DK176281B1

DK176281B1 - Strain gauge sensor

Info

Publication number: DK176281B1
Application number: DK200401286A
Authority: DK
Inventors: Axel Carstensen
Original assignee: Aake Holding Aps
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2004-08-26
Publication date: 2007-06-11
Also published as: DK200401286A

Description

DK 176281 B1

BESKRIVELSE

Opfindelsen angår strain gauge sensorer, som fx anvendes til at måle strækning, sammentrykning eller bøjning af metalliske emner.

5 En simpel strain gauge sensor består af en resistortråd, som er fastgjort til en tynd plade, substratet, på en sådan måde, at trådens resistans ændres, når substratet udsættes for længdeændringer i en bestemt retning i substratets plan. Substratet limes på det emne, der skal måles på. Hvis sammenhængen mellem længde- og resistansændringer 10 er kendt, kan man ved måling af resistansen bestemme størrelsen af en evt. deformation af emnet i området under substratet.

På et køretøj kan man fx anvende strain gauge sensorer til at måle akslernes udbøjning og deraf bestemme køretøjets aksel- eller hj ultryk, 15 Strain gauge sensorer kan bestå af flere resistortråde på et og samme substrat. Disse kan være orienteret i forskellige retninger og koblet elektrisk sammen på forskellige måder, fx for at give større udgangssignal eller for at kompensere for temperaturafhængige fejl.

Substratet på kendte strain gauge sensorer er ofte kun nogle få 20 mikrometer tykt, og resistortrådene er forsynet med relativt skrøbelige loddepunkter eller tynde tilledninger. Strain gauge sensorer monteres normalt ved, at man først limer substratet på emnet og derefter lodder eller på anden måde forbinder resistortrådenes ender til en måleforstærker. Hvis sensoren monteres udendørs, fx på 25 et køretøj, skal den desuden indkapsles, så der ikke kan trænge fugt eller snavs ind, som kan skade limfugen eller selve sensoren. Det er af afgørende betydning for strain gauge sensorens funktion, at limfugen mellem sensoren og emnet er både tynd og stabil.

Den ovenfor beskrevne måde at montere strain gauge sensorer på er 30 . ikke velegnet ved eftermontage på køretøjer, idet der ofte både er dårlig adgang til montagestedet og meget snavs omkring montagestedet.

Desuden tager det forholdsvis lang tid at indkapsle sensoren og sikre eventuelle loddepunkter mod vibrationer.

Patentskrifterne US 3986254 A og DE 19838349 A beskriver udførelser 35 af strain gauge sensorer, som muliggør nem, hurtig og vibrationssikret montage. De beskrevne montagemetoder er stort set ens, mens udførelsen af sensorerne afviger fra hinanden.

Patentskriftet US 3986254 A beskriver en præfabrikeret sensorenhed, bestående af et sensorhus med en åbning, et strain gauge DK 176281 B1 sensorelement og et tilslutningskabel. Sensorhuset er helt eller delvist fyldt op med en sammentrykkelig masse på en sådan måde, at en del af massen rager op over kanten af sensorhusets åbning.

Sensorelementet er fastgjort til den del af massen, som rager op over 5 kanten. Tilslutningskablet er ført gennem sensorhusets væg, og dets ledere er ført videre gennem den sammentrykkelige masse og forbundet direkte til sensorelementets tilledninger. Montage på et emne udføres ved at påføre lim på sensorelementet og derefter trykke sensorhusets åbning mod emnet, således at den sammentrykkelige masse presser 10 sensorelementet mod emnet. Selve sensorhuset fastgøres derefter på emnet på passende måde, fx ved hjælp af lim eller bolte.

Patentskriftet DE 19838349 A beskriver en præfabrikeret sensorenhed, bestående af et sensorhus med en åbning, et elektronikkort, en silikonepude, et strain gauge sensorelement og et tilslutningskabel.

15 Elektronikkortet og sensorelementet er fastgjort til indbyrdes modstående flader på silikonepuden. Sensorelementet er forbundet elektrisk til elektronikkortet vha. ledninger. Elektronikkortet er fastgjort i sensorhuset, således at sensorelementet og en del af silikonepuden rager op over kanten af sensorhusets åbning.

20 Tilslutningskablet er ført gennem sensorhusets væg, og dets ledere er forbundet til elektronikkortet, som forbinder disse elektrisk til ledningerne fra sensorelementet. Montage på et emne udføres ved at påføre lim på sensorelementet og derefter trykke sensorhusets åbning mod emnet, således at silikonepuden presser sensorelementet mod 25 emnet. Selve sensorhuset fastgøres derefter på emnet på passende måde.

Begge beskrevne udførelser kræver, at der loddes på selve sensorelementet eller dets tilledninger. Da disse er relativt skrøbelige, er det en forholdsvis tidskrævende og risikabel proces at 30 fremstille den præfabrikerede sensorenhed, og der er desuden en vis risiko for at ledninger eller lodninger beskadiges, når sensorhuset presses mod et emne.

Formålet med den foreliggende opfindelse er at tilvejebringe en 35 strain gauge sensor, som kan præfabrikeres og monteres hurtigt og sikkert uden lodning på sensorelementets substrat eller tilledninger.

Dette opnås ved, at sensoren indbefatter mindst et strain gauge sensorelement, hvert bestående af et substrat og mindst en resistortråd, et elektronikkort, en elastisk trykpude, til hvis ene 40 flade sensorelementerne er limet eller på anden måde hæftet, og til hvis modstående flade elektronikkortet er limet eller på anden måde DK 176281 B1 hæftet, et sensorhus med en åbning, hvori elelttronikkort, trykpude og sensorelementer er monteret således, at sensorelementerne og en del af trykpuden rager op over kanten af åbningen, samt et tilslutningskabel, hvis ledere er sluttet elektrisk til 5 elektronikkortet, som forbinder disse elektrisk til et antal kontaktpunkter, som befinder sig på den mod trykpuden vendende side af elektronikkortet.

Det nye ved opfindelsen er, at bestemte områder af trykpuden er udført i et materiale, som kan lede elektrisk strøm mellem trykpudens 10 to hovedflader og dermed forbinder sensorelementernes resistortråde elektrisk med kontaktpunkterne på elektronikkortet.

Sensorelementerne i strain gauge sensoren ifølge opfindelsen kan fx monteres ved, at man påfører lim på de ikke ledende dele af trykpuden og derefter presser sensorelementerne mod trykpuden. Strain gauge 15 sensoren ifølge opfindelsen kan herefter fx monteres på et emne ved, at man påfører lim på sensorelementerne og derefter presser sensorhusets åbning mod emnet, hvorved trykpuden presser sensorelementerne mod emnet og sikrer en tynd limfuge. Selve sensorhuset kan fx fastgøres på emnet ved hjælp af bolte.

20

Som angivet i krav 2 kan trykpuden udgøres af flere mindre dele, som hver for sig danner underlag for en del af sensorelementernes samlede flade.

25 Som angivet i krav 3 kan resistortrådene være en integreret del af trykpuden, hvorved sensorelementernes substrat kan udelades.

Som angivet i krav A kan opfindelsen indeholde en eller flere elektroniske forstærkere, som forstærker sensorelementernes 30 udgangssignaler og sender de forstærkede signaler ud gennem tilslutningskablet.

Som angivet i krav 5 kan opfindelsen indeholde et eller flere elektroniske kredsløb, som omdanner sensorelementernes 35 udgangssignaler til digitale signaler og sender de digitale signaler ud gennem tilslutningskablet.

DK 176281 B1

Som angivet i krav 6 kan opfindelsen indeholde en spændingskilde, fx et batteri, samt et eller flere elektroniske kredsløb, som omdanner sensorelementernes udgangssignaler til analoge eller digitale signaler og sender disse signaler trådløst ud, fx som radiosignaler 5 eller optiske signaler, således, at tilslutningskablet kan udelades.

Som angivet i krav 7 kan opfindelsen indeholde et eller flere analoge eller digitale kredsløb, som tillader individuel kalibrering af sensoren efter montagen på emnet.

10

Som angivet i krav 8 kan opfindelsen indeholde et eller flere analoge eller digitale kredsløb, som tillader kompensering af sensorfejl, herunder temperaturafhængige fejl.

15 Som angivet i krav 9 kan opfindelsen indeholde en mikroprocessor, som styrer - eller helt eller delvist udgør - de elektroniske kredsløb, der nævnes i kravene 4 til 8.

Som angivet i krav 10 kan tilslutningskablet erstattes af et stik, 20 som er monteret i sensorhuset.

Som angivet i krav 11 kan opfindelsen udformes således, at det efter montagen på et emne er muligt at udstøbe rummet omkring sensorelementet, trykpuden og de elektroniske kredsløb med et 25 elastisk materiale for derved at opnå bedre beskyttelse mod vibrationer og indtrængende fugt.

Som angivet i krav 12 kan sensorhuset og trykpuden udformes således, at sensoren er tilpasset til emnets overflade, fx en rund aksel.

30

Som angivet i krav 13 kan sensorhuset fastgøres på emnet ved hjælp af en eller flere bolte.

Som angivet i krav 14 kan sensorhuset udgøres af flere enkelte dele, 35 som er adskilt af elastisk materiale, således at sensorhuset ikke påvirker emnets stivhed.

DK 176281 B1

Som angivet i krav 15 kan montagerækkefølgen ændres, således at sensorelementerne ikke limes eller hæftes til trykpuden, men derimod limes på et emne og først derefter ved montering af sensorhuset 5 forbindes til trykpuden.

Som angivet i krav 16 kan montagerækkefølgen ændres, således at sensorelementerne og trykpuden ikke limes eller hæftes til elektronikkortet, men derimod limes på et emne og først derefter ved 10 montering af sensorhuset forbindes til elektronikkortet.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende idet der henvises til tegningerne hvor: fig. 1 viser en skitse af en simpel udførelsesform af sensoren ifølge 15 opfindelsen.

Sensoren i fig. 1 består af et strain gauge sensorelement (1) med resistortråde (2), en trykpude (3) med ledende områder (4), et elektronikkort (5) med kontaktpunkter (6), et sensorhus (7) og et 20 tilslutningskabel (8).

Sensorelementet (1) og elektronikkortet (5) er limet til indbyrdes modstående flader på trykpuden (3). De ledende områder (4) forbinder resistortrådene (2) elektrisk med kontaktpunkterne (6) på elektronikkortet (5). Tilslutningskablets (8) ledere er loddet til 25 undersiden af elektronikkortet (5), som forbinder disse elektrisk med kontaktpunkterne (6). Oversiden af elektronikkortet (5} er limet til sensorhusets (7) inderside. Tilslutningskablet (8) er ført ud gennem et hul i sensorhuset (7). Undersiden af sensorhuset (7) er plan (forsiden er skåret væk på tegningen), og sensorelementet (1) og ca.

30 halvdelen af trykpuden (3) rager ned under undersiden af sensorhuset (7) .

Når sensoren monteres på et plant emne, presses trykpuden (3) og dennes ledende områder (4) sammen, hvorved den elektriske forbindelse mellem resistortrådene (2) og kontaktpunkterne (6) sikres.

Claims

1. Strain gauge sensor, indbefattende mindst et strain gauge sensorelement (1) efter kendt teknik, hvert bestående af et substrat og mindst en resistortråd (2), et elektronikkort (5) med et antal 5 kontaktpunkter (6), en elastisk trykpude (3), til hvis ene flade sensorelementerne (1) er limet eller på anden måde hæftet, og til hvis modstående flade elektronikkortet (5) er limet eller på anden måde hæftet, et sensorhus (7) med en åbning, hvori elektronikkortet (5), trykpuden (3) og sensorelementerne (1) er monteret således, at 10 sensorelementerne (1) og en del af trykpuden (3) rager op over kanten af sensorhusets (1) åbning, og et tilslutningskabel (8) hvis ledere er sluttet elektrisk til elektronikkortet (5), som forbinder disse elektrisk med kontaktpunkterne (6), kendetegnet ved at trykpuden (3) indeholder elektrisk 15 ledende områder (4), som forbinder resistortrådene (2) elektrisk med kontaktpunkterne (6) på elektronikkortet (5).

2. Strain gauge sensor efter krav 1, kendetegnet ved at trykpuden (3) udgøres af flere 20 mindre dele, som hver for sig danner underlag for en del af strain gauge sensorernes (1) samlede flade.

3. Strain gauge sensor efter krav 1 eller 2, kendetegnet ved at en eller flere af resistortrådene 25 (2) er integreret i trykpuden (3}.

4. Strain gauge sensor efter et af kravene 1 til 3, kendetegnet ved at sensoren indbefatter en eller flere elektroniske forstærkere, som forstærker sensorelementernes (1) 30 udgangssignaler og sender de forstærkede signaler ud gennem tilslutningskablet (8).

5. Strain gauge sensor efter et af kravene 1 til 4, kendetegnet ved at sensoren indbefatter et eller flere 35 elektroniske kredsløb, som omdanner sensorelementernes (1) udgangssignaler til digitale signaler og sender de digitale signaler ud gennem tilslutningskablet (8). DK 176281 B1

6. Strain gauge sensor efter et af kravene 1 til 5, kendetegnet ved at sensoren indbefatter en spændingskilde, fx et batteri, samt et eller flere elektroniske kredsløb, som omdanner sensorelementernes (1) udgangssignaler til 5 analoge eller digitale signaler og sender disse signaler trådløst ud, fx som radiosignaler eller optiske signaler, og at tilslutningskablet (8) er udeladt.

7. Strain gauge sensor efter et af kravene 1 til 6, 10 kendetegnet ved at sensoren indbefatter et eller flere analoge eller digitale kredsløb, som tillader individuel kalibrering af sensorelementerne (1) før eller efter montagen på emnet.

8. Strain gauge sensor efter et af kravene 1 til 7, 15 kendetegnet ved at sensoren indbefatter et eller flere analoge eller digitale kredsløb, som kompenserer for fejl i sensorelementerne (1), herunder temperaturafhængige fejl.

9. Strain gauge sensor efter et af kravene 1 til 8, 20 kendetegnet ved at sensoren indbefatter en mikroprocessor, som styrer - eller helt eller delvist udgør - de i kravene 4 til 8 nævnte elektroniske kredsløb.

10. Strain gauge sensor efter et af kravene 1 til 9, 25 kendetegnet ved at tilslutningskablet (8) er erstattet af et stik som er monteret i sensorhuset (7).

11. Strain gauge sensor efter et af kravene 1 til 10, kendetegnet ved at sensorhuset (7) er forsynet med 30 indløbshuller og udluftningshuller, og at rummet omkring sensorelementerne (1), trykpuden (3) og de elektroniske kredsløb efter montagen på et emne udstøbes helt eller delvist med et elastisk materiale.

12. Strain gauge sensor efter et af kravene 1 til 11, kendetegnet ved at sensorhuset (7) og trykpuden (3) er tilpasset til montage på andre end plane emneflader. DK 176281 B1

13. Strain gauge sensor efter et af kravene 1 til 12, kendetegnet ved at sensorhuset P) fastgøres på emnet ved hjælp af en eller flere bolte.

14. Strain gauge sensor efter et af kravene 1 til 13, kendetegnet ved at sensorhuset (7) udgøres af flere enkelte dele, som er adskilt af elastisk materiale.

15. Strain gauge sensor efter et af kravene 1 til 14, 10 kendetegnet ved at et eller flere af sensorelementerne (1) ikke monteres i sensorhuset (7), men derimod limes på et emne, og at kontakten mellem disse sensorelementer (1) og trykpuden (3) fremkommer, når sensorhuset (7) efterfølgende monteres på emnet.

16. Strain gauge sensor efter et af kravene 1 til 15, kendetegnet ved at en eller flere dele af trykpuden (3) med de hertil limede eller hæftede sensorelementer (1) ikke monteres i sensorhuset (7), men derimod limes på et emne, og at kontakten mellem disse dele af trykpuden (3) og elektronikkortet (5) 20 fremkommer, når sensorhuset (7) efterfølgende monteres på emnet.