WO1996005491A1 - Kraft- oder dehnungssensor - Google Patents

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors

Definitions

  • a measuring transducer for length or distance changes with mechanical-electrical measurement variable conversion in which a measuring capacitor with two electrode structures that can be adjusted in parallel is provided as the adjustable capacitance.
  • the comb-shaped and intermeshing electrode structures each consist of a plurality of planar electrodes which are arranged parallel and at a distance from one another and which are assigned to one another in pairs. Capacitive decoupling is achieved by a strongly asymmetrical arrangement of the electrode structures, so that the total capacitance of the measuring capacitor results from a parallel connection of electrode pairs, which are each formed by electrodes which are assigned to one another. The change in capacitance caused by the variable electrode spacing of the electrode pairs serves as the measurement variable.
  • the sensors are used in particular for the contactless measurement of torques on rotating shafts. With electrode structures designed as microstructures, for example, torsions of a few micrometers can be detected.
  • the sensors described in EP-B-0 354 386 are only suitable to a limited extent for a general measurement of a linear force or elongation, since the elongation caused by temperature changes the electrode spacings directly and thus falsifies the measurement result.
  • strain gauges are generally used, which consist of several loops of thin resistance wire, which are embedded in a carrier made of paper and synthetic resin. This carrier is glued to the measuring point and consequently makes the change in length of the object to be measured thereon
  • a force can also be measured with a strain gauge via the strain. Limited alternating load and overload resistance, as well as cumbersome application processes, however, restrict the use of these strain gauges, particularly in the field of plant and machine construction.
  • the invention specified in claim 1 is based on the problem of significantly improving industrial force or strain measurement and of significantly expanding its area of application compared to the known strain gauges.
  • the force or strain sensor according to the invention has the following advantages in particular:
  • the force or strain sensor according to the invention will replace the known strain gauges in many areas, as well as new applications, such as in plant engineering or automotive engineering.
  • the invention is based on the knowledge that when the fastening points of the electrode structures are located on a connecting line running parallel to the direction of the electrodes and an orientation of this connecting line to the direction of the force to be measured or the elongation to be measured at an angle of 40 to 50 ° at least largely prevents a temperature-related expansion of the electrode distances is changed.
  • the electrode spacing as the actual measured variable is fundamentally not influenced by the temperature.
  • the temperature-related expansion changes the capacitance of the measuring capacitor only to an extremely small extent via the change in area. This influence on the change in area can, however, be practically completely avoided by the electrode shape according to claim 3.
  • Fig. 1 shows a force or strain sensor with a capacitive transducer formed by a measuring capacitor
  • Fig. 2 shows a special electr denform of the measuring capacitor.
  • FIG. 1 shows a highly simplified schematic representation of a force or strain sensor with a capacitive transducer formed by a measuring capacitor Mk.
  • the measuring capacitor Mk is formed by two comb-shaped electrode structures Esl and Es2, the electrodes El and E2 of which are arranged in such a way that a small electrode distance d1 and a substantially larger electrode distance d2 follow one another. Accordingly, capacitances formed over electrode pairs with the distance d2 are negligibly small compared to the capacitances formed over the distances dl of the electrode pairs.
  • the total capacitance of the measuring capacitor Mk is thus obtained by connecting the electrode pairs in parallel with the electrode spacing dl.
  • the two comb-shaped and interlocking electrode structures Esl and Es2 are connected via two fastening points Bpl and Bp2 in FIG. 2 connected to the crosspiece of the comb Dependency of the force F to be measured or the strain ⁇ to be measured can be adjusted parallel to one another.
  • the fastening points Bpl and Bp2 are connected, for example, in an electrically insulated manner to a support, not shown in the drawing, which in turn is attached, for example with the aid of screws, to the measurement object, also not shown. Attachment of the fastening points Bpl and Bp2 directly to the test object is also possible.
  • the electrically insulated fastening is carried out, for example, with the aid of ceramic plates metallized on both sides, which are connected to the fastening points Bpl or Bp2 and the carrier by soldering.
  • the two fastening points Bpl and Bp2 lie on a connecting line VI running parallel to the direction of the electrodes E1 and E2, which in turn is oriented at an angle ⁇ to the force F to be measured or the strain ⁇ to be measured.
  • ⁇ dl 1 / 2 ⁇ -D-sin2 ⁇
  • the change ⁇ dl of the electrode spacing dl described above causes a change in the total capacitance of the measuring capacitor Mk, this change in capacitance being a measure of the force to be measured or the elongation ⁇ to be measured.
  • one electrode E2 of a pair of electrodes E1, E2 has in the outer
  • Overlap area has a smaller thickness S than the other capacitive effective area. Temperature-related changes in area then only have an effect on the overlap area with the reduced thickness S, which due to the correspondingly increased distance between the electrode pairs E1, E2 has practically no influence on the capacitance of the measuring compensator Mk.

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Abstract

Der Kraft- oder Dehnungssensor besitzt einen Messkondensator (Mk), dessen kammförmig ausgebildete und ineinandergreifende Elektrodenstrukturen (Es1, Es2) über zwei Befestigungspunkte (Bp1, Bp2) in Abhängigkeit von der zu messenden Kraft (F) oder der zu messenden Dehnung ( epsilon ) parallel zueinander verstellbar sind. Die Gesamtkapazität des Messkondensators (Mk) ist durch eine Parallelschaltung einzelner Elektrodenpaare bestimmt. Eine durch Änderung der Elektrodenabstände (d1) bewirkte Änderung der Gesamtkapazität des Messkondensators (Mk) gibt Aufschluss über die zu messende Kraft (F) oder die zu messende Dehnung ( epsilon ). Eine Veränderung der Elektrodenabstände durch temperaturbedingte Dehnungen wird dadurch zumindest weitgehend vermieden, dass die Befestigungspunkte (Bp1, Bp2) auf einer Verbindungslinie (V1) liegen, die parallel zur Richtung der Elektroden (E1, E2) verläuft und unter einem Winkel ( alpha ) von 40 bis 50 DEG , vorzugsweise 45 DEG , zur Richtung der zu messenden Kraft (F) oder der zu messenden Dehnung ( epsilon ) orientiert ist.

Description

Beschreibung
Kraft- oder Dehnungssensor
Aus der EP-B-0 354 386, ist ein Meßaufnehmer für Längen- oder Abs andsänderungen mit mechanisch-elektrischer Meßgrößenum¬ formung bekannt, bei dem als verstellbare Kapazität ein Me߬ kondensator mit zwei parallel zueinander verstellbaren Elek¬ trodenstrukturen vorgesehen ist. Die kammförmig ausgebildeten und ineinandergreifenden Elektrodenstrukturen bestehen je¬ weils aus mehreren ebenen, parallel im Abstand zueinander an¬ geordneten Elektroden, die paarweise einander zugeordnet sind. Durch eine stark unsymmetrische Anordnung der Elektro¬ denstrukturen wird eine kapazitive Entkopplung erreicht, so daß die Gesamtkapazität des Meßkondensators sich aus einer Parallelschaltung von Elektrodenpaaren ergibt, die jeweils durch einander zugeordnete Elektroden gebildet sind. Als Me߬ größe dient die durch den variablen Elektrodenabstand der Elektrodenpaare hervorgerufene Kapazitätsänderung. Die Meß- aufnehmer werden insbesondere bei der berύhrungslosen Messung von Drehmomenten an rotierenden Wellen eingesetzt. Mit als MikroStrukturen ausgebildete Elektrodenstrukturen können bei¬ spielsweise Torsionen von wenigen Mikrometern erfaßt werden. Für eine generelle Messung einer linearen Kraft oder Dehnung sind die in der EP-B-0 354 386 beschriebenen Meßaufnehmer nur bedingt geeignet, da die temperaturbedingte Dehnung die Elek¬ trodenabstände unmittelbar verändert und damit das Meßergeb¬ nis verfälscht.
Für statische oder dynamische Kraft- bzw. oder Dehnungsmes¬ sungen werden in der Regel Dehnungsmeßstreifen eingesetzt, die aus mehreren Schleifen von dünnem Widerstandsdraht beste¬ hen, die in einen Träger aus Papier und Kunstharz eingebettet sind. Dieser Träger wird auf die Meßstelle geklebt und macht infolgedessen die Längenänderung des Meßobjekts an dieser
Stelle mit. Die dabei eintretende Längung bzw. Verkürzung der Drahtschleifen ergibt eine Widerstandsänderung, die der Deh- nung des Meßobjekts proportional ist. Neben Anwendungen, bei denen die Messung einer Dehnung der primäre Zweck der Messung ist, kann mit einem Dehnungsmeßstreifen über die Dehnung auch eine Kraft gemessen werden. Begrenzte Wechsellast- und Ober- lastfestigkeit, sowie umständliche Applikationsverfahren, be¬ schränken jedoch den Einsatz dieser Dehnungsmeßstreifen, ins¬ besondere im Feldeinsatz des Anlagen- und Maschinenbaues.
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu- gründe, die industrielle Kraft- oder Dehnungsmessung wesent¬ lich zu verbessern und in ihrem Anwendungsbereich gegenüber den bekannten Dehnungsmeßstreifen deutlich zu erweitern.
Im Vergleich zu den Dehnungsmeßstreifen ergeben sich mit dem erfindungsgemäßen Kraft- oder Dehnungssensor insbesondere folgende Vorteile:
- deutlich höhere Oberlastsicherheit
- wesentlich verbesserte Wechsellastfestigkeit
- frequenzbasiertes Meßsignal - deutlich verbesserte Linearität und Nullpunktstabilität
- deutlich verringerter Temperaturgang und Hysterese
- einfache Applikation, weitgehend unabhängig von dem Ausdeh¬ nungskoeffizienten des Trägermaterials
- kostengünstiger Aufbau durch Mikrosystemtechnik.
Aufgrund obiger Vorteile wird der erfindungsgemäße Kraft- oder Dehnungssensor die bekannten Dehnungsmeßstreifen in vie¬ len Bereichen ablösen, sowie neue Anwendungen, wie z.B. in der Anlagentechnik oder der Automobiltechnik, eröffnen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einer Lage der Befestigungspunkte der Elektrodenstrukturen auf ei¬ ner parallel zur Richtung der Elektroden verlaufenden Verbin¬ dungslinie und einer Orientierung dieser Verbindungslinie zur Richtung der zu messenden Kraft oder der zu messenden Dehnung unter einem Winkel von 40 bis 50° eine temperaturbedingte Dehnung der Elektrodenabstände zumindest weitgehend verhin- dert wird. Bei einer Orientierung der Verbindungslinie zur Richtung der zu messenden Kraft oder der zu messenden Dehnung unter einem Winkel von genau 45° gemäß Anspruch 2, wird der Elektrodenabstand als eigentliche Meßgröße von der Temperatur grundsätzlich nicht beeinflußt. Bei dieser Anordnung verän¬ dert die temperaturbedingte Dehnung die Kapazität des Meßkon¬ densators über die Flächenänderung nur zu einem äußerst ge¬ ringem Maß. Dieser Einfluß über die Flächenänderung kann je¬ doch durch die Elektrodenform gemäß Anspruch 3 praktisch vollständig vermieden werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 einen Kraft- oder Dehnungssensor mit einem durch einen Meßkondensator gebildeten kapazitiven Wandler und
Fig. 2 eine spezielle Elektr denform des Meßkondensators.
Die Figur 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Dar¬ stellung einen Kraft- oder Dehnungssensor mit einem durch ei¬ nen Meßkondensator Mk gebildeten kapazitiven Wandler. Der Meßkondensator Mk wird durch zwei kammförmige Elektroden- Strukturen Esl und Es2 gebildet, deren Elektroden El und E2 so angeordnet sind, daß jeweils ein kleiner Elektrodenabstand dl und ein wesentlich größerer Elektrodenabstand d2 aufeinan¬ derfolgen. Dementsprechend sind über Elektrodenpaare mit dem Abstand d2 gebildete Kapazitäten vernachlässigbar gering ge- genüber den über die Abstände dl der Elektrodenpaare gebilde¬ ten Kapazitäten. Die Gesamtkapazität des Meßkondensators Mk ergibt sich somit durch Parallelschaltung der Elektrodenpaare mit dem Elektrodenabstand dl.
Die beiden kammförmig ausgebildeten und ineinandergreifenden Elektrodenstrukturen Esl und Es2 sind über zwei mit dem Quer¬ steg des Kammes verbundene Befestigungspunkte Bpl und Bp2 in Abhängigkeit der zu messenden Kraft F oder der zu messenden Dehnung ε parallel zueinander verstellbar. Die Befestigungs¬ punkte Bpl und Bp2 sind beispielsweise elektrisch isoliert mit einem in der Zeichnung nicht näher dargestellten Träger verbunden, welcher seinerseits beispielsweise mit Hilfe von Schrauben, an dem ebenfalls nicht dargestellten Meßobjekt an¬ gebracht wird. Eine Anbringung der Befestigungspunkte Bpl und Bp2 direkt am Meßobjekt ist ebenfalls möglich. Die elek¬ trisch isolierte Befestigung erfolgt beispielsweise mit Hilfe von beidseitig metallisierten Keramikplättchen, die mit den Befestigungspunkten Bpl bzw. Bp2 und dem Träger durch Löten verbunden werden.
Die beiden Befestigungspunkte Bpl und Bp2 liegen auf einer parallel zur Richtung der Elektroden El und E2 verlaufenden Verbindungslinie VI, welche ihrerseits unter einem Winkel α zu der zu messenden Kraft F oder der zu messenden Dehnung ε orientiert ist.
Sind nun der auf der Verbindungslinie VI liegende Abstand zwischen den Befestigungspunkten Bpl und Bp2 mit D und der in Richtung der zu messenden Kraft F oder der messenden Dehnung ε ermittelte Abstand zwischen den Befestigungspunkten Bpl und Bp2 mit 1 bezeichnet, so gilt die Beziehung
1-D-cosα
Ändert sich der Abstand 1 durch die Wirkung der Kraft F um den Betrag Δl, so gilt für die Dehnung ε=Δl/l. Die Längenän- derung Δl bewirkt andererseits eine Änderung des Elektroden¬ abstandes dl von
Δdl=Δl-sinα Für die Änderung Δdl des Elektrodenabstandes dl gilt somit die Beziehung
Δdl=l/2ε-D-sin2α
Ein Maximum der durch die Kraft F hervorgerufenen Änderung des Elektrodenabstandes dl ergibt sich dann bei einem Winkel
α=45° zu
Δdlmax=l/2ε-D
Die vorstehend geschilderte Änderung Δdl des Elektrodenab¬ standes dl verursacht eine Änderung der Gesamtkapazität des Meßkondensators Mk, wobei diese Kapazitätsänderung ein Maß für die zu messende Kraft oder die zu messende Dehnung ε ist.
Im Hinblick auf eine Verfälschung des Meßergebnisses durch Temperatureinflüsse ist es nun ohne weiteres ersichtlich, daß bei einem Winkel α=45° temperaturbedingte Dehnungen den
Elektrodenabstand dl als Meßgröße grundsätzlich nicht beein¬ flussen. Die temperaturbedingte Dehnung beeinflußt lediglich in einem äußerst geringen Maß die Kapazität des Meßkondensa¬ tors Mk über eine Flächenänderung der Elektrodenpaare.
Ein Einfluß der temperaturbedingten Flächenänderung auf die Kapazität des Meßkondensators Mk kann durch die in Figur 2 dargestellte Elektrodenform praktisch vollständig vermieden werden. Bei dieser speziellen Elektrodenform weist jeweils eine Elektrode E2 eines Elektrodenpaares El, E2 im äußeren
Überlappungsbereich eine geringere Stärke S auf, als der üb¬ rige, kapazitive wirksame Bereich. Temperaturbedingte Flä¬ chenänderungen wirken sich dann nur auf den Überlappungsbe¬ reich mit der reduzierten Stärke S aus, der durch den hier entsprechend vergrößerten Abstand der Elektrodenpaare El, E2 auf die Kapazität des Meßkompensators Mk praktisch keinen Einfluß mehr hat.

Claims

Patentansprüche
1. Kraft- oder Dehnungssensor mit kapazitivem Wandler, mit folgenden Merkmalen: - die elektrisch voneinander isolierten, kammförmig ausgebil¬ deten und ineinandergreifenden Elektrodenstrukturen (Esl,Es2) eines Meßkondensators (Mk) sind, über zwei Befe¬ stigungspunkte (Bpl,Bp2) in Abhängigkeit der zu messenden Kraft (F) oder zu messenden Dehnung (ε) parallel zueinander verstellbar,
- die Gesamtkapazität des Meßkondensators (Mk) ist durch Par¬ allelschaltung einzelner Elektrodenpaare bestimmt, die je¬ weils durch eine Elektrode (El) der einen Elektrodenstruk¬ tur (Esl) und eine zugeordnete, benachbarte Elektrode (E2) der zweiten Elektrodenstruktur (Es2) gebildet sind,
- der entsprechend der zu messenden Kraft (F) oder der zu messenden Dehnung (ε) variable Elektrodenabstand (dl) der Elektrodenpaare ist innerhalb des gesamten Meßbereichs klein gegeüber dem Abstand (d2) zwischen einander nicht zu- geordneten, benachbarten Elektroden (E1,E2) der beiden Elektrodenstrutkuren (Esl,Es2),
- die Befestigungspunkte (Bpl,Bp2) der Elektrodenstrukturen (Esl,Es2) liegen auf einer parallel zur Richtung der Elek¬ troden (E1,E2) verlaufenden Verbindungslinie (VI), die un- ter einem Winkel (α) von 40 bis 50° zur Richtung der zu messenden Kraft (F) oder der zu messenden Dehnung (ε) ori¬ entiert ist.
2. Kraft- oder Dehnungssensor nach Anspruch 1, dadurch geken zeichnet, daß die Verbindungslinie (VI) unter einem Winkel (α) von 45° zur Richtung der zu messenden Kraft (F) oder der zu messenden Dehnung (ε) orientiert ist.
3. Kraft- oder Dehnungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , 7 daß zumindest jeweils eine Elektrode (E2) der Elektrodenpaare (El, E2) des Meßkondensators (Mk) im äußeren Überlappungsbe¬ reich eine geringere Stärke (S) aufweist.
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