DE4012829A1 - Vorrichtung zur mehrdimensionalen kraftmessung und daraus abgeleiteten groessen durch messwertaufnahme mittels elektrischer sensoren, z. b. dehnungsmessstreifen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur mehrdimen­ sionalen Kraftmessung und daraus abgeleiteten Größen durch Meßwertaufnahme mittels elektrischer Sensoren, z. B. Deh­ nungsmeßstreifen, piezoelektrischer Elemente od. dgl.

Es sind bereits derartige Vorrichtungen bekanntgeworden, die aus einer Membran bestehen, die in einen Rahmen ein­ gespannt ist, wobei im Mittelpunkt der Membran eine Ein­ richtung zur Kraftaufnahme vorgesehen ist und an der Membran elektrische Sensoren, z. B. Dehnungsmeßstreifen, angebracht sind, die einfach oder in Brückenschaltung mit einem elektrischen oder elektronischen Auswertegerät verbunden sind.

Mit den vorbekannten Vorrichtungen ist es jedoch nur mög­ lich, eine eindimensionale Kraftmessung durch Kraftauf­ nahme durchzuführen. Um beispielsweise eine dreidimensio­ nale Kraft aufzunehmen, sind verhältnismäßig kompliziert aufgebaute und damit teuere Meßeinrichtungen bekanntge­ worden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei ausgezeichneter Genauigkeit eine Kraftmessung durch mehrdimensionale Kraftaufnahme bei einfacher Aus­ führung der Vorrichtung ermöglicht.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß in einem starren Rahmen vier Membranstege kreuzförmig angeordnet sind, auf denen min­ destens jeweils zwei elektrische Sensoren angeordnet sind, deren Anschlüsse zum Teil direkt, zum Teil über Kreuz in Brückenschaltung miteinander verbunden sind, wobei im Zentrum des Rahmens eine Einrichtung zur drei­ dimensionalen Kraftaufnahme angeordnet ist.

Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird der wesent­ liche Vorteil erzielt, daß durch die innerhalb des Rah­ mens angeordneten Stege und die darauf vorgesehenen elek­ trischen Sensoren eine Kraftaufnahme nicht nur in Rich­ tung der Achse des Rahmens, sondern auch in zwei zuein­ ander senkrecht stehenden Richtungen möglich ist.

Durch die besondere Verbindung der Anschlüsse der elek­ trischen Sensoren gemäß Anspruch 2 ist eine sehr genaue Ermittlung der dreidimensionalen Krafteinwirkung möglich.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind bei dreidi­ mensionaler Messung auch auf der Rückseite der Stege elek­ trische Sensoren mit einer entsprechenden Brückenschaltung angeordnet, wobei diese auch auf einer Seite angeordnet sein können.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung aus einem kreisrunden, hohlzylindrischen Rahmen bestehen, innerhalb dessen die vier Stege angeordnet sind, wobei im Zentrum des Rahmens eine Nabe zur Aufnahme der Kraft­ übertragungseinrichtungen angeordnet werden kann.

Anhand der Zeichnungen soll am Beispiel einer bevorzug­ ten Ausführungsform die Vorrichtung gemäß der Erfindung näher erläutert werden.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungs­ form der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt gemäß der Linie A-A von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Brücken­ schaltung der elektrischen Sensoren, insbeson­ dere der Dehnungsmeßstreifen.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Brücken­ schaltung von elektrischen Sensoren, die auf der Rückseite von zwei Stegen angeordnet sind.

Wie sich aus den Figuren der Zeichnungen ergibt, besteht die Vorrichtung gemäß der Erfindung beispielsweise aus einem hohlzylinder- und kreisförmigen Rahmen 1, der Boh­ rungen 2 zur Befestigung an beliebigen Gegenständen oder zur Befestigung von Abdeckungen, eines Überlastungsschut­ zes od. dgl. aufweist.

Im Inneren des Rahmens 1 sind je zwei diametral gegen­ überliegende, flache Stege 3, 4 bzw. 5, 6 angeordnet, die im Zentrum mit einer Nabe 7 verbunden sind. Die Nabe 7 ist beliebig ausgebildet und dient als Einrichtung zur Aufnahme der Krafteinwirkung.

Auf der Vorderseite der beiden diametral gegenüberlie­ genden Stege 3, 4 sind je zwei elektrische Sensoren 8, 9 bzw. 10, 11, beispielsweise Dehnungsmeßstreifen, neben­ einander angeordnet.

Auf der Vorderseite der beiden anderen diametral gegen­ überliegenden Stege 5, 6 sind je zwei elektrische Sen­ soren 12, 13 bzw. 14, 15 diametral hintereinander ange­ ordnet.

Auf der Rückseite und gegebenenfalls auch auf der Vorder­ seite der beiden Stege 5, 6 können nochmals je zwei elek­ trische Sensoren 16, 17 bzw. 18, 19 nebeneinander angeord­ net sein.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sind die vier Sensoren 8, 9 und 10, 11 in der Weise zu einer Brückenschaltung ver­ einigt, daß die gegenüberliegenden Anschlüsse über zwei Leitungen 20, 21 verbunden sind. Die anderen An­ schlüsse sind über Leitungen 22, 23, die über Kreuz ver­ laufen, miteinander verbunden.

Die Sensoren 12, 13 und 14, 15 sind in der Weise mitein­ ander verbunden, daß die einen Anschlüsse über Leitungen 24, 25 direkt miteinander verbunden sind, während die anderen Anschlüsse jeweils über Leitungen 26, 27 vom ra­ dial innenliegenden zum radial außenliegenden Sensor verbunden sind.

Die auf der Rückseite der Stege 5, 6 nebeneinander ange­ ordneten elektrischen Sensoren 16, 17 bzw. 18, 19 sind in gleicher Weise zu einer Brückenschaltung geschaltet, wie die Sensoren 8, 9 bzw. 10, 11.

Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird der wesent­ liche Vorteil erreicht, daß durch die besondere Anord­ nung der elektrischen Sensoren, wie Dehnungsmeßstreifen, piezoelektrische Elemente od. dgl., eine sehr genaue, dreidimensionale Kraftaufnahme und -messung durch Wei­ terleitung an ein Auswertegerät über die Brückenschal­ tungen möglich ist.

Selbstverständlich bleibt die Vorrichtung nicht auf die dargestellte, kreisrunde Ausführungsform beschränkt. Es sind vielmehr beliebige Formen und Größen der Rahmen und der Kraftaufnahmeeinrichtung möglich. Sie können bei der Verwendung als mikroelektrische Bauteile sehr klein ausgebildet werden.

Selbstverständlich ist auch eine andere Anordnung der Sensoren möglich, und zwar unter Berücksichtigung der in den Stegen auftretenden Stauchungen oder Dehnungen bei mehrdimensionaler Kraftmessung.

Es ist auch möglich, die Sensoren in einem Winkel von 45° zur Stegachse anzuordnen, um Torsions- oder Drehmomente zu messen.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur mehrdimensionalen Kraftmessung und daraus abgeleiteten Größen durch Meßwertaufnahme mit­ tels elektrischer Sensoren, z. B. Dehnungsmeßstrei­ fen, piezoelektrischer Elemente oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß in einem starren Rahmen (1) vier Membranstege (3, 4, 5, 6) kreuzförmig angeordnet sind, auf denen mindestens jeweils zwei elektrische Sensoren (8, 9, 10, 11 bzw. 12, 13, 14, 15) angeordnet sind, deren Anschlüsse zum Teil direkt, zum Teil über Kreuz in Brückenschaltungen miteinander verbunden sind, wobei im Zentrum des Rahmens eine Einrichtung (7) zur drei­ dimensionalen Kraftaufnahme angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf der Vorderseite der beiden diametral einander gegenüberliegenden Stege (3, 4) je zwei elektrische Sensoren (8, 9 bzw. 10, 11) nebeneinander angeordnet sind, deren gegen­ überliegende Anschlüsse durch Leitungen (20, 21) di­ rekt miteinander und deren gegenüberliegende andere Anschlüsse durch Leitungen (22, 23) über Kreuz mit­ einander verbunden sind, und daß auf der Vorderseite der beiden diametral gegenüberliegenden Stege (5, 6) je zwei elektrische Sensoren (12, 13, bzw. 14, 15) diametral hintereinander angeordnet sind, deren eine Anschlüsse über Leitungen (24, 25) miteinander und deren andere Anschlüsse über Leitungen (26, 27) vom radial innenliegenden zum radial außenliegenden Sen­ sor verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Rückseite der beiden diametral gegenüberliegenden Stege (5, 6) je zwei elektrische Sensoren (16, 17 bzw. 18, 19) ne­ beneinander angeordnet sind, deren gegenüberliegende eine Anschlüsse direkt miteinander und deren gegen­ überliegende andere Anschlüsse über Kreuz miteinander verbunden sind.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorrichtung zur Kraftaufnahme aus einer Nabe (7) besteht.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Rahmen (1) polygon, beispielsweise als Rechteck oder Quadrat, ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die elektrischen Sensoren (8, 9, 10, 11 bzw. 12, 13, 14, 15) unter Berücksichtigung der Dehnung und Stauchung auf den Stegen (3, 4 bzw. 5, 6) auch an­ ders angeordnet sein können.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Messung von Torsions- oder Drehmo­ menten die Sensoren in einem Winkel von 45° zur Steg­ achse angeordnet sind.