DE1932899A1 - Resistance transducer for forces loads, - pressures - Google Patents

Resistance transducer for forces loads, - pressures

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Abstract

A linear or flat piece of resistive material insulated by a layer of elastic material is clamped between elastic supports at its ends and is subjected to forces perpendicular to its axis or normal to its surface so that it is deformed geometrically, this deformation causing its resistance to change. Manganin, Ag-Mn or a semi-conductor material can be used as the resistive material and the insulation may be epoxy resin, polyester resin, ceramic, glass, quartz or any combination of these.

Description

h Patentbes ehreibung Bezeichnung der Erfindung: M2ßwertgeber zum Umwandeln von Kräften, mechanis&nen Spannungen oder Drücken in elektrische Widerstands änderungen Die Erfindung betrifft einen Meßwertgeber zum Umwandeln von Kräften, mechanischen Spannungen oder Drücken in elektrische Widerstandsänderungen.h Patent award Description of the invention: M2 transducer for converting forces, mechanical tensions or pressures into changes in electrical resistance. The invention relates to a transducer for converting forces, mechanical tensions or pressures into changes in electrical resistance.

Eine wohlbekannte Ausfuehrung derartiger Meßwertgeber benutzt elektrische Dehnungsmeßstreifen, die auf Teilen der Oberfläche von Federkörpern aufgeklebt sind. Wird der Federkörper einer Kraft, einer mechanischen Spannung oder einem Druck ausgesetzt, wird er verformt; die hierbei auf seiner Oberfläcne auftretenden Dehnungen werden mit Deh nungsmeßstreifen gemessen [13. Der Hauptnachteil dieser Meßwertgeber ist darin zu sehen, daß es sehr schwierig ist, die zu messenden Kräfte, Spannungen oder Drücke definiert, also unabhängig z.B. vom Ort des Kraftangriffes und von der Größe der Kraft, in Oberflächendehn mgen umzusetzen. Nur großer konsirukriver AuSwand, verbunden mit großer Bauhöhe, führt hier zu Meßwertgebern mit kleinem Fehler. [13 Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diese Nachteile dadurch zu vermeiden, daß der Meßwertgeber so ausgebildet wird, daß ein im wesentlichen linienförmiges bzw. im wesentlichen flächenförmiges Widerstandsmaterial, mittels eines elastischen Mediums elektrisch isoliert, zwischen elastischen Teilen angeordnet wird, daß das Widerstandsmaterial im wesentlichen quer zu seiner Längsrichtung bzw.One well known type of such transducers uses electrical ones Strain gauges that are glued to parts of the surface of spring bodies. If the spring body is exposed to a force, mechanical tension or pressure, it is deformed; the elongations occurring on its surface measured with strain gauges [13. The main disadvantage of these transducers is to see that it is very difficult to measure the forces, tensions or Pressures defined, i.e. independent of e.g. the location of the force application and the size the power to translate into surface expansion. Only a large amount of consular expenditure, combined with a large overall height, this leads to transducers with small errors. [13th The present invention is based on the object of eliminating these disadvantages to avoid that the transducer is designed so that a substantially linear or essentially sheet-like resistance material, by means of an elastic medium, electrically insulated, arranged between elastic parts is that the resistance material is essentially transverse to its longitudinal direction or

normal zu der Fläche, die es bildet, einer mechanischen Spannung ausgesetzt wird, die von der zu messenden mechanischen Größe herrührt, und daß das Widerstandsmaterial infolge dieser mechahischen Spannung ßeinen Widerstand ändert. Weitere Merkmale der Erfindung sind den UnteransprUch-rn zu entnehmen.subjected to mechanical stress normal to the surface it forms which results from the mechanical quantity to be measured, and that the resistance material as a result of this mechanical tension ß changes a resistance. Other features the invention can be found in the subclaims.

Die Anwendung der Erfindung ist in den folgenden Figuren näher erläutert .The application of the invention is explained in more detail in the following figures .

Fig. 1 Meßwertgeber für Kräfte mit großer Bauhöhe Fig. 2 Meßwertgeber für Kräfte mit kleiner Bauhöhe Fig. 3 Meßwertgeber für Kräfte mit kleiner Bauhöhe und flächiger Krafteinleitung Fig. 4 Meßwertgeber für Kräfte mit extrem kleiner'Bauilöhe-Fig. 5 Meßwertgeber für Kräfte in krie&nmindernder Ausführung Fig. 6 Meßwertgeber für Kräfte mit zwei aktiven Elementen Fig. 7 Meßwertgeber zum Messen von Längskräften von Schrauben Fig. 8 Meßwertgeber zum Messen von Spannungen Fig. 9 Meßwertgeber zum Messen von Drücken Im Folgenden wird die Erfindung an Hand einiger Beispiele näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Meßwertgeber für Kräfte mit großer Bauhöhe.Fig. 1 transducer for forces with great overall height Fig. 2 transducer for forces with a small overall height Fig. 3 transducer for forces with a small overall height and planar force introduction Fig. 4 transducer for forces with extremely small 'structural height-Fig. 5 transducers for forces in a creep-reducing design. Fig. 6 transducers for forces with two active elements Fig. 7 Transducer for measuring longitudinal forces of screws Fig. 8 Transducers for measuring tensions Fig. 9 Transducers for measuring pressures In the following, the invention is illustrated using a few examples explained in more detail. Fig. 1 shows a transducer for forces with a large overall height.

Er besteht aus zwei (zylindrischen) Teilen l und 2, die aus elastischem Material mit kleiner Hysterese und kleinem Kriechen, z.B. Stahl, hergestellt sind, und dem eigentlichen Meßelement 3. Das Meßelement 3 besteht aus Widerstandsmaterial; z.B. gitterförmig angeordnetem Meßdraht 4, der sich in -einer isolierenden Schicht 5 befindet. Diese Schicht 5 kann z.B. aus einem aushärtbaren Epoxyd- oder Polyester-Harz bestehen, das den Meßdraht 4 nach dem Aushärten in seiner lage hält, ihn elektrisch isoliert und, wenn erwUnscht, gleichzeitig mit den Teilen 1 und 2 zu einer Einheit verklebt. Die Schicht 5 kann auch aus anderen, elektrisch nichtleitenden Materialien bestehen, z.B. aus keramischem Material, Glas, Quarz, Oxyden wie Aluminium-Oxyd oder aus verschiedenen Kombinationen dieser oder ähnlicher Stoffe. Schließlich können auch die Teile 1 und 2 aus dem gleichen Material wie die Schicht 5 bestehen, was einen besonders einfachen Aufbau des Meßwertgebers' bedeutet.It consists of two (cylindrical) parts 1 and 2, which are made of elastic Are made of material with low hysteresis and low creep, e.g. steel, and the actual measuring element 3. The measuring element 3 consists of resistance material; e.g. measuring wire 4 arranged in a grid-like manner, which is in an insulating layer 5 is located. This layer 5 can for example consist of a hardenable epoxy or polyester resin exist that holds the measuring wire 4 in its position after curing, it electrically isolated and, if desired, at the same time as parts 1 and 2 to form a unit glued. The layer 5 can also be made of other, electrically non-conductive materials consist e.g. of ceramic material, glass, quartz, oxides such as aluminum oxide or from various combinations of these or similar substances. Finally you can also the parts 1 and 2 consist of the same material as the layer 5, what a particularly simple structure of the transducer 'means.

Wirkt nun eine Kraft P auf den Meßwertgeber, wird das Meßelement 3 unddamit der Meßdraht 4 einer Spannung unterworfen, die im wesentlichen quer zu seiner Längsrichtung verläuft. Hierbei ändert er seinen elektrischen Widerstand, welcher damit ein Maß für die Kraft P ist.If a force P now acts on the transducer, the measuring element becomes 3 andthus the measuring wire 4 is subjected to a tension which is essentially transverse to its longitudinal direction. Here it changes its electrical resistance, which is a measure of the force P.

Der Meßdraht 4 hat einen relativ kleinen Durchmesser; damit wird die Dicke d des Meßelementes 3 klein. Dies bedeutet, daß es bei größeren Kräften P,nicht seitlich zwischen den Teilen 1 und 2 austritts sondern unter Aufnahme auch hoher Spannungen, z.B. 20 kp/mm2, ortsfest bleibt, Es kann so eine sehr hohe Spannung auf den Meßdraht 4 aufgebracht werden.The measuring wire 4 has a relatively small diameter; thus the Thickness d of the measuring element 3 is small. This means that with larger forces P, not laterally between the parts 1 and 2 exits but under inclusion also higher Tensions, e.g. 20 kp / mm2, remain stationary, so there can be a very high tension be applied to the measuring wire 4.

Der Meßdraht 4 kann, wie in Ftg. 1 angedeutet, praktisch auf die ganze Flacile zwischen den Teilen 1 und 2 gleichmäßig verteilt werden. Dies bedeu'et,.daß die Kraft P auch dann richtig gemessen Wird, wenn sich die Kaftariffsstelle alderts also z.B. die Kraft P' auftritt, denn was der eine Teil des Meßdrahtes 4 an Beanspruchung verliert, kommt einem anderen Teil wieder zugute. Diese Unabhängigkeit des besenriebenen MePwertgebers gegen Änderungen der Kraftangriffsstelle ist ein wesentlicher technischer Vorteil, denn sie bedeutet, wie weiter unten noch näher ausgeführt wird, die Möglichkeit kleiner Bauhöhe und kleinen Bauaufwand.The measuring wire 4 can, as indicated in Fig. 1, practically on the whole Flacile be evenly distributed between parts 1 and 2. This means that the Force P is measured correctly even if the force point is alderts So e.g. the force P 'occurs, because what the stress of one part of the measuring wire 4 loses, benefits another part again. This independence of the swept MePwertgebers against changes in the force application point is an essential technical Advantage, because, as will be explained in more detail below, it means the possibility small overall height and little construction effort.

Der Meßdraht 4 kann einen runden bzw. auch einen rechteckigen Querschnitt haben, ähnlich den bekannten Ausführungen bei Draht- bzw.The measuring wire 4 can have a round or rectangular cross section have, similar to the known designs for wire or

Folienmeßstreifen [1]. Das Material kann z.B. äus Manganin oder Silber-Mangan bestehen. Auch mehrere Meßdrähte 4 aus verschiedenen Materialien können, z.B. zur Temperaturkompensation oder zum Aufbau einer Wheatstoneschen Brücke, in einem Meßelement 3 gleichzeitig verwendet werden Auch Halbleiter, z.B. Siliziums sind als Material für den Meßdraht 4 verwendbar; sie liefern eine besonders große Widerstands änderung.Foil measuring strips [1]. The material can, for example, be manganin or silver-manganese exist. Several measuring wires 4 made of different materials can also be used, e.g. for Temperature compensation or to build a Wheatstone bridge in a measuring element 3 can be used at the same time Semiconductors, e.g. silicon, are also used as a material can be used for measuring wire 4; they provide a particularly large change in resistance.

Die Unempfindlichkeit des Meßwertgebers gegen den Ort der Kraftangriffsstelle macht auch Konstruktionen mit sehr kleiner Bauhöhe möglich, z.B. entsprechend Fig. 2 mit örtlich definierter und gemäß Fig. 3 mit flächig eingeleiteter Kraft P. Im Extremfall können die Teile 1- und 2 gemäß Fig. 4 ganz entfallen und durch Teile der Konstruktion ersetzt werden, zwischen denen Kräfte gemessen werden sollen.The insensitivity of the transducer to the location of the force application point also makes constructions with a very small overall height possible, e.g. according to Fig. 2 with a locally defined force P. Im In extreme cases, parts 1 and 2 according to FIG. 4 can be omitted entirely and replaced by parts of the construction, between which forces are to be measured.

Fig. 5 zeigt einen Meßwertgeber für Kräfte in kriechmindernder Ausführung. Hier ist der Meßdraht 4 nur über eine Fläche mit dem Durchmesser' D verteilt, die im Innern des Meßelementes 3 liegt und durch welche die Kraft P im wesentlichen geleitet wird, weil die äußeren Bereiche der Teile 1 und 2 einen geringeren Durchmesser D aufweisen als die inneren Bereiche mit dem Durchmesser D'. In dem durch D und D' gegebenen kreisförmigen Bereich kann nun ein gewisses Kriechen der Schicht 5 auftreten, ohne daß dies einen Einfluß auf die Widerstandsänderung des Meßdrahtes 4 hat.Fig. 5 shows a transducer for forces in a creep-reducing design. Here the measuring wire 4 is only distributed over an area with the diameter 'D, which lies in the interior of the measuring element 3 and through which the force P is essentially is directed because the outer areas of parts 1 and 2 have a smaller diameter D have as the inner regions with the diameter D '. In that by D and The given circular area can now have a certain creep of the layer 5 occur without this having an effect on the change in resistance of the measuring wire 4 has.

Fig. 6 zeigt einen Meßwertgeber mit zwei Meßelementen 3, die übereinander angeordnet sind. Wegen der kleinen Dicke d der Meßelemente 3 ist dies ohne wesentliche Vergrößerung der Bauhöhe möglich. Man kann so bei Verwendung von zwei oder auch noch mehr Meßelementen größere Mengen Widerstandsmaterial unterbringen oder verschledene Sorten von Widerstandsmaterial, etwa mit positiven oder mit negativen Widerstands~ änderungen unter Spannunglzum Zwecke dér Empfindlichkeitssteigerujng kombinatorisch verwenden. Diese Anordnung ist auch günstig, wenn ein Meßelement 3 z.B. zur Messung, ein anderes Meßelement 3 zur Regelung derselben Kraft verwendet werden soll.Fig. 6 shows a transducer with two measuring elements 3, one above the other are arranged. Because of the small thickness d of the measuring elements 3, this is not essential The construction height can be increased. One can do so when using two or also Even more measuring elements accommodate larger amounts of resistance material or different ones Varieties of resistance material, for example with positive or negative resistance ~ changes under tension to use combinatorially for the purpose of increasing sensitivity. This arrangement is also favorable when one measuring element 3, e.g. for measuring, another Measuring element 3 is to be used to control the same force.

Fig. 7 zeigt einen Meßwertgeber zum Messen von Längskräften in Schrauben 6. Er besitzt eine zentrische Bohrung 7, durch welche der Schaft der Schraube 6 gesteckt werden kann. Ein solcher Meßwertgeber ist billig herzustellen und kann deshalb nach dem Anziehen der Schraube 6 bis zu einer zu messenden, vorgegebenen Kraft am Meßort verbleiben. Fig. 7 shows a transducer for measuring longitudinal forces in screws 6. It has a central bore 7 through which the shaft of the screw 6 can be plugged. Such a transducer is inexpensive to manufacture and can therefore after tightening the screw 6 up to a predetermined one to be measured Force remain at the measuring point.

Auch für andere Meßaufgaben ähnlicher Art kann eine Bohrung 7 im Innern eines Meßwertgebers für Kräfte von großem Nutzen sein. For other measuring tasks of a similar type, a hole 7 in the Be of great use inside a force transducer.

Fig. 8 zeigt einen 14eßwertgeber zum Messen von Spannungen a im Innern fester Körper, zXB4 Beton Bier ist die kleine Bauhöhe des Meßwert gebers vön besonderem Vorteil, weil sie eine nur kleine Rückwirkung des -Gebers auf den festen Körper bedeutet [23. Zur Ausschaltung von undefinierten Querbeanspruchungen weist der Meßwertgeber einen Ring 8 aus einem Material sehr großer Kompressibilität auf, z.B Schaumgummi.Fig. 8 shows a measuring transducer for measuring voltages a in the interior solid body, zXB4 concrete beer is the small height of the transducer of special Advantage because they only have a small reaction of the giver on the solid body means [23. To eliminate undefined transverse loads, the measuring transducer a ring 8 made of a material of very great compressibility, e.g. foam rubber.

Fig. 9 zeigt einen Meßwertgeber zum Messen von Drücken p. Die drücke p wirken über das Teil 1 auf das Meßelement 3, das auf dem Teil 2 angeordnet ist. Das Teil 2 Stützt sich auf dem Gehäuse 9 ab. Die Membrah 10 sorgt dafür, daß der Druck p nur auf die obere Fläche des Teiles 1 wirken kann. Auch bei dieser Anwendung der Erfindung zur Druckmessung ist die kleine Bauhöhe des Meßelementes 3 vorteilhaft, weil durch sie der ganze Meßwertgeber flach und dadurch z.B. mit sehr hoher- Resonanz frequenz ausgeführt werden kann. Fig. 9 shows a transducer for measuring pressures p. The pressures p act via part 1 on measuring element 3, which is arranged on part 2. The part 2 is supported on the housing 9. The Membrah 10 ensures that the Pressure p can only act on the upper surface of part 1. Even with this application the invention for pressure measurement, the small height of the measuring element 3 is advantageous, because they make the entire transducer flat and thus e.g. with very high resonance frequency can be run.

Weitere Anwendungen des Meßelementes 3 sind überall da möglich, wo zu messende physikalische Größen in Kräfte überführt werden können, die auf das Meßelement 3 einwirken. Further applications of the measuring element 3 are possible wherever Physical quantities to be measured can be converted into forces that affect the Measuring element 3 act.

In Betracht gezogenes Schrifttum : [1) Rohrbach, Chr. : tlandbuch für elektrisches Messen mechanischer Größe VDI-Verlag Düsseldorf, 1967 [2) Rohrbaeh, Chr.: Spannungs- und Dehnungsmessungen an Beton insbesondere mit Widerstandsgebern ; Arch. Techn. Messen (1962) V 8246 - 6 u. 7 Literature considered: [1) Rohrbach, Chr.: Tlandbuch for electrical measurement of mechanical quantities VDI-Verlag Düsseldorf, 1967 [2) Rohrbaeh, Chr .: Stress and strain measurements on concrete, especially with resistance sensors ; Arch. Techn. Messen (1962) V 8246 - 6 and 7

Claims (7)

B Patentansprüche Meßwertgeber zum Umwandeln von Kräften, Spannungen oder Drücken in elektrische Widerstands änderungen, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem im wesentlichen linienförmig oder flächenförmig ausgebildeten Widerstandsmaterial (4) besteht, das, mittels einer elastischen Schicht (5) elektrisch isoliert, zwischen elastischen Teilen (1, 2) angeordnet ist, daß das Widerstandsmaterial (4) im wesentlichen quer zu seiner Längsrichtung bzw. normal zu der Fläche, die es bildet, einer mechanischen Spannung ausgesetzt wird, die von der zu messenden physikalischen Größe herrührt und daß das Widerstandsmaterial (4) infolge dieser mechanischen Spannung seinen Widerstand ändert.B patent claims transducers for converting forces, voltages or pressing in electrical resistance changes, characterized in that it is made of an essentially linear or flat resistor material (4) consists, which is electrically insulated by means of an elastic layer (5) between elastic parts (1, 2) is arranged that the resistance material (4) substantially transverse to its longitudinal direction or normal to the surface it forms, a mechanical one Voltage is exposed, which results from the physical quantity to be measured and that the resistance material (4) is due to this mechanical stress Resistance changes. 2. Meßwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Schicht (5) aus Epoxydharz, Polyesterharz, keramischem Material, Glas, Quarz oder aus Kombinationen dieser Stoffe besteht. 2. Transmitter according to claim 1, characterized in that the elastic layer (5) made of epoxy resin, polyester resin, ceramic material, glass, Quartz or combinations of these substances. 3. Meßwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial (4) aus Manganin, Silber-Mangan oder einem i'albleiter besteht. 3. Transmitter according to claim 1, characterized in that the Resistance material (4) consists of manganin, silver-manganese or a semiconductor. 4. Meßwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßdraht (4) nur im Inneren des Meßelementes (3) liegt und die äußeren Bereiche der Teile (1 und 2) einen geringeren Durchmesser (D) aufweisen als die inneren Bereiche der Teile (1 und 2) mit einem größeren Durchmesser (D'). 4. Transmitter according to claim 1, characterized in that the Measuring wire (4) is only inside the measuring element (3) and the outer areas of the parts (1 and 2) have a smaller diameter (D) than the inner areas of the parts (1 and 2) with a larger diameter (D '). 5. Meßwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßelemente (3) übereinander angeordnet sind. 5. Transmitter according to claim 1, characterized in that several Measuring elements (3) are arranged one above the other. 6. Meßwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine zentrische Bohrung (7) aufweist. 6. Transmitter according to claim 1, characterized in that it has a having central bore (7). 7. Meßwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Hing (8) aus einem Material sehr großer Kompressibilität, z.3. 7. Transmitter according to claim 1, characterized in that it has a Hing (8) made of a material with very high compressibility, e.g. 3. Sohautgummi, aufweist. So skin rubber, has. L e e r s e i t eL e r s e i t e
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