplifier or a test of the circuit for correct function can be carried out.
Die Figuren 9 und 10 zeigen eine weitere Schaltungsvariante basierend auf der Schaltung der Figur 1. In den Figuren 9 und 10 ist zusätzlich ein Testwiderstand 42 (R test) vorhanden. Dieser kann über einen Schalter 43 mit einer Eingangsspannung versorgt werden. Der Schalter 43 verbindet den Testwiderstand 42 entweder mit einer Testspannung U_test (Fig. 9) oder mit Masse (0V, Fig. 10). Der Testwiderstand 42 ist auch mit dem Knotenpunkt 7 und somit auch mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 verbunden. FIGS. 9 and 10 show a further circuit variant based on the circuit of FIG. 1. FIGS. 9 and 10 additionally show a test resistor 42 (R test). This can be supplied via a switch 43 with an input voltage. The switch 43 connects the test resistor 42 either to a test voltage U_test (FIG. 9) or to ground (0V, FIG. 10). The test resistor 42 is also connected to the node 7 and thus also to the inverting input of the operational amplifier 1.
In einem Testbetrieb, der in Figur 9 dargestellt ist, ist (nur) der Testwiderstand 42 mit einer von Masse verschiedenen Eingangsspannung verbunden. Alle anderen Eingangswiderstände R1 bis R4 liegen mit ihren Eingängen auf Masse. In diesem Testbetrieb kann insbesondere die korrekte Funktion des Operationsverstärkers 1 überprüft werden. In a test mode, shown in FIG. 9, (only) the test resistor 42 is connected to an input voltage different from ground. All other input resistors R1 to R4 are grounded with their inputs. In particular, the correct operation of the operational amplifier 1 can be checked in this test mode.
Um die Schaltung für den normalen Messbetrieb zu benutzen, wird, wie in Figur 10 gezeigt, der Eingang des Testwiderstands 42 durch den Schalter 43 auf Masse gelegt. Die anderen Eingangswiderstände R1 bis R4 können dann mit ihren entsprechenden, von Masse verschiedenen Eingangsspannungen verbunden werden. Der Testwiderstand beeinflusst die Messung dann (im Wesentlichen) nicht, so dass sich die Schaltung wie in Figur 1 verhält. In order to use the circuit for the normal measuring operation, as shown in Figure 10, the input of the test resistor 42 by the switch 43 is grounded. The other input resistors R1 to R4 can then be connected to their respective ground different input voltages. The test resistor then does not (essentially) affect the measurement, so that the circuit behaves as in FIG.
Figur 1 1 zeigt ein Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der 6D Kraft- Momentensensor 50 hat eine mittlere Werkzeugnabe 54, die mit vier Messspeichen 56 verbunden ist. An ihren äußeren Enden sind die Messspeichen 56 jeweils mit einem zentralen Bereich einer Blattfeder 58 verbunden. Der Sensor weist auch vier Gehäuseanschraubpunkte 52 auf. Die vier Blattfedern 58 erstrecken sich zwischen den Gehäuseanschraubpunkten 52. An jeder Messspeiche 56 sind mehrere DMS 60 angeordnet. In dem gezeigten Beispiel befinden sich auf der sichtbaren Seite der Anordnung jeweils zwei DMS 60 auf jeder Messspeiche 56, wobei jeder DMS 60 um ca. 45° zu einer Mittellinie der Messspeiche 56 geneigt ist. Auf jeder Messspeiche 56 ist ein DMS 60 nach rechts geneigt und ein DMS 60 nach links. Insgesamt sind also auf der sichtbaren Seite der Anordnung acht DMS 60 angeordnet. Zusätzlich befinden sich auf der nicht sichtbaren, dem Beobachter abgewandten Seite weitere acht DMS 60 in einer entsprechenden oder ähnlichen Anordnung, insgesamt also sechzehn DMS 60. FIG. 11 shows an application example of the present invention. The 6D force-moment sensor 50 has a central tool hub 54 connected to four measuring spokes 56. At their outer ends, the measuring spokes 56 are each connected to a central region of a leaf spring 58. The sensor also has four housing screw 52 points. The four leaf springs 58 extend between the Gehäuseanschraubpunkten 52. At each measuring spoke 56 a plurality of DMS 60 are arranged. In the example shown, two strain gages 60 are located on each measuring spoke 56 on the visible side of the arrangement, each strain gauge 60 being inclined by approximately 45 ° to a center line of the measuring spoke 56. On each measuring spoke 56 is a DMS 60 inclined to the right and a DMS 60 to the left. Overall, therefore, eight DMS 60 are arranged on the visible side of the arrangement. In addition, located on the invisible, the observer side facing another eight DMS 60 in a corresponding or similar arrangement, a total of sixteen DMS 60th
Die DMS 60 von jeweils zwei benachbarten Messspeichen bilden jeweils einen eigenen 6D Sensor. Dabei entstehen zwei redundante 6D Sensoren. The DMS 60 of two adjacent measuring spokes each form their own 6D sensor. This creates two redundant 6D sensors.
Mit der in Figur 1 1 gezeigten Anordnung können durch die DMS 60 Kräfte und/oder Momente in den Messspeichen gemessen werden, wenn sich die mittlere Werkzeugnabe 54 gegenüber den Gehäuseanschraubpunkten 52 bewegt. Die Messungen können durch die vorangehend beschriebenen Schaltungen ausgewertet werden. With the arrangement shown in FIG. 11, forces and / or moments in the measuring spokes can be measured by the strain gages 60 when the middle tool hub 54 moves relative to the housing screw-on points 52. The measurements can be evaluated by the circuits described above.
Mit dem Sensor 50 können jeweils die Biegemomente in zwei Ebenen, das Torsionsmoment sowie die Kräfte in drei Koordinatenrichtungen gemessen werden. With the sensor 50, the bending moments in two planes, the torsional moment and the forces in three coordinate directions can be measured in each case.
Figur 12 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Figur 12 zeigt in vereinfachter Darstellung ein Harmonie Drive Getriebe 70 bzw. einen Teil davon. Unmittelbar auf dem Flexspline 72 des Getriebes 70 sind vier DMS 74 in zwei DMS Gruppen befestigt, die zur Drehmomentmessung benutzt werden können. Innerhalb von einer Gruppe sind die zwei DMS 74 um 90° gegeneinander gedreht. Im vorliegenden Beispiel sind die DMS 74 einer Gruppe über Kreuz angeordnet. Die zwei Gruppen sind gegeneinander um 90° in Umfangsrichtung des Flexspline 72 versetzt. Zwei DMS 74 (einer von jeder Gruppe) sind also in Umfangsrichtung gleich ausgerichtet. Diese stehen in Umfangsrichtung senkrecht zu den beiden anderen DMS 74. Figure 12 shows another application example of the present invention. FIG. 12 shows, in a simplified representation, a Harmony Drive transmission 70 or a part thereof. Immediately on the flexspline 72 of the transmission 70, four strain gauges 74 are mounted in two DMS groups that can be used for torque measurement. Within one group, the two strain gages 74 are rotated by 90 ° with respect to each other. In the present example, the DMSs 74 of a group are arranged crosswise. The two groups are offset from each other by 90 ° in the circumferential direction of the Flexspline 72. Two DMS 74 (one of each group) are thus aligned in the circumferential direction. These are in the circumferential direction perpendicular to the other two DMS 74th
Je zwei in Umfangsrichtung gleich ausgerichtete DMS 74 können durch entsprechende Eingangsspannungen mit entgegengesetztem Vorzeichen zu den jeweils senkrecht dazu stehenden beiden anderen DMS ausgewertet werden. Durch die komplexe Verformung des Flexspline können dabei jedoch Störharmonische mit der doppelten und der vierfachen Umlauffrequenz des Wavegenerators des Harmonie Drive Getriebes entstehen. Um diese Störharmonischen zu kompensieren, kann man die DMS 74 in einer festen zeitlichen Abfolge unterschiedlich gewichten. Die Stärke der Kompensation kann man dabei durch die zeitliche Dauer der Gewichtung und/oder durch die Größe des Betrages der Gewichtung einstellen. Beispielsweise: Each two circumferentially aligned DMS 74 can be evaluated by corresponding input voltages of opposite sign to each perpendicular thereto two other strain gages. However, due to the complex deformation of the Flexspline, interference harmonics with twice and four times the rotational frequency of the wave generator of the Harmonie Drive gearbox can be created. To compensate for these interfering harmonics, one can weight the DMS 74 differently in a fixed time sequence. The strength of the compensation can be adjusted by the duration of the weighting and / or by the magnitude of the weighting. For example:
Durch die Gewichtung mit entgegengesetztem Vorzeichen der DMS 1 und 2 sowie der DMS 3 und 4 (erste Zeile der Tabelle) entstehen Messsignale, die für einen festen Zeitraum primär zum anliegenden Drehmoment proportional sind. The weighting with the opposite sign of strain gages 1 and 2 as well as strain gages 3 and 4 (first line of the table) produces measuring signals which are proportional to the applied torque for a fixed period of time.
Durch die Gewichtung mit gleichem Vorzeichen der DMS 1 und 2 bzw. 3 und 4 (zweite und dritte Zeile der Tabelle) entstehen Messsignale, die für einen einstellbar kurzen Zeitraum primär zu den Störanteilen proportional sind. The weighting with the same sign of the strain gauges 1 and 2 or 3 and 4 (second and third line of the table) produces measurement signals that are proportional to the noise components for an adjustable short period of time.
Durch die Wahl der zeitlichen Dauer der beiden Kompensationsanteile können im Mittelwert des zeitlichen Gesamtsignalverlaufs die Störharmonischen weitgehend entfernt werden bzw. deutlich reduziert werden. By choosing the time duration of the two compensation components, the interference harmonics can be largely removed or significantly reduced in the mean value of the temporal overall signal course.
Neben dieser Kompensation durch Mittelwertbildung ist eine Kompensation nach einer Digitalisierung der gemessenen Nutz- und Störanteile auf rechnerischem Wege möglich. In addition to this compensation by averaging, a compensation after digitization of the measured useful and interference components is possible by computational means.
Vorzugsweise erfolgt dabei die Umschaltung im Verhältnis zur gewünschten Bandbreite des Nutzsignals und zur Motordrehfrequenz schnell, z.B. im Bereich mehrerer Kilohertz. Weiter empfiehlt es sich, auf den Werkstoff des Flexspline abgestimmte scheindehnungskompensierte DMS für dieses Verfahren zu benutzen. Preferably, the switching takes place rapidly in relation to the desired bandwidth of the useful signal and to the engine rotational frequency, e.g. in the range of several kilohertz. Furthermore, it is recommended to use thin strain-compensated strain gauges adapted to the material of the Flexspline for this process.
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt. Although exemplary embodiments have been explained in the foregoing description, it should be understood that a variety of modifications are possible. It should also be noted that the exemplary embodiments are merely examples that are not intended to limit the scope, applications and construction in any way. Rather, the expert is given by the preceding description, a guide for the implementation of at least one exemplary embodiment, with various changes, in particular with regard to the function and arrangement of the components described made without departing from the scope of the invention as it results from the claims and these equivalent combinations of features.
Bezuaszeichenliste Bezuaszeichenliste
1 Operationsverstärker 1 operational amplifier
2 invertierender Eingang des Operationsverstärkers  2 inverting input of the operational amplifier
3 nicht-invertierender Eingang des Operationsverstärkers 3 non-inverting input of the operational amplifier
4 Ausgang des Operationsverstärkers 4 output of the operational amplifier
5 erster elektrischer Anschluss eines Eingangswiderstands 5 first electrical connection of an input resistor
6 zweiter elektrischer Anschluss eines Eingangswiderstands6 second electrical connection of an input resistor
7 Knotenpunkt 7 node
10 Messschaltung  10 measuring circuit
15 Stab / Rohr / Bauteil  15 rod / tube / component
17 CMOS-Schalter  17 CMOS switches
18 Operationsverstärker eines Impedanzwandlers  18 operational amplifier of an impedance converter
19 Ausgang des Operationsverstärkers des Impedanzwandlers 20, 21 erste und zweite Achse (Biegung)  19 output of the operational amplifier of the impedance converter 20, 21 first and second axis (bending)
30-39 Dehnmessstreifen (DMS)  30-39 strain gauges (DMS)
40 Shuntwiderstand  40 shunt resistance
41 Schalter  41 switches
42 Testwiderstand  42 test resistor
43 Schalter  43 switches
50 Sensor  50 sensor
52 Gehäuseanschraubpunkte  52 housing screw-on points
54 Werkzeugnabe  54 Tool hub
56 Messspeiche  56 measuring spokes
58 Blattfeder  58 leaf spring
60 DMS  60 strain gages
70 Harmonie Drive Getriebe  70 Harmony Drive gearbox
72 Flexspline  72 flex splines
74 DMS  74 strain gages
100 Operationsverstärker (erste Stufe)  100 operational amplifiers (first stage)
200 Operationsverstärker (zweite Stufe)  200 operational amplifiers (second stage)

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung (10) zum Messen von mechanischen Veränderungen, aufweisend: mindestens einen ersten Widerstand (R1 ), der dazu eingerichtet ist, eine mechanische Veränderung in eine Änderung seines Widerstandswertes umzusetzen; und mindestens einen Operationsverstärker (1 ), A mechanical change measuring apparatus (10) comprising: at least one first resistor (R1) configured to convert a mechanical change into a change in its resistance value; and at least one operational amplifier (1),
wobei der mindestens erste Widerstand (R1 ) und der Operationsverstärker (1 ) so geschaltet sind, dass der mindestens erste Widerstand (R1 ) dem Operationsverstärker (1 ) als Eingangswiderstand dient und der Operationsverstärker an einem Ausgang (4) ein Messergebnis (U_aus) liefert oder liefern kann.  wherein the at least first resistor (R1) and the operational amplifier (1) are connected such that the at least first resistor (R1) serves as an input resistance to the operational amplifier (1) and the operational amplifier supplies a measurement result (U_out) at an output (4) or can deliver.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens erste Widerstand ein Dehnmessstreifen, ein induktiver Widerstand oder ein kapazitiver Widerstand ist. 2. Device according to claim 1, characterized in that the at least first resistor is a strain gauge, an inductive resistor or a capacitive resistor.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Widerstand so an einem Bauteil (15) befestigt oder befestigbar ist, dass eine mechanische Veränderung des Bauteils die Änderung des Widerstandswertes des mindestens ersten Widerstands bewirkt bzw. bewirken kann. 3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the first resistor is fixed or attachable to a component (15) such that a mechanical change of the component causes or can bring about the change in the resistance value of the at least first resistor.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Veränderung des Bauteils (15) eine Änderung einer Abmessung in mindestens einer Dimension und / oder eine Biegung und / oder eine Torsion des Bauteils aufweist, 4. The device according to claim 3, characterized in that the mechanical change of the component (15) has a change of a dimension in at least one dimension and / or a bending and / or a torsion of the component,
wobei im Falle einer Torsion die Torsion vorzugsweise eine Torsion um eine Achse aufweist, wobei zumindest ein Abschnitt des mindestens ersten Widerstands mit einer Änderung des Widerstandswertes auf eine mechanische Veränderung dieses Abschnitts in einer ersten Richtung reagiert, wobei der mindestens erste Widerstand so an dem Bauteil befestigt ist, dass diese erste Richtung einen Winkel x mit einer Parallelen zu der Achse der Torsion einschließt, wobei gilt: 0 < x < 90 Grad, vorzugsweise 10 Grad < x, weiter vorzugsweise 30 Grad < x, weiter vorzugsweise 40 Grad < x und/oder vorzugsweise x < 80 Grad, weiter vorzugsweise x < 60 Grad, weiter vorzugsweise x < 50 Grad.  wherein, in the event of torsion, the torsion is preferably torsional about an axis, wherein at least a portion of the at least first resistance reacts with a change in resistance value to a mechanical change of that portion in a first direction, the at least first resistance being secured to the component is that this first direction includes an angle x with a parallel to the axis of torsion, where 0 <x <90 degrees, preferably 10 degrees <x, more preferably 30 degrees <x, more preferably 40 degrees <x and / or preferably x <80 degrees, more preferably x <60 degrees, more preferably x <50 degrees.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein erster elektrischer Anschluss (5) des mindestens ersten Widerstands (R1 ) elektrisch mit einem Eingang (2) des Operationsverstärkers (1 ) gekoppelt ist und ein zweiter elektrischer Anschluss (6) des mindestens ersten Widerstands (R1 ) vorgesehen ist, um elektrisch jeweils mit einer elektrischen Eingangsspannung (U1 ) gekoppelt zu werden. 5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that in each case a first electrical terminal (5) of the at least first resistor (R1) is electrically coupled to an input (2) of the operational amplifier (1) and a second electrical terminal (6) of the at least first resistor (R1) is provided to be electrically coupled to an electrical input voltage (U1).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5 in Abhängigkeit von Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, durch eine Veränderung der jeweiligen Eingangsspannung (U1 ) für den mindestens ersten Widerstand verschiedene, insbesondere verschiedenartige, mechanische Veränderungen des Bauteils (15) zu messen. 6. Apparatus according to claim 5 as a function of claim 3 or 4, characterized in that the device (10) is adapted by a change in the respective input voltage (U1) for the at least first resistance different, in particular different, mechanical changes of the component (15) to measure.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsspannung (U1 ) für den mindestens ersten Widerstand (R1 ) zurückgeführt wird, um aus dem Wert der angelegten Eingangsspannung (U1 ) und dem Wert der zurückgeführten Spannung (U1 S) auf die tatsächlich an dem mindestens ersten Widerstand anliegende Spannung zu schließen. 7. Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the input voltage (U1) for the at least first resistor (R1) is returned to from the value of the applied input voltage (U1) and the value of the recirculated voltage (U1 S) to close the voltage actually applied to the at least first resistor.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen DA-Wandler zum Bereitstellen der jeweiligen Eingangsspannung für den mindestens ersten Widerstand aufweist. 8. Apparatus according to claim 5, 6 or 7, characterized in that the device comprises a DA converter for providing the respective input voltage for the at least first resistor.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Shuntwiderstand (40) aufweist, der parallel zu dem mindestens ersten Widerstand (R1 ) geschaltet ist oder geschaltet werden kann. 9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device has a shunt resistor (40) which is connected in parallel with the at least first resistor (R1) or can be switched.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens 2, vorzugsweise mindestens 3, weiter vorzugsweise mindestens 4, weiter vorzugsweise mindestens 8, 12 oder 16 Widerstände (Ri) aufweist, wobei die Widerstände parallel zueinander geschaltet sind und als Eingangswiderstände für den Operationsverstärker (1 ) dienen. 10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device has at least 2, preferably at least 3, more preferably at least 4, more preferably at least 8, 12 or 16 resistors (Ri), wherein the resistors are connected in parallel and as Input resistors for the operational amplifier (1) are used.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dafür eingerichtet ist, in einem Messbetrieb betrieben zu werden, wobei im Messbetrieb an jeweils zwei der Widerstände paarweise Eingangsspannungen anliegen, die betragsmäßig im Wesentlichen gleich, aber von entgegengesetzter Polarität sind. 1 1. Apparatus according to claim 10, characterized in that the device is adapted to be operated in a measuring operation, wherein abut in measuring operation on two of the resistors pairwise input voltages which are substantially equal in magnitude, but of opposite polarity.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dafür eingerichtet ist, in einem ersten Testbetrieb betrieben zu werden, wobei in dem ersten Testbetrieb nur an einem der Widerstände eine von Masse verschiedene Eingangsspannung anliegt und an allen anderen Widerständen die Eingangsspannung auf Masse liegt. 12. The apparatus of claim 10 or 1 1, characterized in that the device is adapted to be operated in a first test operation, wherein in the first test operation only at one of the resistors of a ground different input voltage is applied and at all other resistors Input voltage is grounded.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen zusätzlichen Testwiderstand (42) aufweist, der parallel zu dem mindestens ersten Widerstand geschaltet ist oder geschaltet werden kann, wobei die Vorrichtung dafür eingerichtet ist, in einem zweiten Testbetrieb betrieben zu werden, wobei in dem zweiten Testbetrieb eine von Masse verschiedene Eingangsspannung nur an dem Testwiderstand anliegt und an allen anderen Widerständen die Eingangsspannung auf Masse liegt, und wobei im Messbetrieb die Eingangsspannung für den Testwiderstand auf Masse liegt. 13. The apparatus of claim 10, 1 1 or 12, characterized in that the device comprises an additional test resistor (42) which is connected in parallel to the at least first resistor or can be switched, wherein the device is adapted for, in a second Test operation to be operated, wherein in the second test mode, a ground different input voltage applied only to the test resistor and on all other resistors, the input voltage to ground, and wherein in measurement operation, the input voltage for the test resistor is grounded.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens zwei Widerstände aufweist und in einer ersten Stufe zwei Operationsverstärker (1 , 100) aufweist, wobei jeweils mindestens einer der mindestens zwei Widerstände den zwei Operationsverstärkern als Eingangswiderstand dient und wobei die Ausgänge der zwei Operationsverstärker der ersten Stufe elektrisch jeweils mit Eingängen eines dritten Operationsverstärkers (200) gekoppelt sind, wobei der dritte Operationsverstärker an einem Ausgang ein Messergebnis (U_aus) liefert oder liefern kann. 14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device has at least two resistors and in a first stage, two operational amplifiers (1, 100), wherein in each case at least one of the at least two resistors is the two operational amplifiers as input resistance and wherein the Outputs of the two first-stage operational amplifiers are electrically coupled to inputs of a third operational amplifier (200), respectively, and the third operational amplifier provides or can provide a measurement result (U_out) at an output.
15. Anordnung zum Messen von mechanischen Veränderungen, aufweisend: 15. Arrangement for measuring mechanical changes, comprising:
ein Bauteil (15); und  a component (15); and
eine Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,  a device (10) according to any one of the preceding claims,
wobei der mindestens erste Widerstand (R1 ) an dem Bauteil befestigt ist, vorzugsweise verklebt ist.  wherein the at least first resistor (R1) is fixed to the component, preferably glued.
16. Anordnung nach Anspruch 15, wobei das Bauteil einen 6D Kraft-Momentensensor (50) mit mehreren Messspeichen (56) aufweist, wobei jede Messspeiche mit mehreren Widerständen (60, Ri) der Messvorrichtung (10) versehen ist. 16. Arrangement according to claim 15, wherein the component has a 6D force-moment sensor (50) with a plurality of measuring spokes (56), wherein each measuring spoke is provided with a plurality of resistors (60, Ri) of the measuring device (10).
17. Anordnung nach Anspruch 15, wobei das Bauteil ein Flexspline (72) eines Harmonie Drive Getriebes (70) aufweist. 17. Arrangement according to claim 15, wherein the component has a flex spline (72) of a Harmony Drive transmission (70).
18. Verwendung eines Widerstands (Ri), der dazu eingerichtet ist, eine mechanische Veränderung in eine Änderung seines Widerstandswertes umzusetzen, als Eingangswiderstand für einen Operationsverstärker (1 ). 18. Use of a resistor (Ri), which is adapted to convert a mechanical change in a change in its resistance value, as input resistance for an operational amplifier (1).
19. Verfahren zum Messen von mechanischen Veränderungen, aufweisend: 19. A method of measuring mechanical changes, comprising:
Bereitstellen einer Anordnung nach Anspruch 15, 16 oder 17;  Providing an arrangement according to claim 15, 16 or 17;
Versorgen des mindestens ersten Widerstands (R1 ) mit einer Eingangsspannung (U1 ); und  Supplying the at least first resistor (R1) with an input voltage (U1); and
Ausgeben eines Messergebnisses (U_aus) an dem Ausgang (4) des Outputting a measurement result (U_out) at the output (4) of the
Operationsverstärkers (1 ). Operational amplifier (1).
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