CH670310A5

CH670310A5 -

Info

Publication number: CH670310A5
Application number: CH1633/85A
Authority: CH
Inventors: Hans Ulrich Dr Baumgartner; Reto Calderara; Hans Conrad Sonderegger
Original assignee: Kristal Instr Ag
Priority date: 1985-04-17
Filing date: 1985-04-17
Publication date: 1989-05-31
Also published as: US4701660A; ATA36186A; AT391369B

Description

BESCHREIBUNG Der Piezoffekt ist seit über 100 Jahren bekannt. Er besteht darin, dass ein piezoelektrisch aktives Material, meistens ein Kristall, infolge einer Krafteinwirkung eine elektrische Ladung erzeugt. Seit etwa 50 Jahren benützt man diesen Effekt um mechanisch-elektrische Wandler herzustellen. Bekannt sind besonders Beschleunigungs-Aufnehmer und Druck-Aufnehmer. Kraftaufnehmer kamen erst häufiger zur Anwendung als die Elektronik genügend fortgeschritten war, um die geringen piezoelektrischen Ladungen über längere Zeitintervalle ohne Verluste zu speichern. Effektiv sind aber auch Beschleunigungs- und Druckaufnehmer, im Grunde genommen Kraftaufnehmer, wobei das Druck- oder

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Beschleunigungssignal in ein Kraftsignal umgewandelt wird. Da bei der Beobachtung von Beschleunigungsvorgängen und Druckvorgängen hauptsächlich die Veränderungen, d. h. die Dynamik des Messwertes von Interesse ist, spielte bei diesen Messungen das Speichern der piezoelektrischen Ladungen nicht so eine grosse Rolle wie bei Kraftmessungen, wo die Statik eine bedeutende Rolle spielt. Die Vorteile der piezoelektrischen Messmethode sind die hohe Empfindlichkeit, die gute Linearität, die Langzeitkonstanz und die geringe Temperaturabhängigkeit. Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, diese Methode ebenfalls für statische oder zumindest für quasistatische Kraftmessungen anzuwenden. Im Rahmen des Standes der Technik sei auf das Buch «Piezoelektrische Messtechnik» von J. Tichy und G, Gautschi hingewiesen. Auf Seite 150, Bild 8.4., ist ein Kraftaufnehmer im Prinzip erläutert und auf Seite 155, Bild 8.6., sind zwei praktische Ausführungen von Kraftaufnehmern im Schnitt dargestellt. Es handelt sich hier um Kraftaufnehmer, bei denen der longitudinale direkte Piezoeffekt zur Anwendung kommt. Das Piezoelement ist eine Quarzplatte, wobei die zu messende Kraft senkrecht zur Plattenebene wirkt. Solche Kraftaufnehmer arbeiten befriedigend, solange die zu messende Kraft die Grösse von einigen Deka-N übersteigt. Für die Messung von Kräften von 1 N oder weniger ist die erzeugte piezoelektrische Ladung so klein, dass Verluste in der Elektronik und Störungen durch Fremdeinflüsse die Messungen beeinträchtigen können. Grössere piezoelektrische Ladungen erhält man, wenn der transversale piezoelektrische Effekt benutzt wird. Bei diesem Effekt wirkt die Kraft nicht senkrecht, sondern parallel zu den Elektrodenebenen. Durch Verwendung von länglichen Platten oder Stäben von geringem Querschnitt kann eine Vervielfachung des Piezoeffektes im Vergleich zum Longitudinaleffekt erreicht werden. Im erwähnten Buch, Seite 156, Fig. 8.7., ist ein Druckaufnehmer gezeigt, der zugleich auch ein Kraftaufnehmer ist und auf dem piezoelektrischen Transversaleffekt beruht. Entsprechend den grösseren piezoelektrischen Ladungen, die von Aufnehmern mitTransversaleffekt abgegeben werden, sind auch bei Kraftaufnehmern höhere Empfindlichkeiten erreichbar.

Die Krafteinleitung bildet bei piezoelektrischen Aufnehmern ein Problem, das sorgfältig gelöst werden muss. Die meisten piezoelektrischen Materialien, wie Quarz, Turmalin oder Piezokeramik sind spröde. Die Kraft muss daher über möglichst grosse plane Flächen gleichmässig und mit niedriger spezifischer Flächenpressung eingeleitet werden, damit keine Punktebelastungen entstehen wo sich Risse bilden könnten. Man muss daher grosse Anforderungen an die Planheit der Krafteinleitungs- und Elektrodenflächen stellen. Für eine bestimmte Kraft ist die piezoelektrische abgegebene Ladung nicht genau die gleiche für die Fälle, dass sie punktförmig oder grossflächig, am Rande oder im Zentrum eines Piezoelementes, eingeleitet wird.

Deshalb variieren die Kalibrierfaktoren von piezoelektrischen Aufnehmern gleicher Konstruktion um einige Prozente. Es hat sich als zweckmässig erwiesen, die piezoelektrischen Elemente in Aufnehmern unter eine Druckvorspannung zu setzen, damit die effektive Berührungsfläche der Krafteinleitungselemente und der Elektroden mit den Piezoelementen möglichst gross ist und sich bei einer Veränderung die Messkraft nicht stark verändert. Die Streuung der Kalibrierfaktoren von Aufnehmer zu Aufnehmer ist dann auch kleiner. Viele piezoelektrische Materialien, wie z. B. Quarz und Turmalin, haben eine gewisse Hydrophilie, d. h. die Oberflächen, die isolieren sollten, überziehen sich mit einer dünnen Wasserschicht, welche die Isolation beeinträchtigt. Es ist daher üblich, solche Materialien in ein Gehäuse einzupacken, um den Zutritt der Luftfeuchtigkeit zu den isolierenden Oberflächen zu vermeiden. Dieses Gehäuse bedeutet jedoch einen mechanischen Nebenschluss für die Messkraft, der einen Teil der letzteren parallel zum Piezoelement ableitet und dementsprechend die Empfindlichkeit des Aufnehmers vermindert. Eine Vorspannung hat auch in bezug auf diesen Nebenschluss eine positive Wirkung, da eine Auflage zwischen Krafteinleitungsflächen und Piezoelementen mit geringer effektiver Berührungsfläche eine beträchtliche Spaltelastizität zeigt, welche die Wirksamkeit des Nebenschlusses durch das Gehäuse vergrössert und zudem noch eine beträchtliche Unlinearität erzeugt. Durch die Anwendung einer Vorspannung kann der sogenannte Einlauf der Kalibrierkurve vermieden werden. Der Einlauf besteht darin, dass der Beginn der Kurve bei kleinen Messwerten eine geringere Steilheit zeigt, als bei grösseren Messlasten. Ein anderer wesentlicher Vorteil der Vorspannung ist die Vergrösserung der Festigkeit, die schon vom Spann-Beton her bekannt ist. Wie Beton haben die meisten piezoelektrischen Materialien die Eigenschaft, dass die Festigkeit auf Druck wesentlich ( 10- bis 50mal) grösser ist, als für Zug. Durch die Überlagerung einer Druckspannung erreicht man, dass bei einer äusseren zusätzlichen Belastung, wie z. B. bei einer Biegung gar keine Zugspannung entsteht, sondern nur die Druckvorspannung an einzelnen Stellen abgebaut wird. Die Grenzen der von aussen anwendbaren Belastungen werden dadurch stark erweitert. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Vorspannung besteht darin, dass bei nicht kraftschlüssiger Krafteinleitung, d. h. wenn die Platten nur aufeinander gelegt sind oder die Stäbe nur zwischen Anschlägen aufgestellt sind, wegen Abheben und Gleiten die Übertragung und damit auch Messung von Zug- und Schubkräften überhaupt nicht möglich ist. Die Kraftschlüssig- und Unbe-weglichkeit, bzw. Starrheit, ist für die Einleitung und Übertragung von exzentrischen evtl. geneigten Druckkräften oder Biegemomenten notwendig und wird erst indirekt durch die Vorspannung selbst und die Reibungskräfte der verschiedenen Teile gegeneinander erreicht. Die meisten heute gebräuchlichen piezoelektrischen Aufnehmer weisen daher ein Vorspannelement zur Erzeugung einer solchen Vorspannung auf. Bei den Kraftaufnehmern, Bild 8.6., Seite 155, des vorgängig zitierten Buches von Tichy und Gautschi ist es das Gehäuse (3). Der Druckaufnehmer, Fig. 8.7., Seite 156, weist eine Spannhülse (2) auf. Das Accelerometer, Bild 8.8., Seite 156, weist ebenfalls eine Spannhülse auf (2). Beim Kraftaufnehmerbild 9.1., Seite 162, ist wiederum das Gehäuse ( 1 ) das Vorspannelement. Auch Beschleunigungsaufnehmer weisen meistens Vorspannelemente auf, wie z. B. Bild 11.9., Seite 205a, hat das Gehäuse die Funktion des Vorspannelementes. Varianten b, c, d weisen einen zentralen Bolzen als Vorspannelement auf.

Zweifellos bringt eine Vorspannung viele Vorteile, aber auch Nachteile. Einer besteht darin, dass zur Erzeugung der Vorspannung ein Element notwendig ist, das allein die zu messende Kraft aufnehmen sollte, aber zwangsläufig auch einen mechanischen Kraftnebenschluss zum Piezoelement bewirkt. Dieser Nebenschluss wirkt sich in bezug auf Temperaturstabilität nachteilig auf den Aufnehmer aus.

Bei Temperaturänderungen dehnt sich der Nebenschluss nicht genau gleich stark und auch nicht gleichzeitig aus wie das Piezoelement, was zu einer Veränderung der Vorspannung führt, die sich wiederum als Nullpunktsdrift bemerkbar macht. Selbst wenn es gelingt, den Nebenschluss aus Material mit genau gleichem Ausdehnungskoeffizienten wie das Piezoelement herzustellen, kann man trotzdem Ausdehnungsunterschiede bekommen, wenn eine inhomogene Temperaturverteilung vorhanden ist. Diese Nullpunktverschiebung durch Temperaturänderungen wird Pseudo-Pyroeffekt

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genannt. Im Gegensatz dazu ist der echte Pyroeffekt eine bekannte Erscheinung, die gewisse piezoelektrischen Materialien aufweist, wie z. B. Turmalin oder Piezokeramik, der darin besteht, dass schon das Material selbst bei einerTempe-raturänderung eine Ladung erzeugt. Dieser Effekt ist meistens so gross, dass empfindliche Messungen mit solchen Materialien gar nicht in Frage kommen, da geringste Temperaturänderungen den Nullpunkt zu stark verschieben. Es gibt jedoch Klassen von piezoelektrischen Kristallen, wiez. B. Quarz, die keinen Pyroeffekt aufweisen. Ein loses Piezoelement aus solchem Material erzeugt bei einer homogenen Erwärmung keine Ladung. Die Situation ist jedoch anders, wenn die Erwärmung örtlich, ungleichmässig oder als Temperaturschock erfolgt und innere Spannungen erzeugt werden. Diese inneren Spannungen sollten eigentlich, wenn der Piezoeffekt überall gleich gross wäre, keine Ladungen erzeugen, da wegen der Geschlossenheit des Kraftflusses Ladungen beiderlei Vorzeichen erzeugt werden, die sich nach aussen kompensieren sollten. Da aber die inneren zentralen Partien eines Piezoelementes wegen der Unterdrückung des Poisson-Effektes weniger piezoelektrisch sind als Partien in Nähe der Oberfläche des Materials, ist die Kompensation nicht vollständig, so dass auch durch innere Spannungen restliche Ladungen entstehen können. Zudem kommt es noch sehr darauf an, wie die Elektroden verteilt sind, ob sie die erzeugten Ladungen erfassen können oder nicht. Es könnte z. B. sein, dass Zugspannungen in der Nähe einer Elektrode entstehen und an Stellen, wo die entsprechenden Druckspannungen entstehen, in nächster Nähe keine Elektrode vorhanden ist, so dass nur die Zugspannungen erfasst werden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Konstruktion eines Kraflaufnehmers, der besonders zur Messung von kleinen Zug- und Druckkräften geeignet ist. Das Hauptproblem bei einer solchen Konstruktion ist einerseits die Erzeugung von genügend grossen piezoelektrischen Ladungen, die in dem angeschlossenen Ladungsverstärker ein im Vergleich zu dem Verstärkerrauschen genügend grosses Signal erzeugen und andererseits das Erzielen einer genügend guten Nullpunktstabilität, damit auch quasistatische Kraftvorgänge erfasst werden können. Dies läuft darauf hinaus, das jeder Pyroeffekt und damit auch der relativ schwache Quasipyroeffekt sorgfältig vermieden werden muss. Da nur pyroeffektfreies Material in Frage kommt, bezieht sich die Wahl des piezoelektrischen Materials in erster Linie auf kristallinen Quarz, jedoch auch Kaliumphosphat KH2PO4 oder Ammoniumphosphat NH4H2PO4 kämen als Piezomaterial in Frage. Um ein genügend hohes Ladungssignal zu bekommen, verwendet man zweckmässigerweise den Transversaleffekt und gestaltet die Elemente stabförmig, langgestreckt, um einen entsprechend hohen Multiplikationsfaktor des Piezoeffektes zu erreichen. Der kraftmässige, mechanische Nebenschluss muss möglichst niedrig gehalten, oder eventuell ganz ausgeschlossen werden. Die Befestigung der piezoelektrischen Elemente an den Krafteinleitungsteilen und die Gestaltung der Messelektroden muss in einer Weise erfolgen, dass die piezoelektrischen Kräfte, die durch Einspannungskräfte erzeugt werden, nicht auf die Messelektroden gelangen. Ferner soll die Krafteinleitung auf die Piezoelemente möglichst momen-tenfrei erfolgen, damit in den Piezoelementen einachsige, der Achse des Aufnehmers parallele, homogene Spannungszuslände entstehen. Die konstruktiven Grundsätze für den erfindungsgemässen Kraftaufnehmer für kleine Kräfte soll anhand der folgenden Figuren näher erläutert werden:

Fig. 1 zeigt den Längsschnitt durch den Aufnehmer

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Aufnehmer in der Milte

Fig. 3 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Membranpartie durch Doppelmembran

Fig. 4 zeigt eine Parallelführung des Krafteinleitungsgliedes mit gelenkigen Hebeln

Fig. 5a zeigt einen starren Einbau mit Gewinde am Gehäuse

Fig. 5b zeigt einen beweglichen Einbau für Druckkräfte

Fig. 5c zeigt einen Kugelvorsatz für einen Einbau nach Fig. 5b

Fig. 5d zeigt ein Koppelelement für einen beweglichen Einbau, jedoch für Zug- und Druckkraftmessung geeignet

Wie Fig. 1 zeigt, sind als Piezoelemente 1 Stäbe vorgesehen, die von beliebig geformtenm Querschnitt sein können, vorteilhafterweise jedoch rechteckig gestaltet sind. Sofern es sich um Quarz handelt, liegt die Längsachse der Stäbe parallel zur Y-Achse, die Querausdehnung parallel zur Z-Achse und die Ausdehnung in Richtung der Dicke der Stäbe liegt parallel zur X-Achse. An den Enden sind die Piezoelemente 1 in den Halterungen 2 und 3 kraftschlüssig und unbeweglich festgemacht. Im Prinzip kann eine beliebige Anzahl von Piezoelementen 1 verwendet werden, also auch nur eines. Da aber die Knickstabilität von einem Element allein sehr klein ist, verwendet man vorteilhafterweise mindestens drei Elemente, die zusammen ein beträchtliches Flächenträgheitsmoment in bezug auf beide Querachsen des Aufnehmers ergeben, wodurch eine gute Knickfestigkeit des prismatischen Aufbaus erreicht wird. Die Piezoelemente 1 können in eine Nute 4 in der Halterung 2 bzw. 3 festgeklemmt, festgeklebt oder festgelötet werden.

Wenn kein Bedürfnis vorhanden ist, auch grössere Kräfte im Bereich von 100 N zu messen, genügt auch ein einfacher Anschlag 26 (S. Fig. 4). Zweckmässigerweise gestaltet man den Querschnitt der Piezoelemente rechteckig, damit sie gut in die Nuten passen und genügend Klebfläche vorhanden ist.

Zum Festklemmen sind dann noch Schraubvorrichtungen notwendig, die in Fig. 1 nicht eingezeichnet sind. Zum Festkleben benützt man am besten heisshärtenden Zement, der sich bewährt hat, oder zum Festlöten ist eine vorherige Metallisierung der Elementende notwendig, damit das Lot haftet. Die Piezoelemente 1 besitzen auf der Oberfläche senkrecht zur piezoelektrischen Achse (bei Quarz X-Achse) Metallisierungen als Elektrode. Eine Metallisierung dient als Elektrode 5 zur Abnahme der piezoelektrischen Ladungen, die gegenüberliegende Metallisierung ist die Erdelektrode 6. Wenn der Anschluss-Stecker 7 sich seitlich am Gehäuse befindet, plaziert man die Ladungsabnahme-Elektroden 5 zweckmässigerweise am äusseren Umfang des Piezoelement-paketes, und wenn sich der Stecker in der Achse des Aufnehmers befindet, plaziert man die Ladungsabnahmeelektrode 5 zweckmässigerweise auf der Innenseite des Piezoelementpa-ketes. Die Metallisierung der Ladeabnahmeelektrode 6 erstreckt sich nicht ganz bis zur Halterung 2 bzw. 3, sondern hört in einem gewissen Abstand (a) von den Halterungen 2 bzw. 3 auf, so dass sich zwischen Elektrode und Halterung, die sich auf Erdpotential befinden, eine Isolationsstrecke 8 der Länge a ergibt. Dabei soll a mindestens der Dicke der Piezoelemente entsprechen. Durch die Befestigung der Piezoelemente 1 in den Halterungen 2 bzw. 3 ergeben sich Inhomogenitäten der Spannungsverteilung, die sich von den Halterungen 2 bzw. 3 eine gewisse Strecke in die Piezoelemente 1 hinein erstrecken, die für die Ausnützung des Piezosignals nicht verwendet werden sollte. Die Isolationsstrecke 8 ist also nicht nur eine elektrische Isolationsstrecke, sondern auch eine mechanische, die die Spannungs-Inhomogenitäten von dem Messbereich des Piezoelementes 1 fernhalten soll. Ausserdem werden in der Halterung durch die internen Kräfte piezoelektrische Ladungen erzeugt, die durch Influenz in

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den Messelektroden 5 Ladungen erzeugen könnten. Dieser Einfluss kann durch die Isolationsstrecke ebenfalls vermindert werden. Natürlich ist es von Vorteil, wenn dieser Isolationsbereich 8 grösser als nur eine Stabdicke gemacht wird, dies geht jedoch auf Kosten der Empfindlichkeit des Aufnehmers. Die piezoelektrischen Ladungen werden mittels eines feinen elastischen Drahtes 9 von den Elektroden 5 abgenommen und zum Stecker 7 geführt, sodass keine mechanischen Einflüsse auf das Piezoelement eingeleitet werden. Der Draht wird mit Leitkleberpunkt 10 befestigt. Die Metallisierung der Erdelektrode 6 erstreckt sich ganz bis zu der Halterung 2 resp. 3 und steht mit dieser in elektrischer Verbindung.

Die Anordnung von piezoelektrischen Elementen 1 und Halterungen 2 resp. 3 genügen eigentlich schon, um als Kraftaufnehmer zu arbeiten. Es werden mit einer solchen einfachen Anordnung sogar die besten Ergebnisse in bezug auf Nullpunktsdrift und Empfindlichkeit erreicht, sofern die Krafteinleitung und -ausleitung genau in der Achse des Pie-zoelementenpaketes erfolgt. Zweckmässigerweise bringt man das empfindliche Piezoelementenpaket jedoch in einem Gehäuse 11 unter, das vor Verschmutzung und ungewollter Berührung schützt. Der Spalt 12 zwischen Halterung 2 und Gehäuse 11 kann so knapp bemessen werden, dass eine Seitenkraft auf Anschlussnippel 22 bzw. Halterung 2, letztere zum Aufliegen auf dem Gehäuse 11 bringt, bevor das Piezo-elementepaket bricht. Das Gehäuse wirkt dann nebst dem Berührungsschutz als Überlastungsschutz. Allerdings steht dann der Innenraum des Gehäuses mit den Piezoelementen immer noch mit der Atmosphäre in Verbindung und es kann sich Luftfeuchtigkeit oder Staub auf den Piezoelementen niederschlagen und die Isolation beeinträchtigen. Es bestehen jedoch Möglichkeiten, die Oberflächen der Piezoelemente hydrophob zu machen, was zumindest eine Verminderung der Isolation durch Wasserniederschlag verhindert. Solche membranlose Aufnehmer kann man nur in sauberer Umgebung anwenden. Es ist daher zweckmässig, das Gehäuse 11 vorn im Bereich der Halterung 3 mittels einer Membran 19 abzuschliessen. Der Lufteintritt wird dadurch verhindert, jedoch wird dadurch der Kraftaufnehmer auf eine Veränderung des Umgebungsdruckes empfindlich. Ebenso bewirkt eine Erwärmung des Aufnehmers durch Steigerung des Innendruckes des eingeschlossenen Gases eine Zugspannung, was den Nullpunkt verschiebt. Letzteres kann durch Evakuierung des Innenraumes verhindert werden, jedoch muss dann die Membran 19 ziemlich robust gestaltet werden, was bedeutet, dass man nun wieder einen rechten mechanischen Kraftnebensehluss einbaut. Für die Membran 19 ist sowieso nicht viel Platz vorhanden, sodass es, wie die Praxis gezeigt hat, meistens nicht möglich ist, die Membran mit mehr als einer Welle zu gestalten. Diese Wellung genügt aber schon, um in fast allen Fällen einen mechanischen Nebenschluss durch die Membran unter 5% verglichen mit der Steifigkeit des Piezoelementenpaketes zu bringen und dadurch den Pseudopyroeffekt und den Nullpunktsdrift auf so ein kleines Mass abzuschwächen, dass hochempflindliche Messungen tatsächlich auch im quasistatischen Bereich durchgeführt werden können.

Zweckmässigerweise verwendet man eine Doppelmembran, wie Figur 3 zeigt. Die beiden Membrane 24 und 25 ergeben eine Parallelführung der Halterung 2 und verhindern eine Übertragung eines Biegemomentes auf die Halterung 2. Ein solches kann von aussen her vom Nippel 22 auf die Halterung 2 eingeleitet werden oder es kann auch ein Biegemoment durch eine Querkraft auf Nippel 22 auf die Halterung 2 einwirken, wenn nur eine Membran vorhanden ist. Diese Parallelführung muss nicht unbedingt durch Membranen 19,24,25 erreicht werden, sondern es gibt einfache Hebelsysteme durch elastisch gelagerte Balken 13 mit Gelenkzonen 14, mit denen man eine solche Führung analog Membran 19 oder System 24 und 25 auch erreichen könnte. Die Membranen haben allerdings zusätzlich den Vorteil,

dass sie ein von aussen auf den Nippel 22 und die Halterung 2 aufgebrachtes Rotationsmoment längs der Aufnehmerachse aufnehmen und auf das Gehäuse abstützen können, sodass die Piezoelemente von einem solchen Rotationsmoment verschont bleiben. Abgesehen davon, dass das Piezoelementenpaket nicht sehr torsionssteif ist, ist ein solches Moment bei Anwendung von Quarz noch besonders nachteilig, da das Moment via Piezomodul d 14 des Quarzes direkt eine piezoelektrische Ladung erzeugt und dadurch die Messergebnisse der Längskraftmessung verfälscht.

Ein gewisses Problem bieten der Einbau der Membranen 19,24 oder 25. Wenn man sie einfach am Gehäuse und an der Halterung 2 anschweisst, verziehen sie sich sehr stark durch Wärmeausdehnungen und bewirken nach dem Abkalten eine gewisse Durchbiegung und Vorspannung in sich selbst und in den Piezoelementen 1. Zu deren Vermeidung ist es von Vorteil, die Membranen zuerst im Schweissring 18 einzu-schweissen oder hart einzulöten und dann die Schweissringe 18 mit dem Gehäuse 11 und der Halterung 2 in einem zweiten Arbeitsgang zu verschweissen 17, wobei die Membran während diesem zweiten Schweissvorgang gekühlt werden muss. Die Membranen können sodann ohne zusätzliche Vorspannung befestigt werden und bleiben daher vollkommen entspannt und elastisch und bewirken einen sehr kleinen mechanischen Nebenschluss. Eine weitere vorteilhafte konstruktive Massnahme ist eine drastische Reduktion des Querschnittes 15 und 16 an den Halterungen 2 und 3 zwischen den eigentlichen äusseren Krafteinleitungsteilen der Anschlussnippel 22 und 23 und den Piezoelementeneinspan-nungsstellen 2 und 3 im Innern. Diese Querschnittsreduktion 15 und 16 erweist sich in zwei Hinsichten als vorteilhaft. Wegen der grösseren Biegeelastizität erreicht man eine Anpassmöglichkeit des Piezoelementenpakets an die Nippel 22 und 23, insbesondere, wenn die Wirkungslinien der einwirkenden Kräfte nicht genau miteinander fluchten. Das Entstehen von grossen Biegemomenten wird dadurch verhindert. Die Querschnittsreduktion hat aber auch noch in wärmetechnischer Hinsicht einen Vorteil, wenn die Nippel 22 und 23 umständehalber grossen Temperaturen ausgesetzt sind, wird dadurch der Wärmeeinfall in die eigentliche Halterung der Piezoelemente 2 und 3 reduziert und zudem kanalisiert, sodass die Wärmeverteilung bei beiden Halterungen 2 und 3 ähnlich sind, vorausgesetzt, dass die dimensionelle Gestaltung von Halterung 2 und 3 einander sehr ähnlich sind. Viele Störungen durch Wärmespannungen werden bei Halterung 2 und 3 gegengleich und kompensieren sich gegenseitig weg. Die genaue Darstellung aller der möglichen Wärmespannungsfehler, die entstehen könnten und die Kompensierung, die man erreichen könnte, sind dermassen umfangreich, dass man sie nicht im Rahmen eines Patentes beschreiben kann. Der Sachverhalt dieser Kompensationsmöglichkeit ist auch nicht theoretisch gefunden worden, sondern durch experimentelle Untersuchungen. Experimentell ist auch gefunden worden, dass ein Loch 21 die Elastitzität der Halterung in bezug auf die Elementeneinspannung ver-grössert und damit die Wärmespannung verkleinert. Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn schon Membrane zur Anwendung kommen, den Innenraum mit einem gut leitenden Gas wie Wasserstoff oder Helium zu füllen, um die Temperatur-Inhomogenitäten durch verbesserten Wärmeaustausch zu vermindern und die Wärmespannungen herunterzusetzen.

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gende Funktionieren eines Aufnehmers von grosser Bedeutung ist, muss der Einbau des Aufnehmers mit Sorgfalt erfolgen. Wenn die zu erwartenden Kräfte in bezug auf Lage und Richtung konstant und bekannt sind, kann man es verantworten, einen starren Einbau, wie Fig. 5a zeigt, zu wählen. Der Aufnehmer wird mittels dem Gewinde 27 und dem Anschlag 28 an einer geeigneten Abstützung festgeschraubt, wobei das Gewindeloch derart angeordnet sein muss, dass die auf den Aufnehmer einwirkende Messkraft genau durch die Aufnehmerachse 32 verläuft. Ein solch starrer Einbau ist, wenn er einmal richtig gemacht ist, problemlos und muss nicht von Zeit zu Zeit kontrolliert werden. Anstatt Gewinde 27 und Anschlag 28 kann auch Anschlussnippel 23 für einen starren Einbau verwendet werden (nicht gezeichnet). Ist die

Konstanz nicht vorhanden oder die Lage der Wirkungslinie nicht bekannt, ist ein beweglicher Einbau, wie Fig. 5b und 5c zeigen, mit Kugelvorsätzen 29 notwendig. Mit diesem Einbau ist eine Einrichtung der Aufnehmerachse auf die s Wirkungslinie gewährleistet. Dieser Einbau setzt voraus,

dass der Anschlussstecker 7 seitlich am Gehäuse 11 angebracht ist, da auf der Aufnehmerachse 32 die Kugelköpfe 29 liegen müssen. Die Kugelköpfe 29 eignen sich nur zur Übertragung von Druckkräften. Sollen Zugkräfte auch übertragen io werden, sind Kupplungselemente 30, s. Fig. 5d, mit einer biegsamen Engstelle 31 anzuwenden, welche die Achsrichtungsanpassung sowohl für Druck- wie auch für Zugkräfte weitgehend gewährleisten.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer mit stabförmigen, auf transversalem Piezoeffekt beruhenden Piezoelementen ( 1 ) aus pyroeffektfreiem Piezomaterial, dadurch gekennzeichnet, dass Krafteinleitungsglieder (2,3) an den Enden der Piezoelemente (1) direkt kraftschlüssig und unbeweglich mit letzteren verbunden sind, ohne mechanische Vorspannmittel, Zug- oder Druckkräfte momentenfrei auf das Piezoe-lementenpaket geleitet werden, und dass der Kraftneben-schluss zu den Piezostäben in Längsrichtung weniger als 5% ausmacht.

(2 und 3) erstrecken, wobei a mindestens die Dicke der Piezoelemente erreicht.

2. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 3 Piezoelemente ( 1) vorhanden sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Krafteinleitungsgliedern (2,3) Nuten (4) zur Aufnahme der Piezoelemente ( 1) vorgesehen sind.

4. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Krafteinleitungsgliedern (2,3) Anschläge zur Aufnahme der Piezoelemente (1) vorgesehen sind.

5. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente von rechteckigem Querschnitt sind. ■

6. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1,3,4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Piezoelemente (1) in einem rohrförmigen Gehäuse (11) befinden, das an dem einen Ende mit dem einen Krafteinleitungsglied (3) verbunden ist und am andern Ende über eine weiche Membran (19) mit dem andern Krafteinleitungsglied (2) verbunden ist und so mit den Membrankrafteinleitungs-gliedern (2,3) zusammen einen geschlossenen Hohlraum bildet.

7. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum evakuiert ist oder mit einem gut wärmeleitenden Gas gefüllt ist.

8. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Krafteinleitungsglieder (2,3) weitgehend dimensionell gleich gestaltet sind.

9. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente (1) festgeklebt sind.

10. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente (1) festgeklemmt sind.

11. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente ( 1 ) festgelötet sind.

12. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente (1) mit Dif-fusionsschweissung befestigt sind.

13. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) aus einem Material gefertigt ist, dessen thermischer Ausdehnungs-Koeffizient weitgehend mit denjenigen der Piezoelemente ( 1 ) übereinstimmt.

14. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine Welle aufweist.

15. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Membran ( 19, 24) ein zweites Führungselement (25), das auch eine Membran sein kann, angebracht ist, um die von aussen ein-geleitetete Momente aufzunehmen.

16. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 6, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die

Membran oder die Membranen mit Hilfe eines zusätzlichen Lötringes (18) weitgehend vorspannungsfrei montiert und verschweisst ist.

17. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Piezoelemente ( 1) eine Metallisierung als Erdelektrode (6) aufweisen, die mit den Krafteinleitungsgliedern (2, 3) elektrisch verbunden sind.

18. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente (1) auf der Aussenseite eine Metallisierung als Elektrode (5) aufweisen, die über einen feinen Draht (9) mit einem Stecker (7) elektrisch verbunden ist und sich bis zur Distanz a zur Befestigungsstelle der Piezostäbe in den Krafteinleitungsgliedern

19. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente aus Quarzkristall bestehen.

20. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente aus Kali-umphosphat-Kristall (KH2PO4) bestehen.

21. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente aus Ammoniumphosphat-Kristall (NH4H2PO4) bestehen.

22. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 6, mit einem oder mehreren Piezoelementen, die am Ende mit Krafteinleitungsgliedern kraftschlüssig und unbeweglich verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem vorderen Krafteinleitungsglied (2) und dem Gehäuse ( 11) ein Spalt (12) besteht, der so eng ist, dass das Krafteinleitungsglied (2) bei einer Seitenkraft auf einem Nippel (22) am Gehäuse (11) aufliegt, bevor der Satz von Piezoelementen (1) bricht.

23. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch eine starke Querschnittsverminderung (15 und 16) zwischen den Krafteinleitungsgliedern (2 und 3) und den entsprechenden Nippel (22 und 23).

24. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) ein Gewinde (27) und einen Anschlag (28) zu einem starren Einbau des Aufnehmers besitzt.

25. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnehmer zwei Kugelvorsätze (29) aufweist.

26. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnehmer zwei Kopplungselemente (30) mit einer elastischen Engstelle (31) aufweist.

27. Piezoelektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss-Stecker (7) seitlich am Gehäuse (11) befestigt ist.