-
Die
Erfindung betrifft eine Messbrücke,
umfassend vier erste hinsichtlich ihrer Impedanz veränderlicher
Elemente in Brückenanordnung,
welche in einem Messbereich angeordnet sind, der für eine Einwirkung
einer ersten physikalischen Größe und einer
damit begründeten
Veränderung
der besagten Impedanzen vorbereitet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung
eine Messeinheit, bei der eine elektronische Schaltung mit einer
Messbrücke
elektrisch verbunden ist. Schließlich betrifft die Erfindung
einen drehbar gelagerten Spiegel
-
Stand der Technik
-
Messbrücken sind
ein seit langem bekanntes Element zur Erfassung verschiedenster
physikalischer Größen. Sie
sind aufgebaut aus vier Elementen mit veränderlicher Impedanz, die zu
einem geschlossenen Ring beziehungsweise zu einem Quadrat zusammengeschaltet
sind, und in einer Diagonalen eine Spannungsquelle oder eine Stromquelle und
in der anderen Diagonalen einen Spannungsmesser aufweisen. Messbrücken bieten
den Vorteil, dass sie gegen den Einfluss von Störgrößen, die gleichermaßen auf
alle vier Brückenelemente
einwirken, invariant sind. Für
Störungen,
die nicht gleichmäßig auf
alle Brückenelemente
einwirken, trifft dies leider nicht mehr zu. Im Folgenden, soll
anhand einer beispielhaften Anordnung die praktische Auswirkung
einer solchen inhomogenen Störgröße erläutert werden.
Diese Anordnung ist natürlich
nur eine von vielen denkbaren Anordnungen, in welchen das geschilderte
Problem in abgewandelter Form auftritt, und darf daher nicht dahingehend
ausgelegt werden, als stelle sich das Problem nur bei dieser einen
Anordnung.
-
Für mikromechanische
Sensoren wird häufig ein
auf eine mechanische Spannung reagierender elektrischer Widerstand
(Piezoresistor) als sensitives Element zur Messung mechanischer
Spannungen verwendet. Der piezoresistive Effekt beruht auf der Veränderung
eines spezifischen Widerstands eines piezoelektrischen Materials
(Piezokristall) durch Druck oder Zug. Zur Messung kleiner Widerstandsänderungen
werden solche Elemente üblicherweise in
einer Wheatstoneschen Messbrücke
verschaltet. Bei mikromechanischen Drucksensoren sind zum Beispiel
vier Piezoresistoren auf einer druckempfindlichen verformbaren Membran
angebracht. Piezo-Widerstände
für mechanische
Spannungen reagieren aber auch auf Temperatur und Licht, wobei sich
die Einflüsse
durch Temperatur und Licht, die auf alle Widerstände einer idealen Wheatstone-Messbrücke wirken,
aufheben. In der Praxis ist dies nicht der Fall, da die Einwirkung
nicht auf alle Widerstände
gleich ist, etwa bei schrägem
Lichteinfall. Das Ergebnis ist eine Verfälschung der eigentlichen Messgröße. So kann
z. B. bei einem Drucksensor der Lichteinfall durch eine Neonröhre eine
Verfälschung
des Sensorausgangssignals von mehreren Prozent bewirken. Die Lichtempfindlichkeit
der Sensorelemente kann durch einen geeigneten Aufbau, zum Beispiel
durch ein geschlossenes lichtdichtes Gehäuse, reduziert werden. Oft
ist dies aber nicht möglich,
beziehungsweise können
nicht alle störenden
Einflüsse
zur Gänze
durch Abschirmung vermieden werden.
-
Die
Lichtempfindlichkeit stellt insbesondere bei der Anwendung der Piezoelemente
als Positionsdetektoren für
mikro-optomechanische Bauelemente (MOEMS) wie zum Beispiel Mikrospiegel
ein besonderes Problem dar. Solche Spiegel werden beispielsweise
für die
Ablenkung eines Lichtstrahls, insbesondere eines Laserlichtstrahls
verwendet. Als praktische Anwendung werden an dieser Stelle sogenannte „Laser-Scanner” erwähnt, welche
einerseits für
die Bildgebung, andererseits für
Messzwecke (etwa zur Erstellung eines Geländeprofils) eingesetzt werden. Ein üblicherweise
kardanisch gelagerter Spiegel ermöglicht dabei das zeilenweise
Aufbauen eines Bildes oder das zeilenweise Abtasten eines Geländes. Die
Auslenkung des Spiegels erfolgt dabei häufig mit einem sogenannten „Galvanometerantrieb”.
-
Für diese
Anwendung bestehen sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit der
Positionsdetektion (Detektion des Auslenkwinkels der Spiegeldrehachsen,
etwa an den Enden der Torsionsfedern, an denen der Spiegel drehbar
angebracht ist, beziehungsweise über
welche die drehbare Lagerung bewerkstelligt wird). Aufgrund ihrer
hohen Genauigkeit werden Piezowiderstände für diese Aufgabe bevorzugt.
Als Wandlerelemente sind sie bei dieser Anwendung sehr nahe am optischen
Strahlengang des Laserstrahls und unterliegen somit auch seinem
Einfluss, etwa aufgrund von unerwünschten Reflexionen und Streulicht. Äußerer Lichteinfall
aus der Umgebung (Tageslicht oder Raumbeleuchtung) hat eine ähnliche
Auswirkung, aufgrund der hohen Intensität von Laserlicht wirkt sich
aber der störende
Einfluss desselben besonders nachteilig auf die Messgenauigkeit
der Messbrücke aus.
Die Nähe
zum optischen Strahlengang macht es überdies sehr schwierig bis unmöglich, den
optischen Einfluss durch konstruktive Maßnahmen im Gehäuse zu vermeiden.
-
Das
inhomogen einwirkende Störfeld
kann neben Licht auch zum Beispiel durch Temperatur oder auch äußere mechanische
Verspannung, welche etwa beim Verkleben oder Löten des Sensors entstehen,
begründet
sein. Die angesprochenen Störfelder
und deren Ursachen stellen natürlich
nur einen begrenzten Ausschnitt der denkbaren Störfelder und deren Ursachen
dar, die aufgrund der Fülle an
dieser Stelle nicht zur Gänze
aufgeführt
werden können.
-
Vor
diesem Hintergrund besteht der Bedarf an einer weiter verbesserten
Genauigkeit bzw. Resistenz.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die
Erfindung stellt eine Messbrücke
nach Anspruch 1, eine Messeinheit nach Anspruch 8 und einen Spiegel
nach Anspruch 10 bereit.
-
Demgemäß wird eine
Messbrücke
der eingangs genannten Art vorgesehen, bei welcher vier weitere,
zweite hinsichtlich ihrer Impedanz veränderlicher Elemente außerhalb
des Messbereichs angeordnet und mit der Brückenanordnung elektrisch verbunden
sind.
-
Demgemäß ist weiterhin
eine Messeinheit der eingangs genannten Art vorgesehen, welche dazu
vorbereitet ist, das Signal einer durch die zweiten Elemente gebildeten
Brücke
von der durch die ersten Elemente gebildeten Brücke zu subtrahieren.
-
Schließlich wird
demgemäß auch ein
Spiegel der eingangs genannten Art vorgesehen, welcher zumindest
eine erfinderische Messbrücke
oder eine erfinderische Messeinheit umfasst, welche dazu ausgestaltet
ist, das in eine Lagerung des Spiegels eingeleitete Drehmoment und/oder
eine davon abhängige
Größe zu messen.
-
Durch
Vorsehen zweiter Elemente außerhalb des
eigentlichen Messbereichs für
die erste physikalische Größe kann
der Einfluss der zweiten physikalischen Größe isoliert berücksichtigt
werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass die erste und die zweite
physikalische Größe innerhalb
und außerhalb des
Messbereichs unterschiedlich wirken. Nach Möglichkeit ist konstruktiv vorzusehen,
dass die erste physikalische Größe im Wesentlichen
nur innerhalb des Messbereichs wirkt. Desgleichen ist vorzusehen, dass
die zweite physikalische Größe außerhalb
des Messbereichs hinreichend auf die zweiten Elemente einwirkt.
Die erste physikalische Größe stellt
dabei die eigentlich zu messende Größe, die zweite Größe dagegen
eine Störgröße dar.
Durch das differenzierte Einwirken der ersten und zweiten physikalischen Größe auf die
ersten und zweiten Elemente kann der Einfluss der zweiten physikalischen
Größe, also
der Störeinfluss,
bei der Messung der ersten physikalischen Größe, also der eigentlichen Messgröße, berücksichtigt
werden.
-
Die
erfindungsgemäße Messeinheit,
welche neben der Messbrücke
eine damit verbundene elektronische Schaltung umfasst, wird vorteilhaft
bei einer Ausgestaltung der Messbrücke verwendet, bei der zwei
Signale zur Verfügung
stehen, ein erstes, welches im Wesentlichen die erste und zweite
physikalische Größe, also
Mess- und Störgröße im Messbereich,
beinhaltet und ein zweites, welches im Wesentlichen nur die zweite
physikalische Größe, also die
Störgröße außerhalb
des Messbereichs, beinhaltet. dennoch ist die Erfindung hier vorteilhaft
anwendbar. Bei dieser Variante der Erfindung wird mit Hilfe der
elektronischen Schaltung das zweite vom ersten Messsignal subtrahiert,
sodass im Wesentlichen die Messgröße übrigbleibt, welche direkt nachfolgenden Verarbeitungseinheiten
zur Verfügung
gestellt werden kann.
-
Die
Erfindung eignet sich insbesondere auch für die Anwendung bei einem drehbaren
Spiegel für die
erwähnten
Laserscanner, da hier eine Störgröße mit erheblicher
Intensität,
nämlich
das Laserlicht, auf die Messelemente wirkt und die Messung der eigentlichen
Messgröße, nämlich des
Drehwinkels des Spiegels, erschwert.
-
An
dieser Stelle wird ergänzend
angemerkt, dass als Veränderung
der Impedanz selbstverständlich
eine Änderung
des Realteils bei inexistentem Imaginärteil in Betracht kommt. Die
Erfindung bezieht sich daher insbesondere auf Widerstands-Messbrücken.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen
sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren der
Zeichnung.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn je zwei zweite Elemente mit je zwei ersten Elementen
parallel geschaltet sind und die Spannungs- oder Stromzuführung der
Brückenanordnungen
an den Knoten der genannten Parallelzweige angeordnet ist, wobei
die ersten und zweiten Elemente einen gleichsinnigen Impedanzänderungsgradienten
hinsichtlich einer Einwirkung einer zweiten, von der ersten unterschiedlichen
physikalischen Größe innerhalb
und außerhalb
des Messbereichs haben. Bei dieser Variante der Erfindung werden
im Prinzip zwei Messbrücken
parallel angeordnet, wobei die aus den ersten Elementen aufgebaute
Brücke
von der ersten und der zweiten physikalischen Größe und die aus den zweiten
Elementen gebildeten Brücke
nur von der zweiten physikalischen Größe beeinflusst wird. Inhomogenitäten der
zweiten physikalischen Größe, zum Beispiel
durch ein Temperatur(skalar)feld, wirken dabei im wesentlichen gleichermaßen auf
die erste und zweite Brücke,
weswegen der Störeinfluss
der zweiten physikalischen Größe vergleichsweise
leicht berücksichtigt
werden kann, beispielsweise durch Subtraktion des Messergebnisses
der zweiten Brücke von
dem der ersten Brücke.
Das angesprochene Prinzip lässt
sich natürlich
beliebig erweitern. Etwa kann eine dritte Brücke parallel geschalten werden, um
eine andere zweite physikalische (Stör)größe zu berücksichtigen, sofern dies nicht
schon mit der zweiten Brücke
möglich
ist.
-
Vorteilhaft
ist es weiterhin, wenn je ein zweites Element mit je einem ersten
Element in Serie geschaltet ist und die ersten Elemente einen zu
den zweiten Elementen entgegen gesetzten Impedanzänderungsgradienten
hinsichtlich einer Einwirkung einer zweiten, von der ersten unterschiedlichen
physikalischen Größe innerhalb
und außerhalb
des Messbereichs haben. Dies ist eine weitere elegante Möglichkeit,
den Einfluss der zweiten, störenden
physikalischen Größe zu eliminieren
oder zumindest teilweise zu kompensieren. Hier wird jedem ersten
Element, das von der ersten und zweiten physikalischen Größe beeinflusst
wird, je ein zweites Element in Reihe geschaltet, das nur von der
zweiten physikalischen Größe beeinflusst
ist. Durch Vorsehen entgegen gesetzter Impedanzänderungsgradienten wird der
störende
Einfluss der zweiten physikalischen Größe gemindert und im Idealfall
sogar aufgehoben. Inhomogenitäten
der zweiten physikalischen Größe, zum
Beispiel ein Temperatur(skalar)feld wirken dabei im wesentlichen
gleichermaßen
auf die jeweils zugeordneten ersten und zweiten Elemente und haben daher
keinen oder nur geringen Einfluss auf die Messung der ersten physikalischen
Größe.
-
Dabei
ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis der Impedanzänderungsgradienten
dem Kehrwert des Verhältnisses
des Einflusses der zweiten physikalischen Größe innerhalb und außerhalb
des Messbereichs entspricht. Die zweite physikalische Größe wird
innerhalb des Messbereichs möglicherweise nicht
gleich wie außerhalb
des Messbereichs wirken. Da der Messbereich auch für die Einwirkung
der ersten physikalischen Größe vorgesehen
ist, wird auch die zweite physikalische Größe dort häufig stärker einwirken. Im Folgenden
wird wegen der leichteren Darstellbarkeit von dieser Voraussetzung
ausgegangen, wenngleich die daraus resultierende Lehre auch auf
andere Verhältnisse
anwendbar ist. Das erste Element wird von der zweiten physikalischen
Größe also
stärker
beeinflusst als das zweite Element. Wird jedoch der Impedanzänderungsgradient
des zweiten Elements, also dessen Empfindlichkeit, gegenüber der
zweiten physikalischen Größe gesteigert,
so kann dieser ungleiche Einfluss kompensiert werden. Dies kann
durch geeignete Materialwahl oder geeignete Dimensionierung erfolgen.
Etwa ist ein größerer Sensor
prinzipiell sensitiver gegenüber
einwirkenden Einflüssen,
weswegen die gewünschte
Sensitivität auch
mit einem wenig sensitiven Material erreicht werden kann.
-
Günstig ist
es, wenn die erste physikalische Größe eine aus der Gruppe: Lichtstärke, Temperatur, elektrisches
Feld, magnetisches Feld, Aktivität,
mechanische Spannung oder Druck ist. Dies sind Größen, die
sehr häufig
mit Messbrücken
gemessen werden. Dennoch stellen die angeführten Größen nur einen begrenzten Ausschnitt
der denkbaren Möglichkeiten
dar, welcher nicht so ausgelegt werden darf, als wäre die Erfindung
nur auf diesen Ausschnitt begrenzt.
-
Günstig ist
es weiterhin, wenn die zweite physikalische Größe eine oder mehrere aus der Gruppe:
Lichtstärke,
Temperatur, elektrisches Feld, magnetisches Feld, Aktivität, mechanische
Spannung oder Druck ist oder sind. Dies sind Größen, die oft als Störgrößen in Messbrücken auftreten.
Im Bezug auf den beispielhaften Charakter der Aufzählung gilt
das bereits oben Gesagte.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die ersten
und zweiten Elemente Piezosensoren und die erste physikalische Größe ist eine mechanische
Spannung und die zweite physikalische Größe ist eine Lichtstärke und/oder
Temperatur. Dies ist eine von vielen denkbaren Kombinationen von
Elementen und physikalischen Größen, deren Eignung
im Besonderen im Hinblick auf die angesprochenen Spiegel für die Laser-Scanner
hervortritt. Dabei wird über
eine mechanische Spannung, nämlich
in der Lagerung des drehbaren Spiegels, dessen Drehwinkel ermittelt.
Die eingesetzten Piezosensoren sind aber gleichzeitig empfindlich
gegenüber dem
einwirkenden Laserlicht an sich beziehungsweise der daraus resultierenden
Temperaturerhöhung und
Temperaturverteilung.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messeinheit
ist weiterhin die elektronische Schaltung dazu vorbereitet, die
Brückensignale
vor der Subtraktion umgekehrt proportional zum Verhältnis des
Einflusses der zweiten physikalischen Größe innerhalb und außerhalb
des Messbereichs zu gewichten. Wie bereits erwähnt, wird die zweite physikalische
Größe innerhalb
des Messbereichs möglicherweise
nicht gleich wie außerhalb
des Messbereichs wirken. Weiter oben wurde ausgeführt, dass hierzu
die Impedanzänderungsgradienten
der Elemente, also deren Empfindlichkeit, entsprechend angepasst
werden kann. Zusätzlich
oder alternativ dazu ist es aber auch möglich, die Brückensignale
zweier Brücken
mit Hilfe einer elektronischen Schaltung zu gewichten bevor diese
subtrahiert werden. Dies kann unter Umständen leichter bewerkstelligt
werden, als die Elemente an sich anzupassen. Durch geeignetes Design,
kann hier eine einstellbare Gewichtung vorgesehen werden, was die
initiale Kalibrierung, beziehungsweise auch eine Kalibrierung wegen
Sensordrift erleichtert.
-
Die
obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung lassen
sich auf beliebige Art und Weise kombinieren.
-
Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen
Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es
zeigen dabei:
-
1 eine
erste Variante einer erfindungsgemäßen Messbrücke beziehungsweise eine erste erfindungsgemäße Messeinheit;
-
2 eine
zweite Variante einer erfindungsgemäßen Messbrücke beziehungsweise eine zweite erfindungsgemäße Messeinheit;
-
3 eine
dritte Variante einer erfindungsgemäßen Messbrücke;
-
4.
einen erfindungsgemäßen, drehbar gelagerten
Spiegel.
-
In
den Figuren der Zeichnung sind gleiche und funktionsgleiche Elemente
und Merkmale – sofern
nichts Anderes ausgeführt
ist – mit
denselben Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt
eine erste erfindungsgemäße Messbrücke, bei
der zwei zweite Elemente R1b, R3b/R2b, R4b mit je zwei ersten Elementen
R1a, R3a/R2a, R4a in einer Brückenanordnung
parallel geschaltet sind. Die Spannungszuführung U ist an den Knoten der
genannten Parallelzweige angeordnet, weswegen sich im Wesentlichen
zwei parallel geschaltete Wheatstone-Brücken ergeben. Eine Wheatstone-Brücke befindet
sich dabei innerhalb des Messbereichs A (strichliert dargestellt),
innerhalb dem eine erste physikalische Größe einwirken kann, die zweite
Wheatstone-Brücke
befindet sich außerhalb
dieses Bereichs A und ist gegen Verstimmungen aufgrund der ersten
physikalischen Größe im wesentlichen
invariant. Schließlich
sind ein erster und zweiter Differenzverstärker oder Instrumentationsverstärker V1
und V2 dargestellt, welche mit ihrem positiven Eingang mit je einem
Ausgang der durch die ersten Elemente R1a...R4a gebildeten Wheatstone-Brücke und
mit ihrem negativen Eingang mit je einem Ausgang der durch die zweiten
Elemente R1b...R4b gebildeten Wheatstone-Brücke verbunden sind.
-
Für die folgenden
Betrachtungen wird beispielhaft davon ausgegangen, dass es sich
bei den ersten und zweiten Elementen R1a...R4a und R1b...R4b um
piezoresistive Halbleiterelemente handelt, die erste physikalische
Größe eine
mechanische Spannung und die zweite physikalische Größe eine
Lichtstärke
und/oder eine Temperatur ist. Die Lichtstärke und/oder Temperatur ändert sich
dabei in der in Pfeilrichtung T angegebenen Richtung, das heißt nimmt
in dieser Richtung ab. In diesem Beispiel werden gleichsinnige Impedanzänderungsgradienten
für die
ersten und zweiten Elemente R1a...R4a und R1b...R4b hinsichtlich
einer Einwirkung der zweiten physikalischen Größe, also hier Licht und/oder Temperatur
vorgesehen. Durch geeignet konstruktive Maßnahmen wird vorgesehen, dass
die mechanische Spannung im Wesentlichen im Messbereich A und außerhalb
im wesentlichen nicht wirkt. Die Lichtstärke und/oder Temperatur soll
dagegen nach Möglichkeit
innerhalb und außerhalb
des Messbereichs A gleich wirken. Dies kann zum Beispiel dadurch
erreicht werden, dass der Messbereich A deutlich dünner als
der umgebende Bereich ausgeführt
wird. Eine mechanische Spannung wirkt sich daher im Messbereich
A viel stärker
aus als außerhalb,
während
das Licht gleichermaßen
auf den Messbereich A und den Bereich außerhalb fällt.
-
Durch
die beiden Verstärker
V1 und V2 wird nun bewirkt, dass das Signal der zweiten Brücke, also
das Störsignal,
vom Signal der ersten Brücke subtrahiert
wird, sodass zwischen den Ausgängen der
beiden Verstärker
V1 und V2 die Ausgangsspannung Ua anliegt, welche die im Messbereich
A wirkende mechanische Spannung ohne Störeinfluss des Lichts und/oder
der Temperatur repräsentiert. Die
Eliminierung des Licht- beziehungsweise Temperatureinflusses aus
dem Differenzsignal gelingt umso besser, je näher die ersten und zweiten
Widerstände R1a...R1d,
R2a...R2d zueinander angeordnet sind, also R1a zu R1b, R2a zu R2b
und so weiter. Auf diese Weise wirken Inhomogenitäten der
Lichtintensität beziehungsweise
der Temperatur im wesentlichen gleich auf die erste und die zweite
Messbrücke.
Konstruktiv muss hier ein Kompromiss geschlossen werden zwischen
dieser Forderung, und der Forderung, dass die erste physikalische
Größe im wesentlichen nur
innerhalb des Messbereichs A, also auf die zweiten Elemente R1b...R4b,
wirkt.
-
Das
angesprochene Prinzip lässt
sich natürlich
beliebig erweitern. Etwa kann eine dritte Brücke parallel geschalten werden,
um eine andere zweite physikalische (Stör)größe zu berücksichtigen, sofern diese weitere
Störgröße nicht
schon mit Hilfe der zweiten Elemente R1b...R4b kompensiert werden kann.
-
Die
in der 2 dargestellte Messeinheit 3 weist dieselbe
Messbrücke 1 auf
wie in 1, jedoch eine andere elektronische Schaltung 2.
In diesem Fall wird das Signal der durch die zweiten Elemente R1b...R4b
gebildeten Brücke
an den dritten Verstärker
V3 und das Signal der durch die ersten Elemente R1a...R4a gebildeten
Brücke
an den vierten Verstärker
V4 geführt.
Anschließend
werden die Ausgangssignale der beiden Verstärker V3 und V4 mit Hilfe zweiter
Potentiometer P1 und P2 gewichtet und so an die Eingänge eines
fünften
Verstärkers
V5 geführt, dass
das gewichtete Signal der zweiten Brücke vom gewichteten Signal
der ersten Brücke
abgezogen wird. Am Ausgang des fünften
Verstärkers
V5 liegt somit eine Ausgangsspannung Ua an, welche wieder die im
Messbereich A wirkende mechanische Spannung ohne Störeinfluss
des Lichts und/oder der Temperatur repräsentiert. Die beiden Potentiometer
P1 und P2 (prinzipiell würde
auch eines von beiden für die
Gewichtung ausreichen) können
so eingestellt werden, dass der Anteil des positiven/negativen Eingangssignals
am fünften
Verstärker
V5, welcher durch die zweite physikalische Größe, also durch das Licht und/oder
die Temperatur, verursacht wird, jeweils gleich groß ist, selbst
wenn die zweite physikalische Größe innerhalb
und außerhalb
des Messbereichs A verschieden wirkt.
-
An
dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass für die ersten und zweiten Elemente
R1a...R4a und R1b...R4b auch gegensinnige Impedanzänderungsgradienten
vorgesehen werden können.
In diesem Fall wären
die Signale der beiden Brücken
zu addieren anstelle zu subtrahieren.
-
3 zeigt
eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Messbrücke 1, bei der je
ein zweites Element R1b...R4b mit je einem ersten Element R1a...R4a
in Serie geschaltet ist und die ersten Elemente R1a...R4a einen
zu den zweiten Elementen R1b...R4b entgegen gesetzten Impedanzänderungsgradienten
hinsichtlich einer Einwirkung der zweiten physikalischen Größe haben.
Hier wird der Einfluss der zweiten physikalischen Größe, also
der Störgröße, dadurch
gemindert oder eliminiert, dass die Störung eine Erhöhung/Senkung
der Spannung an den ersten Elementen R1a...R4a und eine Senkung/Erhöhung der
Spannung an den zweiten Elementen R1b...R4b bewirkt, sodass der
Gesamteinfluss der genannten Spannungen vermindert, wenn nicht sogar
eliminiert wird. Vorteilhaft, ist hierfür im Prinzip keine weitere
elektronische Schaltung nötig,
es reicht ein einfacher Differenzverstärker oder Instrumentationsverstärker für die Messung
der Brückenspannung.
-
Zusätzlich kann
das Verhältnis
der Impedanzänderungsgradienten
der ersten und zweiten Elemente R1a...R4a und R1b...R4b dem Kehrwert
des Verhältnisses
des Einflusses der zweiten physikalischen Größe innerhalb und außerhalb
des Messbereichs A angepasst werden, wenn die zweite physikalische
Größe innerhalb
und außerhalb
des Messbereichs A unterschiedlich wirkt.
-
Das
angesprochene Prinzip lässt
sich natürlich
beliebig erweitern. Etwa kann je ein dritter Widerstand in Serie
geschalten werden, um eine andere zweite physikalische (Stör)größe zu berücksichtigen, sofern
diese weitere Störgröße nicht
schon mit Hilfe der zweiten Elemente R1b...R4b kompensiert werden
kann.
-
In
einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung werden die Maßnahmen
von 2 und 3, also sowohl das Gewichten
der Brückenausgangssignale
als auch das Gewichten der Impedanzänderungsgradienten, vorgesehen.
Ein Anpassen der Messeinheit 3 an unterschiedliche Wirkungen
der zweiten physikalischen Größe innerhalb
und außerhalb
des Messbereichs A ist durch die beiden Freiheitsgrade besonders
einfach möglich.
-
4 zeigt
schließlich
einen Spiegel 4, einen ersten Rahmen 5 und einen
zweiten Rahmen 6. Der Spiegel 4 ist über Torsionsfedern 7 mit
dem Rahmen 5 verbunden, welcher wiederum über Torsionsfedern 8 mit
dem Rahmen 6 verbunden ist. Die Achsen der Torsionsfedern 7 und 8 sind
dabei z. B. rechtwinkelig zueinander angeordnet, sodass der Spiegel 4 in
jede beliebige Richtung verschwenkt werden kann. Die gesamte Anordnung
kann einstücktig
ausgeführt
werden, sodass ein in die Torsionsfedern 7 und 8 eingeleitetes
Drehmoment, welches durch eine Drehung des Spiegels 4 verursacht
wird, auch in den mit den Torsionsfedern 7 und 8 verbundenen
Rahmen 5 und 6 eingeleitet wird. An den Verbindungspunkten
der Torsionsfedern 7 und 8 mit den Rahmen 5 und 6 befindet
sich je eine Messbrücke 1a...1d (alternativ
je eine Messeinheit), welche die Verformung an je einer Verbindungsstelle
misst und ein Signal an eine übergeordnete
Verarbeitungseinheit (nicht dargestellt) leitet, die aus den ermittelten
Messwerten den Verdrehwinkel des Spiegels 4 in beiden Achsen errechnen
kann. Bei dieser Variante wird der Verdrehwinkel mit einer vom Drehmoment
abhängigen Größe bestimmt,
nämlich über die
dadurch im Rahmen 5 oder 6 verursachte Verformung.
Denkbar ist jedoch auch, direkt das Drehmoment zu messen, etwa durch
Montage der Messbrücken 1a...1d direkt an
den Torsionsfedern 7 und 8. Denkbar ist auch,
nur je eine Messbrücke
je Achse zu verwenden, was den Rechenaufwand minimiert, die erzielbare
Genauigkeit aber ebenfalls senkt.
-
Abschließend wird
darauf hingewiesen, dass sich die Erfindung auf eine Vielzahl von
Anwendungsfällen
bezieht, auch wenn die Erfindung nur anhand eines speziellen Anwendungsfalles
geschildert wurde. Für
den Fachmann ist es aber ein Leichtes und es liegt daher im Bereich
seines Könnens,
die Erfindung auf seine Bedürfnisse
anzupassen.