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Die
Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Messung von physikalischen
Größen, wie Kraft, Druck, Temperatur, Drehmoment
oder Kombinationen davon. In dieser Messvorrichtung werden Deformationen
eines Körpers aus Metall, an dem die zu messende Größe
angreift, mittels de formationsbedingter Veränderungen
ohmscher Widerstände elektrisch erfasst.
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Eine
nach diesem Prinzip arbeitende, gattungsgemäße
Messvorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 10 2006 004 285 A1 bekannt.
Ein laschenförmiger Metallkörper hat in der Mitte
ein Loch in das ein topfförmiges Sensorelement eingesetzt
ist. Das Sensorelement ist auf seiner Deckelfläche mit
einer durch Glasschichten isoliert aufgebrachten Sensorschaltung
mit Dehnungsmessstreifen versehen, die als eine Wheatstone'sche
Brückenschaltung mit Widerständen in Metalldünnschichttechnik
ausgeführt ist. Das Sensorelement ist entlang seinem Umfang
im Bereich im Bereich der oberen und unteren Seitenfläche
des laschenförmigen Metallkörpers mit dem Metallkörper
verschweißt. Hierbei erstreckt sich die Schweißnaht
jeweils ein Stück weit in die Materialstärke des
Metallkörpers.
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Diese
Verschweißung kann im Bereich der Wurzeln der Schweißnähte
Materialspannungen erzeugen, die die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen
oder die Lebensdauer herabsetzen können. Zudem ist eine
Verschweißung des Sensorelements von beiden Seiten des
laschenförmigen Metallkörpers erforderlich, was
entweder den Handhabungsaufwand für das Werkstück
oder den apparativen Aufwand für die Fertigung erhöht.
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Ferner
ist aus der
DE 195
27 687 A1 ein Sensor bekannt, der auf eine Messmembran
aufgebrachte Dünnschichtwiderstände hat, die in
Form von zwei Wheatstone'schen Brücken an solchen Orten
der Messmembran angeordnet sind, dass zwei Widerstände
einer Brücke im Bereich der Stauchung der belasteten Membran
angeordnet sind, während die anderen Widerstände
im Bereich der Dehnung der belasteten Membran angeordnet sind. Auf
diese Weise sollen Veränderungen erkannt werden, die redundante
Messbrückenanordnungen insgesamt beeinträchtigen,
aber allein durch Vergleich der beiden Brücken nicht erkannt
werden können, da sie beide Brücken gleichermaßen
betreffen, wie z. B. Alterung, Materialermüdung, Korrosion
etc..
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Ausgehend
vom nächstkommenden Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung vorzuschlagen, die einfach zu
fertigen ist und eine hohe Messgenauigkeit bei langer Lebensdauer
liefert.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen aufgezeigt.
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Die
erfindungsgemäße Messvorrichtung hat einen Metallkörper,
der entsprechend einer zu messenden Größe deformierbar
ist. Je nach Gestaltung und Einsatz des Metallkörpers können
Biegekräfte, Zugkräfte, Druckkräfte,
Drehmomente oder auch Wärmedehnungen, die unterschiedliche,
zu messende Ursachen haben können, im Metallkörper
auftreten. Die zu messende Größe kann somit direkt
oder indirekte Ursache für die Deformation des Metallkörpers
sein, so dass ein Zusammenhang zwischen der Deformation des Metallkörpers
und deren Ursache (d. h. der zu messenden Größe)
besteht und den Rückschluss auf die zu messende Größe
zulässt.
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Die
Messvorrichtung hat ferner ein Sensorelement, das einen Metallträger
und in Metalldünnschichttechnik darauf ausgebildete ohmsche
Widerstände aufweist, das mit dem Metallkörper
durch Schweißen verbunden ist und das ein der Deformation
des Metallkörpers entsprechendes, elektrisch auswertbares
Signal erzeugt. Ohmsche Widerstände, deren Widerstand sich
mit einer Deformation ändert, werden in Form von Dehnungsmessstreifen
verbreitet verwendet. Im vorliegenden Fall sind die Widerstände
in bekannter Metalldünnschichttechnik auf dem Sensorelement
ausgebildet und fest damit verbunden. Diese Technologie hat den
Vorteil, dass die Widerstände auf quasi atomarer Ebene
mit dem Metallträger des Sensors verbunden sind, so dass
Kriecheffekte etc., die in der Trennung der Widerstände von
dem (Metall)träger ihre Ursache haben können, sicher
vermieden sind.
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Im
angeschweißten Zustand umschließt die Schweißnaht
den Metallträger des Sensors vollständig und der
Metallkörper hat an der Schweißverbindung mit
dem Metallträger eine Materialstärke t, die von
der Schweißnaht vollständig durchdrungen ist. Auf
diese Weise kann eine Verbindung zwischen Metallkörper
und Metallträger ausgehend von nur einer Seite des Metallkörpers
geschaffen werden, so dass es nicht erforderlich ist, den Metallkörper
zu wenden, erneut zu positionieren und dann eine zweite Schweißung
vorzunehmen.
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Die
erfindungsgemäße Gestaltung hat zudem den Vorteil,
dass in der Schweißnaht das gesamte Material des Metallkörpers
zur Bildung der Schweißnaht aufgeschmolzen wurde, so dass
Restspannungen an der Schweißnahtwurzel erheblich reduziert
werden können. Zwischen dem Metallträger des Sensors
und dem Metallkörper wurde eine ausschließlich
flüssige Zone während der Schweißung ausgebildet,
die nun über die Materialdicke des Metallkörpers
gleichmäßig erstarren kann.
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Auf
diese Weise ist der Metallträger des Sensorelements neutral
eingespannt, so dass die richtungsgerechte Erfassung von Deformationen
mit hoher Genauigkeit und langer Lebensdauer möglich ist.
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Vorzugsweise
liegt die Materialstärke t des Metallkörpers im
Bereich von 0,2 bis 1,2 mm. Ebenfalls vorzugsweise hat der Metallträger
des Sensorelements einen Außendurchmesser von 5 bis 15
mm.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Metallträger
an seinem Umfang mit einem Flansch versehen, dessen Materialstärke
im Wesentlichen gleich der Materialstärke des Metallkörpers
im Bereich der Schweißstelle -also t- ist, wobei die Schweißnaht
eine Stumpfnaht ist. Alternativ ist der Metallträger topfförmig
und der Flansch ist durch eine in die Topfwand eingebrachte Umfangsnut
axial begrenzt.
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Im
Hinblick auf die elektrische und physikalische Anordnung der ohmschen
Widerstände auf dem Sensorelement sind insbesondere die
folgenden vorteilhaften Ausgestaltungen zu nennen: Die Widerstände
des Sensorelements sind zur Bildung von mindestens zwei Wheatstone'schen
Vollbrücken miteinander verschaltet. Jede Wheatston'sche
Brücke ist mit vier oder fünf elektrischen Anschlussflächen
auf dem Sensorelement zum Anschluss einer Auswerteeinheit versehen.
Mindestens zwei Widerstände einer Wheatstone'schen Brücke
sind durch zwei seriell geschaltete Widerstände gebildet,
zwischen denen jeweils ein elektrischer Anschluss vorgesehen ist,
an den ein veränderbarer Widerstand anlegbar ist, um den
Nullpunkt der Brückenspannung einzustellen. Dieser veränderbare
Widerstand kann wahlweise mit der Wheatstone'schen Brücke
verbunden werden, um die Brücke gezielt zu verstimmen. Damit
wird erreicht, dass das Signal der verstimmten Brücke der
Auswerteeinheit gezielt zugeführt werden kann, die ausgelegt
ist, sich anhand dieses Signals selbst zu überprüfen.
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Bei
der Anordnung mehrerer Wheatstone'scher Brücken ist es
vorteilhaft, wenn die Widerstände jeder Brücke
jeweils paarweise im rechten Winkel zueinander auf dem Sensorelement
angeordnet sind und die einzelnen Brücken relativ zueinander verschieden
ausgerichtet angeordnet sind. Wenn die Brücken relativ
zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnet sind,
sind zueinander senkrechte Deformationen des Metallkörpers
grundsätzlich unmittelbar erfassbar. Wenn zwei Brücken
vorgesehen sind, die relativ zueinander um 45° versetzt
ausgerichtet angeordnet sind, gilt diese Überlegung für
im 45°-Winkel gerichtete Deformationen.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung können auch mehr als zwei Brücken
vorgesehen sein, so können bspw. zwei Brücken
relativ zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnet
sein und eine weitere Brücke ist gegenüber den
beiden zueinander senkrecht angeordneten Brücken um 45° versetzt
ausgerichtet angeordnet. Möglich ist auch eine Anordnung von
Brücken, in der zwei Brückenpaare vorgesehen sind,
die relativ zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnete
Brücken haben, wobei die beiden Brückenpaare relativ
zueinander um 45° versetzt ausgerichtet angeordnet sind.
Die Erfassung der Deformationen kann damit entsprechend erfolgen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigt:
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1 eine
Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines
in einen Metallkörper eingeschweißten Sensorelements;
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2 eine
Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines
in einen Metallkörper eingeschweißten Sensorelements;
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3 eine
mit der Erfindung verwendbare Wheatstone'sche Brückenschaltung;
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4 eine
mit der Erfindung verwendbare externe Beschaltung der Brückenschaltung
aus 3;
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5 eine
mit der Erfindung verwendbare beispielhafte Anordnung von zwei Wheatstone'schen Brückenschaltungen
auf dem Sensorelement;
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6 eine
weitere mit der Erfindung verwendbare beispielhafte Anordnung von
zwei Wheatstone'schen Brückenschaltungen auf dem Sensorelement;
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7 noch
eine mit der Erfindung verwendbare beispielhafte Anordnung von zwei
Wheatstone'schen Brückenschaltungen auf dem Sensorelement;
und
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8 eine
mit der Erfindung verwendbare beispielhafte Anordnung von drei Wheatstone'schen Brückenschaltungen
auf dem Sensorelement.
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1 zeigt
ein Sensorelement 10 im Schnitt, das in einen Metallkörper 2 eingebaut
ist. Das Sensorelement 10 hat einen topfförmig
ausgebildeten Metallträger 1 mit einer Eindrehung
E an seinem Umfang, so dass ein Flanschabschnitt 3 gebildet
ist, der mittels einer Schweißnaht 4 mit dem Metallkörper 2 verbunden
ist. Der deformierbare Metallkörper 2 hat eine
im Wesentlichen laschenförmige Gestalt, die in dieser schematischen
Schnittansicht nicht gezeigt ist, in die eine Bohrung eingebracht
ist, in die das Sensorelement 10 eingesetzt ist. Die Materialstärke oder
Blechdicke des deformierbaren Metallkörpers 2 ist
in der Darstellung der 1 mit t bezeichnet und liegt
im Bereich von 0,2 bis 1,2 mm. Der topfförmige Metallträger 1 des
Sensorelements 10 hat den erwähnten Flansch 3 ausgebildet,
dessen axiale Dicke in etwa der Materialstärke t des deformierbaren
Metallkörpers 2 entspricht. Wie in 1 deutlich
zu erkennen ist, ist die Schweißnaht 4 so angebracht, dass
sie das gesamte Material des Metallkörpers 2 in dessen
Dickenrichtung durchdringt. Die Eindrehung E gewährleistet
dabei, dass die beim Schweißen mittels Laserstrahl entwickelte
Wärme sich in dem Metallträger 1 nicht
nennenswert fortsetzt, so dass die Schweißnaht 4 räumlich
und thermisch von der Sensorik 5 (nicht gezeigt) des Sensorelements 10 getrennt
ist, die auf der in 1 linken Deckelfläche
des topfförmigen Metallträgers 1 angebracht
ist.
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In
einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung, die in 2 gezeigt
ist, ist in einen Metallkörper 2 ein Sensorelement 10 eingesetzt,
das ebenfalls einen Flansch 3 ausgebildet hat, der mittels
einer Schweißnaht 4 mit dem umgebenden Metallkörper 2 verbunden
ist. Im Unterschied zu der Gestaltung gemäß 1 ist
hier der Flansch 3 als sich radial erstreckender Abschnitt
eines topfförmigen Metallträgers 1 des
Sensorelements 10 ausgebildet. Ähnlich der Ausführungsform
in 1 ist auch hier die Materialdicke des Flanschs 3 der
Materialdicke des deformierbaren Metallkörpers 2 angepasst,
so dass beide in etwa die Materialstärke t haben. Auch
in diesem Beispiel kann die Materialstärke t zwischen 0,2
und 1,2 mm liegen. In 2 ist ferner die Sensorik 5 des Sensorelements 1 angedeutet,
die auf der in 2 linken Seite auf der Deckelfläche
des topfförmigen Metallträgers 1 angebracht
ist. Die Deckelfläche mit der Sensorik 5 ist im
Abstand h von der zugewandten Oberfläche des Metallkörpers 2 bzw.
der zugewandten Oberfläche des Flanschabschnitts 3 des
Metallträgers 1 angeordnet. Dieser Abstand h ist
so gewählt, dass sowohl der Anbau von Auswerteelektronik
als auch die Hebelverhältnisse für die Erfassung der
Deformationen des deformierbaren Metallkörpers 2 optimiert
sind. Auch in diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich
die Schweißnaht 4 in Dickenrichtung vollständig
durch den Metallkörper 2. Der Abstand h liegt
im Größenbereich von t und kann insbesondere 0,2
bis 2 mm betragen.
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In 3 ist
eine beispielhafte Anordnung ohmscher Widerstände in Wheatstone'scher
Brückenschaltung gezeigt, die als Sensorik 5 auf
dem Metallträger 1 des Sensorelements 10 in
Dünnschichttechnik ausgebildet sind. Es ist zu erwähnen, dass
diese Brückenschaltungen auch mehrfach auf demselben Sensorelement
und in verschiedenen Ausrichtungen zueinander ausgebildet sein können, wie später
unter Bezugnahme auf die 5 bis 8 näher
erläutert wird. 3 zeigt eine Wheatstone'sche
Brücke mit insgesamt sechs Widerständen A, B,
C, D, E, F. Die Widerstände A und B sind rechtwinklig zueinander
angebracht, während die Widerstandsgruppen D, E und C,
F ebenfalls rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Um die quadratische Anordnung
zu erreichen, ist die Widerstandsgruppe D, E parallel zum Widerstand
B angeordnet und die Widerstandsgruppe C, F ist parallel zum Widerstand A
angeordnet. Die in 3 gezeigten weiteren Widerstände
G, H dienen der Temperaturkompensation. In bekannter Weise sind
die gezeigten Widerstände A bis H mit Anschlusspunkten 11, 12, 13, 14, 15, 16 verbunden.
Die Abgriffe 12 und 14 sind zwischen den in Reihe
geschalteten Widerständen D, E beziehungsweise C, F angeordnet.
Die Brückenspannung wird zwischen den Kontakten 13 und 16 abgegriffen, während
die Anschlussflächen 12 und 14 dazu verwendet
werden können, die Brücke abzustimmen.
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4 zeigt
die Beschaltung der auf der linken Seite der 4 gezeigten
Wheatstone'schen Brückenschaltung gemäß 3,
die bereits im Einzelnen erläutert wurde. Die Brückenschaltung
links der strichpunktierten Linie ist auf dem Sensor angebracht,
während rechts dieser strichpunktierten Linie in 4 die
externe Schaltung schematisch wiedergegeben ist. Zusätzlich
zu den zuvor genannten Widerständen A bis H sind die Widerstände
J, I und K vorgesehen. K ist ein verstellbarer Widerstand. Die Widerstände
I und J sind in Reihe zueinander und parallel zu den Widerständen
E und F geschaltet. Zwischen den beiden Widerständen I
und J ist ein Abgriff 12' vorgesehen, der über
einen Schalter a mit dem einen Ende des Widerstands K verbindbar
ist, der an seinem anderen Ende mit dem Anschlusspunkt 12 bzw.
dem Widerstand I verbunden ist. Der Widerstand K dient zum gezielten
Verstimmen der Brücke.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel kann durch den Schalter
a die Parallelschaltung der Widerstände I und K in Reihe
mit dem Widerstand J unterbrochen oder ausgeschaltet werden, so
dass nur noch die Widerstände I und J in Reihe miteinander und
parallel mit den Widerständen E und F verschaltet sind.
Diese als gezielte Verstimmung der Brücke bezeichnete Maßnahme
kann in Zusammenarbeit mit einer geeigneten Auswerteeinheit nunmehr
dazu verwendet werden, die Antwort einzelner Komponenten auf diese
Signaländerung dahingehend auszuwerten, dass ein ordnungsgemäßer
Funktionszustand oder eine Fehlfunktion dieser Bauteile ermittelt werden
kann. Anders ausgedrückt, durch diese gezielt verstimmbare
Brücke ist es möglich, unabhängig von
der Änderung der Widerstände in der Brücke selbst,
die Funktionsfähigkeit der Auswerteeinheit zu prüfen.
Selbst wenn eine fehlerhafte Messung seitens der Brücke
vorläge, so ist doch der Unterschied des Signals bei unverstimmter
und verstimmter Brücke ein hinreichend genau festgelegter
Signalwert, der diese Analyse der Auswerteelektronik gestattet.
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Zusätzlich
zu den obigen Ausführungen ist hier darauf hinzuweisen,
dass weitere Widerstände in der Brücke oder auch
in der Auswerteeinheit vorgesehen werden können, die dann
Funktionen übernehmen können wie Temperaturkompensation
oder dergleichen. So sind zum Beispiel die Widerstände
E und F Abgleichwiderstände, die mittels Lasertrimmung
zum Abgleich der Brücke fest eingestellt werden können.
Die in den Versorgungsteil der Brücke eingeschalteten Widerstände
G und H bilden Kompensationswiderstände für den
Temperaturgang des E-Moduls des Werkstoffs des Sensorkörpers
und Metallkörpers (2), d. h. sie dienen der Kompensation der
Temperaturabhängigkeit des Sensors.
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Die 5, 6, 7 und 8 zeigen jeweils
schematisierte Draufsichten auf die Deckelfläche eines
Sensorelements mit darauf aufgebrachten Widerständen. Sie
zeigen lediglich die prinzipielle Anordnung und Orientierung der
Widerstände innerhalb der einzelnen Brücken. Die
Widerstände einer Gruppe sind jeweils mit A, B, C, D, A',
B', C', D' oder A'', B'', C'' bzw. D'' bezeichnet. Selbstverständlich können
alle diese Brücken entsprechend den obigen Ausführungen
zu 3 und 4 gestaltet sein und folglich
auch deren sämtliche Widerstände bzw. eine entsprechend
gestaltete Auswerteeinheit sowie passende Anschlussmimik haben.
Die Widerstände sind in Dünnfilmtechnik aufgebracht
und mittels Glasisolation vom Trägermaterial (Metallträger)
isoliert.
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In 5 ist
eine sogenannte x- und y-Richtungsanordnung der Brücken
gezeigt, d. h. die einzelnen Widerstandspaare AC, A'C'; BD, B'D'
der jeweiligen Brücke stehen senkrecht zueinander, wobei
jeweils zwei Brückenpaare AC, A'C'; BD, B'D' von zwei Brücken
zueinander parallel angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich
Deformationen oder Komponenten davon entsprechend ihrer um 90° zueinander versetzten
Richtung unmittelbar messen.
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In
der 6 ist eine Anordnung getroffen, in der die Brückenwiderstände
A, B, C, D der linken Brücke genauso angeordnet sind, wie
die Widerstände A, B, C, D in der linken Brücke
in 5. In der rechten Brücke der 6 sind
die Widerstände A', B', C', D' zwar zueinander im rechten
Winkel, jedoch bezüglich der Widerstandspaare AC, BD der
ersten Brücke im 45 Grad Winkel angeordnet. Auf diese Weise
misst die eine Brücke in x- und y-Richtung, während
die andere Brücke Deformationen in der dazu um jeweils
um 45 Grad versetzten Richtung unmittelbar misst.
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In
der 7 sind wiederum gleichartige Brücken
mit zueinander senkrechten Paaren AC, BD, A'C', B'D' von Widerständen
ausgebildet, diese sind aber zur x-y-Richtung des Sensors alle um
45 Grad versetzt angeordnet, d. h. die Widerstände A und
B sind parallel zu den Widerständen D' und C' angeordnet
und die Widerstände A', B' sind parallel zu den Widerständen
C und D angeordnet. Dies ermöglicht eine redundante Messung
in den Richtungen 45 Grad relativ zu x und y.
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Schließlich
bietet die 8 eine weitere Modifikation
mit einer dritten Wheatstone'schen Brücke, die, ausgehend
von der Gestalt in 7, zwischen die mit 45 Grad
zu den Hauptachsen x, y angeordneten Brücken senkrecht
in x-y-Richtung angeordnet ist. Auf diese Weise ist eine redundante
Messung von 45 Grad bezüglich der x-y-Richtung und eine
zusätzliche Messung in x- und y-Richtung möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006004285
A1 [0002]
- - DE 19527687 A1 [0004]