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Technisches
Gebiet
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Als
Brennraumdrucksensoren kommen heute neben piezoelektrischen Quarzen
Sensorchips zum Einsatz. Werden diese zur Erfassung des im Brennraum
einer Verbrennungskraftmaschine herrschenden Drucks eingesetzt,
ist es erforderlich, dass der Si-Chip nicht unmittelbar den dort
herrschenden hohen Temperaturen, die in der Größenordnung von etwa 600°C liegen,
ausgesetzt ist. Dies geschieht mit Hilfe einer metallischen Trennmembran
und einem angeschweißten
Stößel ausreichender
Länge.
Durch mikromechanisches Aufbringen eines winziges Podests in der
Membranmitte wird der Sensor zum Kraftsensor.
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Aus
dem Kraftfahrtechnischen Taschenbuch/Bosch [Chefredakteur: Horst
Bauer]; 23., aktualisierte und erweiterte Auflage Braunschweig;
Wiesbaden: Vieweg 1999, ISBN 3-528-03876-4, Seiten 110/111 ist ein Brennraumdrucksensor
bekannt, der als Sensorchip ausgebildet ist. Um zu vermeiden, dass
der Si-Chip nicht unmittelbar den hohen Temperaturen von maximal
600°C ausgesetzt
ist, ist eine metallische Trennmembran und ein angeschweißter Stößel von
einigen Millimetern Länge
vorgesehen. Die von der Frontmembran aufgenommenen Druckkräfte werden über den
Stößel mit
geringer zusätzlicher
Verfälschung über das
Podest in den Sensorchip eingeleitet. Dieser ist in der zurückgezogenen Montageposition
nur noch Betriebstemperaturen unterhalb von 150°C ausgesetzt.
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Auf
Seite 110, rechte Spalte unten, Abbildung Halbleiter-Drucksensor,
ist eine Brückenschaltung
bekannt, die durch eine Versorgungsspannung U0 beaufschlagt
ist. Die Brückenschaltung
umfasst Messwiderstände
R1, die bei einer Beanspruchung gedehnt
sowie Messwiderstände
R2, die bei mechanischer Beanspruchung eines
Siliziumsubstrats, auf dem sie aufgebracht sind, gestaucht werden.
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Derart
ausgebildete, piezoresistive Hochdrucksensoren auf Basis einer Dehnungsmessung, seien
sie auf einer Stahlmembran oder seien sie auf einer Siliziummembran
aufgetragen, kommen in zahlreichen Systemen im KFZ-Bereich zum Einsatz. Dazu
sind die Benzindirekteinspritzung, die Hochdruckspeichereinspritzung
(Common Rail), die Fahrdynamikregelung sowie die elektrohydraulische Bremse
zu zählen.
Eine künftige
Anwendung der piezoresistiven Hochdrucksensoren liegt in der zylinderselektiven
Druckmessung im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine.
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Zur
Druckmessung werden auf einer geeignet dimensionierten Stahlmembran
mehrere Widerstände
angeordnet und in Form einer Wheatstone-Brücke verschaltet. Durch Dehnung
bzw. Stauchung der Widerstände
wird die Wheatstone-Brücke verstimmt
und liefert ein dem Beaufschlagungsdruck proportionales elektrisches
Signal. Neben der gewünschten
Druckabhängigkeit
des Brückensignals weist
das Brückensignal
jedoch eine Temperaturabhängigkeit
auf, die aufgrund der hohen Genauigkeitsanforderungen kompensiert
werden muss. Dies erfolgt bei bisher bekannten Ausführungsformen
entweder durch direkt auf der Stahlmembran angebrachte zusätzliche
Kompensationswiderstände
oder durch eine Temperaturmessung im Bereich der Auswerteelektronik
mit anschließender
Berücksichtigung bei
der Ausgangssignalberechnung.
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Darstellung
der Erfindung
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Nach
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
wird durch geeignete Dimensionierung der Membrangeometrie sowie
entsprechender Positionierung von Dehnmessstreifen (DMS) auf der Membran
die Brückenschaltung
so beeinflusst, dass der Gesamtwiderstand der Messbrücke unabhängig von
der Auslenkung der Membran wird und der Gesamtwiderstand somit nur
von der Temperatur der Membran abhängt. Dadurch kann unabhängig vom zu
messenden Druck mit derselben Messbrücke, die als Wheatstone-Brücke ausgebildet
ist, die Temperatur der Membran mit der Messbrücke bestimmt werden und zu
Kompensationszwecken eingesetzt werden. Dadurch ist eine druckunabhängige Temperaturbestimmung
der Membran mit der als Sensorelement dienenden Messbrücke möglich, ohne
dass zusätzliche
auf der Metallmembran aufzubringende Kompensations- oder Temperaturmesswiderstände erforderlich
sind.
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In
vorteilhafter Weise wird durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung keine
zusätzliche
Fläche
der Metallmembran durch Kompensations- oder Temperaturmesswiderstände sowie
deren elektrische Anschlusspunkte mehr benötigt. Dadurch wiederum lässt sich
ein höherer
Miniaturisierungsgrad erreichen, was bei den heutigen Platzverhältnissen
im Zylinderkopfbereich von Verbrennungskraftmaschinen, in denen
die Drucksensoren eingesetzt werden, von nicht unerheblicher Bedeutung
ist. Die Miniaturisierung der Sensorelemente bietet wiederum Vorteile
hinsichtlich der Herstellkosten. Aufgrund der miniaturisierten Brennraumdrucksensoren
werden die Applikationsmöglichkeiten
solcher Sensorelemente an Verbrennungskraftmaschinen erheblich erweitert.
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Außerdem entfallen
durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung
zusätzliche
elektrische Kontaktierungspunkte, was einerseits den Fertigungsprozess
erheblich vereinfacht und andererseits potentielle Ausfallstellen,
etwa durch Kontaktbruch, vermieden werden können. Bei Brennraumdrucksensoren
befindet sich die Auswerteelektronik aufgrund maximal zulässigen Temperatur
von etwa 140°C
weit entfernt von der eigentlichen Druckmessstelle, in deren Bereich
Spitzentemperaturen von bis zu 600°C auftreten können. Eine
Temperaturmessung im Bereich der Auswerteelektronik gemäß den bisher
eingesetzten Drucksensoren liefert somit ein zur Temperaturkompensation
der Wheatstone-Messbrücke
viel zu ungenaues Signal. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Messung und Auswertung des druckunabhängigen Brückenwiderstands kann die Messgenauigkeit
des Brennraumdrucksensors erheblich verbessert werden.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1a, 1b, 1c, 1d Ausführungsvarianten
von auf einer Metallmembran angeordneten Dehnmessstreifen (DMS),
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2 eine
Metallmembran mit darauf aufgebrachten Dehnmessstreifen im ausgelenkten
Zustand und
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3 einen
Querschnitt durch das Membranmaterial mit Dehnungs- und Stauchungsmaxima.
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Ausführungsvarianten
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Die
in der 1a, 1b, 1c und 1d dargestellten
Brückenschaltungen
auf einer Stahlmembran repräsentieren
den derzeitigen Stand der Technik.
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Auf
einer Metallmembran 1 ist eine Brückenschaltung 5 aufgebracht,
welche als Wheatstone'sche
Brückenschaltung
ausgebildet sein kann. Die Brückenschaltung 5 umfasst
mehrere Widerstände
R1, R2, R3 und R4, gekennzeichnet
durch die Bezugszeichen 6, 7, 8 und 9.
Bei der Metallmembran 1 handelt es sich bevorzugt um eine
Stahlmembran, deren Zentrum durch Bezugszeichen 2 gekennzeichnet
ist und die in einem Radius r ausgebildet ist. Die peripheren Bereiche,
d.h. die weiter vom Zentrum 2 der Metallmembran 1 entfernter
liegenden Bereiche sind jeweils durch Bezugszeichen 3 angedeutet.
Der Rand der Metallmembran 1 ist durch Bezugszeichen 4 bezeichnet.
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Bei
den innerhalb der Brückenschaltung 5 verschalteten
Widerständen
R1, R2, R3 und R4 handelt
es sich bevorzugt um Dehnmessstreifen. Die Brückenschaltung 5 ist
an eine Versorgungsspannung U0 angeschlossen;
der Abgriff der Messspannung UA liegt zwischen
den Widerständen
R1 und R4 bzw. R2 und R3.
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Die
auf der Metallmembran 1 angeordneten Widerstände R1, R2, R3 und
R4 sind so angeordnet, dass diese bei Druckbeaufschlagung
der Metallmembran 1 eine Dehnung bzw. eine Stauchung erfahren. Dadurch
wird die Brückenschaltung
verstimmt und liefert ein dem die Metallmembran 1 beaufschlagenden
Druck proportionales Spannungssignal UA,
was einer Auswertungsschaltung zugeführt wird. Dieses Signal UA ist nicht nur druckabhängig, sondern auch temperaturabhängig. Die
Druckabhängigkeit
ist gewünscht,
jedoch macht die Temperaturabhängigkeit des
erhaltenen Signals UA den Einsatz von Kompensationswiderständen RT1, RT2 erforderlich,
um den hohen Genauigkeitsanforderungen, die bei einem Einsatz als
Brennraumdrucksensor gestellt werden, gerecht zu werden. Bei der
in 1 dargestellten Lösung, sind
zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Messsignals UA auf der Metallmembran 1 zusätzliche
Kompensationswiderstände
RT1, RT2 aufgebracht.
Diese Kompensationswiderstände
RT1, RT2 beeinflussen
jedoch nur die Temperaturabhängigkeit
der Empfindlichkeit, der Nullpunkt bleibt unkompensiert. Eine weitere
Möglichkeit,
die die Signalgenauigkeit beeinflussende Temperaturabhängigkeit
auszuschalten, liegt darin, eine Temperaturmessung im Bereich der
Auswerteelektronik vorzunehmen und das Ausgangssignal UA um
den Einfluss der Temperatur zu korrigieren und auf diese Weise die Genauigkeit
des Messsignals UA zu verbessern. Beim Einsatz
als Brennraumdrucksensor findet sich die Auswerteelektronik aufgrund
ihrer Temperaturlimitierung von etwa 140°C jedoch weit entfernt von der
eigentlichen Druckmessstelle, in deren Bereich Spitzentemperaturen
von bis zu 600°C
auftreten. Eine Temperaturmessung im Bereich der Auswerteelektronik
liefert somit ein zur Temperaturkompensation der Brückenschaltung
viel zu ungenaues Signal, was aus der Temperaturlimitierung der
Auswerte elektronik herrührt.
Bei den in den 1a, 1b, 1c und 1d dargestellten
Varianten bedingen die zusätzlich
gesetzten Kompensationswiderstände RT1, RT2 (optional)
einen erhöhten
Flächenbedarf
auf der Metallmembran einerseits und andererseits ein zusätzliches
Kontaktierungspad.
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Der
Darstellung gemäß 2 ist
die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Konfiguration einer Brückenschaltung,
die auf eine Metallmembran aufgebracht ist, zu entnehmen.
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Die
in 2 dargestellte Metallmembran 1, bei der
es sich bevorzugt um eine Stahlmembran handelt, umfasst ein Zentrum 2 sowie
Peripheriebereiche 3, die sich in radialer Richtung erstrecken.
Die Metallmembran 1 ist durch den Rand 4 begrenzt
und mit der Brückenschaltung 5 versehen,
die analog zur in 1 dargestellten,
aus dem Stand der Technik bekannten Ausführung, beschaffen ist. Die
Brückenschaltung 5 ist
ebenfalls als Wheatstone'sche
Brücke ausgebildet
und umfasst vier miteinander verschaltete Widerstände R1, R2, R3 sowie
R4, die durch die Bezugszeichen 6, 7, 8 und 9 identifiziert
sind. Die Brückenschaltung 5 wird
durch eine Versorgungsspannung U0 gespeist;
der Spannungsgriff für
das erhaltene Messsignal, d.h. die Messspannung UA,
erfolgt zwischen den Widerständen
R1 und R4 einerseits
und den Widerständen
R2 und R3 andererseits.
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Die
Widerstände
R1, R2, R3 sowie R4 sind bevorzugt
als Dehnmessstreifen ausgebildet. Die Positionen, an denen die Widerstände R1, R2, R3 und
R4 auf der Metallmembran 1 aufgebracht
werden, können
mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) bestimmt werden. Nach
der Erstellung eines geometrischen Modells der Metallmembran 1 und
der Festlegung geeigneter Randbedingungen liefert die Finite-Elemente-Methode
als Ergebnis die Dehnungstopologie der Metallmembran 1 unter
Druckbeanspruchung.
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Die
Randbedingungen, unter denen die Finite-Elemente-Methode angewendet
wird, berücksichtigen
neben weiteren Optimierungsparametern, dass die Radialdehnung der
Metallmembran 1 betragsmäßig gleich der Stauchung (εstauch)
der Metallmembran 1 ist. Als Modulationsparameter kann
weiterhin der Nenndruck berücksichtigt
werden, mit dem die Metallmembran 1 beaufschlagt ist. Als
geometrische Randbedingungen wird der Durchmesser der Metallmembran 1 berücksichtigt
sowie die Membrandicke. Die Membrandicke kann in radiale Richtung
gesehen auch durchaus variieren, was bei der Finite-Elemente-Methode als Einflussparameter
berücksichtigt werden
kann. Des weiteren können
die Membranhöhe
der Metallmembran 1 sowie die Werkstoffeigenschaften des
Materials berücksichtigt
werden, aus denen die Metallmembran 1 gefertigt wird. Neben
einer Ausbildung der Membran als Metallmembran 1 können diese
beispielsweise auch aus keramischem Werkstoff gefertigt sein.
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Aus
der Dehnungstopologie der Metallmembran 1 gehen die Bereiche
hervor, in denen sowohl die Dehnungsmaxima als auch die Stauchungsmaxima
bei Druckbeaufschlagung der Metallmembran 1 auftreten. Üblicherweise
liegt das Dehnungsmaximum 12 im Zentrum 2 der
Metallmembran 1, da dieses am weitesten von der Einspannstelle,
d.h. dem Rand 4 der Metallmembran 1 entfernt liegt
und demzufolge durch den die Metallmembran 1 beaufschlagenden
Druck am weitesten ausgelenkt werden kann. Die Stauchungsmaxima 13 liegen üblicherweise
im Peripheriebereich 3 der Metallmembran 1, d.h. in
der Regel im Bereich des Randes 4 der Metallmembran 1,
die bevorzugt als Stahlmembran ausgebildet ist. Die Randbedingungen
der FEM-Simulation werden in vorteilhafter Weise so gewählt, dass
im Zuge einer geometrischen Optimierung das in Zentrum 2 der
Metallmembran 1 auftretende Dehnungsmaximum 12 vom
Betrag her den Beträgen
der im Peripheriebereich 3 der Metallmembran 1 liegenden Stauchungsmaxima 13 entspricht.
Aufgrund der am geometrischen Modell ermittelten und durch geeignete
Formgebung der Metallmembran 1 optimierten Dehnungstopologie
können
die Positionen der vier Widerstände
R1, R2, R3 sowie R4 so gewählt werden, dass
die Absolutwerte der Dehnungen Δl
denen der Stauchungen -Δl
entsprechen.
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In
diesen Positionen, die durch Ermittlung der Dehnungstopologie der
Metallmembran 1 ermittelt werden, werden die vier Widerstände R1, R2, R3 und
R4, ausgebildet als Dehnmessstreifen, auf
der Metallmembran 1 angeordnet. Bei Anordnung der vier
Widerstände
der Brückenschaltung 5 in
den in 2 dargestellten Positionen auf der Metallmembran 1 ist
der Betrag der Widerstandsänderung
unter Druckbeanspruchung aller vier Widerstände R1,
R2, R3 sowie R4 betragsmäßig identisch. Aus der Darstellung
gemäß 2 geht
hervor, dass die beiden Widerstände
R1 und R3, identifiziert
durch die Bezugszeichen 6 bzw. 8 im zentrumsnahen
Bereich der Metallmembran 1, ein zentrumsnahes Widerstandspaar 10 bildend
angeordnet sind. Die beiden Widerstände werden aufgrund der im
Bereich des Zentrums 2 der Druckbeaufschlagung der Metallmembran 1 herrschenden
Dehnungen von ihrer ursprünglichen
Länge auf
eine Länge
l+Δl gestreckt.
Die Streckung Δl (d.h.
die Dehnung) der beiden als Dehnmessstreifen ausgebildeten Widerstände R1 und R3 ist identisch. Anstelle
der in 2 dargestellten Orientierung der beiden Widerstände R1 und R2 könnten diese
auch parallel zur Horizontalachse oder auch parallel zur Vertikalachse
der Metallmembran 1 angeordnet werden. Demgegenüber liegen
die Positionen eines peripheren Widerstandpaares 11 in
der Peripherie 3 der Metallmembran 1 und dort
in den Bereichen, in denen die Stauchungsmaxima 13 auftreten.
Bei einer Druckbeaufschlagung der Metallmembran 1 von einer
Seite her, wird das zentrumsnahe Widerstandspaar 10 auf
Dehnung beansprucht, d.h. um den Betrag Δl gestreckt.
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Das
periphere Widerstandspaar 11 wird demgegenüber um die
Strecke -Δl
gestaucht, angedeutet durch die gestrichelte Widergabe der beiden Widerstände R2 bzw. R4. Die Stau chung
l-Δl gibt
die Länge
an, um die die im Stauchungsbereich der Metallmembran 1 liegenden
beiden Widerstände
R2 bzw. R4 bei Druckbeaufschlagung
der Metallmembran 1 gestaucht werden. Die Streckung der
beiden zentrumsnah angeordneten Widerstände R1 und
R3, das zentrumsnahe Widerstandpaar 10 bildend,
ist durch l+Δl
dargestellt und ebenfalls gestrichelt angedeutet. Durch die Anordnung
des zentrumsnahen Widerstandspaares 10 und des peripheren
Widerstandspaares 11 ist der absolute Betrag Δl der gestauchten
Widerstände
R2 und R4 identisch
zur Länge Δl des zentrumsnah
angeordneten Widerstandspaares 10. Aufgrund dieser Tatsache
entsprechen die Zugdehnungen Δl
der beiden zentrumsnahen Widerstände
R1 und R3 den Stauchungen
-Δl der
weiter außen
in der Peripherie 3 der Metallmembran 1 liegenden,
auf Druck beanspruchten Widerstände
R2 und R4. In diesem
Falle ist der Gesamtwiderstand der Brückenschaltung 5 nur
noch von der Temperatur abhängig
und somit unabhängig
vom anliegenden Druck, welcher über
die Auslenkung der Metallmembran 1 zu ermitteln ist. Damit
lässt sich
durch eine Messung des Gesamtwiderstands RGES die
Temperatur der Brückenschaltung 5 bestimmen
und zur Kompensation des Temperatureinflusses heranziehen.
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Durch
die in 2 anhand eines Beispiels dargestellte Anordnung
der Widerstände
R1, R2, R3 sowie R4 wird erreicht,
das der Gesamtwiderstand der Brückenschaltung 5 unabhängig von
der Auslenkung der Metallmembran 1 wird und somit nur von der
Temperatur der Metallmembran 1 abhängt. Dadurch kann unabhängig vom
zu messenden Druck mit der Brückenschaltung 5 die
Temperatur der Metallmembran 1 durch die Brückenschaltung 5 bestimmt
und zu Kompensationszwecken eingesetzt werden. Damit ist sichergestellt,
dass die Temperatur, der die Brückenschaltung 5 ausgesetzt
ist, die wahre Temperatur ist, um deren Einfluss das erhaltene Messsignal
UA der Brückenschaltung 5 zu
kompensieren ist. Messungenauigkeiten durch eine Temperaturkompensation
im Bereich der Auswerteelektronik, die aus Gründen der thermischen Beanspruchung
weit entfernt von der Metallmembran 1 liegt, können durch
die erfindungsgemäß vorgeschlagene Temperaturkompensation
unmittelbar durch die Auslegung, d.h. die Positionierung der Widerstände R1, R2, R3 und
R4 der Brückenschaltung 5, behoben
werden. Damit lässt
sich durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung
eine wesentlich genauere, druckunabhängige Temperaturbestimmung
der Metallmembran 1 erreichen. Im Gegensatz zur aus dem Stand
der Technik bekannten Lösung
kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung
auf die Anordnung zusätzlicher
Kompensations- oder Temperaturmesswiderstände verzichtet werden. Ferner wird
die zum Aufbringen der Kompensations- oder Temperaturmesswiderstände erforderliche
Brennraumfläche
eingespart, wobei die elektrischen Anschlusspunkte für die Kompensations-
und Temperaturmesswiderstände
ebenfalls entfallen können.
Damit lässt
sich die Metallmembran 1 insgesamt gesehen wesentlich kleiner
auslegen, da wesentlich weniger Fläche benötigt wird. Durch den Entfall
der elektrischen Kontaktierungsstellen zusätzlich vorzuhaltender Kompensations-
oder Temperaturmesswiderstände
gemäß den aus
dem Stand der Technik bekannten Lösungen werden Schwachstellen,
die potentielle Ausfallstellen darstellen, vermieden.
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Der
Darstellung gemäß 3 ist
ein Querschnitt durch das Membranmaterial mit Lage der Dehnungs-
bzw. Stauchungsmaxima zu entnehmen.
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Die
in 3 teilweise im Querschnitt dargestellte Metallmembran 1 ist
symmetrisch zur Symmetrieachse 14. Bei dem Membranmaterial
kann es sich einerseits um einen metallischen Werkstoff, andererseits
auch um Keramikmaterial handeln. Bei Druckbeaufschlagung der Metallmembran 1 nimmt
diese die in 3 dargestellte Form an. Die
Metallmembran 1 wird im Bereich des Zentrums 2 gedehnt
und an der Peripherie 3 gestaucht. Die Position des zentrumsnahen
Widerstands 10 ist in 3 durch
das Bezugszeichen 16 angedeutet, während die Position des in der
Peripherie 3 der Metallmembran 1 angeordneten
zentrumsfernen Widerstandspaares 5 durch Bezugszeichen 17 angedeutet
ist. Aufgrund der geometrischen Verformung des Membranmaterials 15 erfährt das
Zentrum 2 eine Dehnung in radiale Richtung. Die sich im
Zentrum 2 der Metallmembran 1 einstellende Radialdehnung εr,dehn entspricht
betragsmäßig der
radialen Stauchung εr,stauch im Bereich der Peripherie 3 der
Metallmembran 1. Die Dehnung in radiale Richtung im Radialdehnungsbereich 18 entspricht
betragsmäßig der
Radialstauchung εr,stauch, angedeutet durch Bezugszeichen 19 im
Peripheriebereich 3 der Metallmembran 1.
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- 1
- Metallmembran
- 2
- Zentrum
- 3
- Peripherie
- 4
- Rand
- U0
- Versorgungsspannung
- UA
- Ausgangsspannung
Uϑ
- 5
- Brückenschaltung
- 6
- erster
DMS (R1)
- 7
- zweiter
DMS (R2)
- 8
- dritter
DMS (R3)
- 9
- vierter
DMS (R4)
- RT1
- erster
Temperatur-Kompensationswiderstand
- RT2
- zweiter
Temperatur-Kompensationswiderstand
- 10
- zentrumsnahes
Widerstandspaar (R1, R3)
- 11
- peripheres
Widerstandspaar (R2, R4)
- Δl
- Dehnung
zentrumsnahe Widerstände
- -Δl
- Stauchung
periphere Widerstände
- |Δl|
- Absolutbetrag
Dehnung/Stauchung
- 12
- Dehnungsmaximum
- 13
- Stauchungsmaximum
- 14
- Symmetrieachse
- 15
- Membranmaterial
- Er
- Radialdehnung
- 16
- Position
zentrumsnahes Widerstandspaar
- 17
- Position
peripheres Widerstandspaar
- 18
- Radialdehnungsbereich εr,dehn
- 19
- Radialstauchungsbereich εr,stauch