NO853848L - Anordning i form av en sensor for maaling av statiske belastninger, dynamiske belastninger og torsjonsmomenter i tre akser x-y-z. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en innretning i form av en sensor for måling av statiske belastninger, dynamiske belastninger og torsjonsmomenter i tre akser X-Y-Z.

Det er allerede kjent sensorer av forskjellige typer,

men ingen med formålet ifølge den foreliggende oppfinnelse, dvs. generelt for innsetting og måling i stumpe boltforbin-delser.

Innretningen ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved

de trekk som fremgår av de vedlagte patentkrav.

En mere detaljert beskrivelse av oppfinnelsen er gitt nedenfor og med henvisning til de vedlagte tegninger, hvor

fig. 1 viser konstruksjonsdelen av sensoren angitt i deler,

fig. 2 viser to basisplater plassert den ene på den andre, og utstyrt med en torsjonsmomentarm, med en mellomliggende elastisk ring,

fig. 3 viser den elektriske funksjon av fig. 2,

fig. 4 viser sensoren i deler ved en belastningsavfølende trekkinnretning for, f.eks. mobile kjøretøyer, og

fig. 5 viser sensoren på fig. 4 i sammensatt tilstand.

Sensoren omfatter generelt en enkelsidet flatekontakt-sensor enten med en deformasjonsplate tilpasset til størrelsen av belastning eller uten en deformasjonsplate for små krefter. Sensoren innbefatter en eller flere motstandselementer, idet motstanden ved belastning forandres i avhengighet av størrelsen og utøvelsen av belastningen. Forandringen av motstanden for-blir til belastningen er forandret og muliggjør således en registrering av såvel statiske som dynamiske prosesser. Sensoren kan med fordel benyttes for vanskelige belastninger.

Fig. 1 viser kompresjonsstaver 1 hvis form og materiale velges på en slik måte at stavene 1 under sin montering til-for me s i samsvar med underlaget til en arbeidsstilling, dvs. de presses ned til et nivå for en monteringsplate 2. Stavenes 1

funksjon er å tilveiebringe korrekt trykk eller kraft uavhengig av underlagets beskaffenhet. Formålet med monteringsplaten 2 er å virke som en holder for delene 1, 3, 4, 5 og 6 av sensoren og som beskyttelse for sensoren. Ved å danne en midje på stavene 1 oppnås en reduksjon i formfaktoren, formfaktorhindringen 3,

hvorved disse hindres i å svelle ut i sideretningen under kom-presjonen med ettergivende spenningspålegninger som følge og å understøtte kraften mere nøyaktig mot basis- eller underlags-platen 4, dvs. skiven eller brettet. Basisplaten 4 er utstyrt med metalliske strekkende fingre eller avfølende deler og består av isolert substrat, såsom et keramisk materiale, laminat eller lignende. Det er også anordnet torsjonsmomentutlignings-plater 5 hvis oppgave er å virke som temperaturutjevnere, og sensoren inneholder i tillegg til disse også sensormedia 6, som er utformet med et ledende belegg. Den elektriske funksjon for X-Y-Z-sensoren, i første tilfelle basisplaten 4, skal nå be-skrives nærmere. Prinsippet kan sammenlignes med det for en passiv, bipolar transistor med en mekanisk basis, hvor emitter og kollektor er elektroder og basisen er den mekaniske kraft. Sensitiviteten styres av avstanden mellom elektroden og lengden for passasjen bestemmer strømveien. Når sensoren ikke er under belastning, er strømveien liten og sensoren leder i mindre grad fordi de ledende partikler i flaten til mediet ikke har et tilstrekkelig stort kontaktareal (sammenlignet med varmeut-strålingen fra en sender som er løst skrudd mot kjøleflensen og fastskrudd mot en kjøleflens eller forskjellige flensstørrel-ser), dvs. impedansen for den mekaniske kobling bestemmer således forandriger i motstanden. Da elektroden er plassert i et plan, vil strømningen hovedsakelig på overflaten i mediet og ikke gjennom et "virkelig" motstandslegeme, sammenlign massemot-stand og metallfilmmotstand, idet forskjellen viser seg bl.a. i støyfaktoren. I nevnte tilfelle bør støyen være lav da målin-gene er ønsket selv ved lave nivåer. Den virkelige sensor som består av en elektrodeflate og sensorflate er således lagdelt. Dette betyr at sensoren kan gjøres meget tynn i avhengighet av produksjonsteknikken og umuliggjør eksistensen av skråkrefter i samme utstrekning i en flate som de opptrer i et volum, da f.eks. deformasjonsmålere ikke kan virke uten en eller annen form for underlag, dvs. noe som har et fysisk volum, og i volumet kan skjærkrefter oppstå da dette er et tredimensjonalt fenomen. Følgelig kan sensoren lettere bli rettet mot kraften. Sensoren arbeider enten fastspent eller fritt, avhengig av anvendelsestype. Fordelen ved en sensor av denne type er at den arbeider med en meget stor svingning, generelt 0,5-0,9 v/v, og at sensoren arbeider såvel statisk som dynamisk fra DC til flere hundre KC. Hvis krevet, kan sensoren bli utformet fysisk meget liten, 1 mm 2 eller mindre, og slik at kraften kan anven-des direkte på sensoren. Dette betyr at målinger kan gjennom-føres i uendelig små punkter og at innkapslingen i mindre grad er hystereseavhengig. Hovedandelen av kraften kan absorberes av sensoren og ikke av spennbelastede metaller blir deformasjons-målerne helt avhengig av hysteresen for underlaget da de bare måler deformasjonen eller spenningen på underlaget. Mekanisk holdbarhet er en annen styrke ved sensoren som pga. sin kon-struksjon kan håndteres mere voldsomt enn piezo- og kvartskry-stalle-r (som er sprø).

Fig. 2 og 3 viser to basisplater 4 og 4' plassert på hverandre med en mellomliggende torsjonsmomentabsorberende ettergivende ring og utstyrt med en torsjonsmomentarm 8 og avfølingsdeler A, B, C, D resp. a, b, c, d. Avfølingsdelene A, B, C, D resp. a, b, c, d er plassert ved den samme senter-avstand fra hverandre med en forskyvning på 90° i forhold til et punkt X på den respektive basisplate 4 og 4<1>. Punkt X omfatter et torsjons- og kraftsenter for sensoren eller basisplatene. Når torsjonsmomentarmen 8 på sensoren er frilagt for en kraft som kommer inn i en rett vinkel fra siden av torsjonsmomentarmen, vil motstandsforskjeller fremkomme i A og C resp. i a og c (A og c øker, mens C og a minsker) og ingen forskjeller i motstand B, D, b og d ved en kraft som kommer inn fra siden vinkelrett til armen, ellers også forskjeller i B, D, b og d. Når torsjonsmomentarmen 8 for sensoren er frilagt for en kraft som kommer ovenfra, vil alle avfølingsinnretninger A, B, C, D, a, b, c og d bli aktivert. Fig. 3 viser i første rekke den elektriske funksjon av de to basisplater 4 og 4' for sensoren i de tre akser X, Y og Z. Hvis en av basisplatene skulle utelukkes, dannes såkalte halvbroer.

Med hensyn til dreiemomentutligningsplatene 5 kan det sies at når sensoren er forbundet til en strømkilde, dannes varme i de frie seksjoner av de tynne åpninger som dannes av avstandene mellom elektrodene for basisplaten 4 til den elekt risk ledende del (side) av den polymerbårede metallfilmflate. Bredden for gapet i substratet bestemmer arbeidsområdet. Når indre forskjeller i overgangene mellom elektrodeflåtene kan gi opphav til partiell overheting, må dette utjevnes og for-deles over hele den aktive del av flaten til sensoren slik at termisk bevegelse unngås og temperaturen kan holdes innenfor et område som er egnet for sensormediet 6. Dette betyr at den termiske støy kan holdes lav da støyfaktoren bestemmer oppløsningen og den totale dynamikk for sensoren. Materialet i platene 5 skal ha god termisk ledningsevne og lav hysterese og platene 5 skal også ha en elektrisk skjermende funksjon.

Den mekaniske funksjon for platene 5 er å utgjøre bærere for sensormedium 6 og å overføre og fordele torsjonsmomentet jevnt over hele flaten.

Fig. 4 viser hvordan en sensor S er montert eller innspent i en boltforbindelse, f.eks. for der å måle kreftene eller bevegelsene i materialet. Deformasjonsplaten for sensoren S komprimeres og tilpasser seg selv i samsvar med området A på en strekkinnretning F til en bunnstilling, når sensoren S har den samme høyde som sensorholderen B. I denne stilling er ar-beidstrykket for sensoren S blitt nådd og den kan belastes til flytegrensen for sensorholderen B eller til deformasjons-grensen for de omgivende deler. På fig. 4 er også vist et funda-ment eller en festeplate C som kommuniserer med, f.eks. den belastningsavfølende del av kjøretøyet og en kabelstamme D

til sensoren. Fig. 5 viser hvorledes sensoren S kan innsettes direkte i f.eks. en butt boltforbindelse i en belastningsprøve med en strekkinnretning F. På fig. 5 er der vist en vanlig montering i form av en festeplate C som vanligvis er innbe-fattet i strekkinnretningen til et kjøretøy og til hvilken en festedel F<1>på en strekkinnretning F er beregnet på å bli festet ved hjelp av to bolter E som er festet til et kjøretøy (ikke vist) f.eks. i forbindelse med dets rammedel. En sensor S som innbefatter hull anbringes ved boltene E og sensoren S er utstyrt med en trykkavhengig motstandsinnretning som innbefatter en av to deler som er innspent mellom festeplaten C og festedelen F'.

Oppfinnelsen er naturligvis ikke begrenset til denne utførelse, men kan naturligvis bli variert innenfor rammen av oppfinnelsen.

Claims (6)

1. Sensoranordning for måling av statiske krefter, dynamiske krefter og torsjonsmomenter i tre akser X-Y-Z, karakterisert ved at den er utformet av kompresjonsstaver (1) som er anordnet slik at de formes når de presses ned til deres arbeidsstilling i en monteringsplate 2 som er utformet som en holder og beskyttelse for delene (1, 3, 4, .5 og 6) av sensoren, at stavene (1) ved kompresjon blir utstyrt med en midje for reduksjon av formfaktoren og for å hindre en formfaktorhindring (3) i å svelle ut i sideretning ved kompresjon med ettergivende spenningslagringer og med retting av sin kraft mot minst én basisplate (4) som er anbragt i form av en skive eller brett, som er utstyrt med metalliske avfølingsfingre eller avfølingsdeler (4) og på hvilken basisplate (4) det er anordnet delvis torsjonsmomentutlignende plater (5) for temperaturutligning og dels sensormedium (6) som er anordnet for å understøttes av torsjonsmomentutlignings-platene (5), idet målingen er anordnet til å utføres mellom avfølingsdelene (4) og sensormediet (6).

2. Modifikasjon av sensoranordningen ifølge krav 1, karakterisert ved at kompresjonsstavene (1) med formfaktorhindringen (3) er erstattet med direkte virkende kraft av en type som er egnet for anvendelsen.

3. Innretning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at basisplaten (4) er fremstilt av isolert substrat.

4. Innretning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at når to basisplater (4) er anbragt, er den utstyrt med en torsjonsmomentabsorberende elastisk ring (7) som er plassert mellom basisplatene (4), en torsjonsmomentarm (5) og sensorinnretninger-sensormedium (A, B, C, D resp. a, b, c, d) på den respektive basisplate (4) .

5. Innretning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at torsjonsmomentutlignings-platene (5) er fremstilt av materiale med god termisk ledningsevne og liten hysterese.

6. Innretning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at sensormedium (6) er anbragt med ledende belegg.