DE102008054408A1 - Messbrücke, Messeinheit und drehbar gelagerter Spiegel - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Messbrücke (1) angegeben, welche zusätzlich zu den ersten vier hinsichtlich ihrer Impedanz veränderlichen Elementen (R1a..R4a) in Brückenanordnung zweite hinsichtlich ihrer Impedanz veränderlicher Elemente (R1b..R4b) umfasst. Die ersten Elemente (R1a..R4a) sind dabei in einem Messbereich (A) angeordnet, welcher für eine Einwirkung einer ersten physikalischen Größe und einer damit begründeten Veränderung der besagten Impedanzen vorbereitet ist. Die zweiten Elemente (R1b..R4b) sind dagegen außerhalb dieses Messbereichs (A) angeordnet. Darüber hinaus wird eine Messeinheit (3) angegeben, welche eine erfinderische Messbrücke (1) sowie eine damit verbundene elektronische Schaltung (2) umfasst. Schließlich wird ein drehbar gelagerter Spiegel (4) mit einer Messbrücke (1) oder einer Messeinheit (3) angegeben, mittels derer ein Drehwinkel des Spiegels (4) gemessen werden kann.

Description

  • 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.

Claims (10)

  1. Messbrücke (1), umfassend vier erste hinsichtlich ihrer Impedanz veränderlicher Elemente (R1a...R4a) in Brückenanordnung, welche in einem Messbereich (A) angeordnet sind, der für eine Einwirkung einer ersten physikalischen Größe und einer damit begründeten Veränderung der besagten Impedanzen vorbereitet ist, wobei vier weitere, zweite hinsichtlich ihrer Impedanz veränderlicher Elemente (R1b...R4b) außerhalb dieses Messbereichs (A) angeordnet und mit der Brückenanordnung elektrisch verbunden sind.
  2. Messbrücke (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je zwei zweite Elemente (R1b, R3b/R2b, R4b) mit je zwei ersten Elementen (R1a, R3a/R2a, R4a) 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 (A) haben.
  3. Messbrücke (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 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 einer zweiten, von der ersten unterschiedlichen physikalischen Größe innerhalb und außerhalb des Messbereichs (A) haben.
  4. Messbrücke (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Impedanzänderungsgradienten dem Kehrwert des Verhältnisses des Einflusses der zweiten physikalischen Größe innerhalb und außerhalb des Messbereichs (A) entspricht.
  5. Messbrücke (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste physikalische Größe eine aus der Gruppe: Lichtstärke, Temperatur, elektrisches Feld, magnetisches Feld, Aktivität, mechanische Spannung oder Druck ist.
  6. Messbrücke (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite physikalische Größe eine oder mehrere aus der Gruppe: Lichtstärke, Temperatur, elektrisches Feld, magnetisches Feld, Aktivität, mechanische Spannung oder Druck ist oder sind.
  7. Messbrücke (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Elemente Piezosensoren (R1a...R4a, R1b...R4b) sind und die erste physikalische Größe eine mechanische Spannung ist und die zweite physikalische Größe Lichtstärke und/oder Temperatur ist.
  8. Messeinheit (3), umfassend eine Messbrücke (1) nach Anspruch 2 und eine damit verbundene elektronische Schaltung (2), welche dazu vorbereitet ist, das Signal der durch die zweiten Elemente (R1b...R4b) gebildeten Brücke von der durch die ersten Elemente (R1a...R4a) gebildeten Brücke zu subtrahieren.
  9. Messeinheit (3) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (2) dazu vorbereitet ist, die Brückensignale vor der Subtraktion umgekehrt proportional zum Verhältnis des Einflusses der zweiten physikalischen Größe innerhalb und außerhalb des Messbereichs (A) zu gewichten.
  10. Spiegel, welcher zumindest um eine Achse drehbar gelagert ist, mit zumindest einer Messbrücke nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder einer Messeinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 9, welche dazu ausgestaltet ist, das in eine Lagerung des Spiegels eingeleitete Drehmoment und/oder eine davon abhängige Größe zu messen.
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