DE19820005A1 - Flächiger Sensor - Google Patents
Flächiger SensorInfo
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Abstract
Es ist bekannt die Temperatur von temperaturabhängig sich ausdehnenden Baugruppen, insbesondere Meßsystemen, zu ermitteln, um diese zu kompensieren. Dafür werden Sensoren mit temperaturabhängiger elektrischer Leitfähigkeit benutzt. DOLLAR A Erfindungsgemäß soll dabei ein flächiger Sensor benutzt werden, der spezielle Strukturelemente mit temperaturabhängiger elektrischer Leitfähigkeit über die gesamte zu messende Länge aufweist. Dies weist den Vorteil auf, daß die Temperatur über dem gesamten Sensor gemessen wird. Diese Strukturelemente werden zu Spuren zusammengeschaltet und mit einer auf dem Sensor integrierten Elektronik verbunden. Der Sensor weist auf der Rückseite eine Klebeschicht auf, wodurch er einfach auf das zu messende Bauteil aufgeklebt werden kann. Die Länge des Sensors kann aufgrund der verteilten Strukturelemente durch einfaches Abschneiden beliebig eingestellt werden. Als Schutz wird nach der Montage eine Schutzschicht auf den Sensor aufgeklebt.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen flächigen Sensor gemäß dem Ober
begriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Anpassung für einen spe
ziellen Anwendungsfall gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14 und eine
Verwendung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 18.
Aus der EP 349 783 B1 ist bekannt, daß Temperaturen an Werkzeugma
schinen ermittelt werden, um deren temperaturabhängige Ausdehnung zu
ermitteln und zu kompensieren. Für die temperaturabhängige Ausdehnung
ist dabei jeweils der gesamte Temperaturverlauf über dem sich ausdehnen
den Maschinenteil zu erfassen. Dies wird dadurch ermöglicht, daß ein Wi
derstand benutzt wird, der sich in der Ausdehnungsrichtung des Maschi
nenteils erstreckt und der einen intensiven thermischen Kontakt zum Ma
schinenteil aufweist. Der verwendete Widerstand weist dabei ein zur mittle
ren Temperatur und damit zur Gesamtausdehnung proportional es Aus
gangssignal auf. Zur Kontaktierung sind an den beiden Enden des Wider
stands entsprechende Kontaktelemente vorgesehen.
Dabei ist von Nachteil, daß für jede benötigte Länge ein individueller Wider
stand bereitgestellt werden muß. Weiterhin können Störeffekte, die den Wi
derstand beeinflussen und das Meßergebnis verfälschen, wie z. B. Alterung,
nicht kompensiert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Sensor anzugeben,
der die genannten Nachteile vermeidet, der universell einsetzbar und ko
stengünstig zu produzieren ist. Weiterhin soll ein einfaches Verfahren zur in
dividuellen Anpassung des Sensors an individuelle Gegebenheiten angege
ben werden.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruches
1 sowie durch eine Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruches 14
und eine Verwendung gemäß den Merkmalen des Anspruch 18 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen ab
hängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß besteht der Sensor aus mehreren Spuren, die jeweils mit
einander verbundene Strukturelemente mit temperaturabhängiger elektri
scher Leitfähigkeit aufweisen. Dabei bestehen die unterschiedlichen Spuren
aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlicher
Temperaturabhängigkeit ihrer Leitfähigkeit. Weiterhin vorteilhaft ist, daß bei
einem vierspurigen Sensor auch bei einer Längenänderung kein neuer Ab
gleich in der Auswerteelektronik erforderlich wird. Die Ausgangssignale des
Sensors sind längenunabhängig.
Das Verfahren weist den Vorteil auf, daß aufgrund der Parallelschaltung der
Strukturelemente die Widerstandselemente mit temperaturabhängiger Leit
fähigkeit gleichmäßig über die gesamte Länge des Sensors verteilt sind, wo
durch die Möglichkeit besteht, den Sensor besonders einfach in der benö
tigten Länge abzuschneiden. Weiterhin wird dadurch vorteilhaft die Tempe
ratur über der gesamten Sensorlänge gemessen.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten des erfindungsgemäßen Sensors sowie
des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben aus der nachfolgenden Be
schreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Dabei
zeigt:
Fig. 1 eine erste Realisierungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen flä
chigen Sensors mit zwei Spuren in Reihe geschalteter Struktu
relemente und Auswerteelektronik,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen flächigen
Sensor mit Auswerteelektronik,
Fig. 3 eine zweite Realisierungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen
flächigen Sensors mit vier Spuren parallel geschalteter Struktu
relemente mit Auswerteelektronik und
Fig. 4 eine weitere Realisierungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen
flächigen Sensors mit vier Spuren parallel geschalteter Struktu
relemente.
Im folgenden Ausführungsbeispiel wird von einer Anwendung des erfin
dungsgemäßen Sensors als Temperatursensor ausgegangen.
Fig. 1 zeigt einen flächigen Temperatursensor S zum Aufkleben auf die
Oberfläche eines Maschinenteils, dessen thermische Dehnung bestimmt
werden soll. Der Sensor S besteht aus einer ersten Spur SP5, die sich aus in
Reihe geschalteten Strukturelementen ST3 mit einer temperaturabhängigen
elektrischen Leitfähigkeit zusammensetzt. Die einzelnen Strukturelemente
ST3 werden über Verbindungselemente in Form von Lötpads VE, die jeweils
zwischen zwei Strukturelementen ST3 angeordnet sind, verbunden. Die
zweite Spur SP6 ist identisch zur ersten ausgebildet und zur ersten Spur
SP5 benachbart angeordnet.
Weiterhin sind auf der Seite mit der Zuleitung elektronische Baugruppen an
gedeutet, die eine Verstärkung V und/oder eine Auswertung AW des Aus
gangssignals des Sensors S durchführen.
Die Länge des Sensors S übersteigt meist die vom Anwender benötigte
Länge. In diesem Fall kann der Anwender die nicht benötigte Länge des
Sensors S einfach entlang einer Schnittlinie SL abtrennen. Dies erfolgt im
wesentlichen senkrecht zu den Spuren SP5 und SP6. Auf diese besonders
anwenderfreundliche und einfache Art kann die Länge des Sensors S vom
Benutzer eingestellt werden. Dabei ist darauf zu achten, daß nur auf der
Länge des Sensors S mit Strukturelementen ST3 eine Temperaturmessung
erfolgt, auf der Länge des Sensors S mit den elektronischen Baugruppen V
und AW erfolgt keine Temperaturmessung.
Anschließend sind die beiden nunmehr am Ende des Sensors S gelegenen
Verbindungselemente VE durch einen Lötpunkt LP oder eine andere elek
trisch leitende Verbindung zu überbrücken, wie in Fig. 1 dargestellt.
Die Befestigung des Sensors S erfolgt mittels der in Fig. 2 dargestellten
wärmeleitenden Klebeschicht KS auf der Rückseite des Sensors S an dem
Maschinenteil. Als Klebeschicht KS kann vorteilhaft Preciment verwendet
werden.
Anschließend besteht die Möglichkeit eine Schutzschicht auf den Sensor S
aufzubringen, beispielsweise indem man eine Folie entsprechender Dicke
und Festigkeit über den Sensor S klebt. Dadurch wird ein Schutz, beispiels
weise gegen mechanische oder chemische Beschädigung, erreicht.
Fig. 3 zeigt eine alternative Realisierung des erfindungsgemäßen flächigen
Sensors S. Es sind vier Spuren SP1 bis SP4 vorgesehen, wobei die erste
und vierte Spur SP1 und SP4 und die zweite und dritte Spur SP2 und SP3
jeweils aus einer Parallelschaltung von Strukturelementen ST1 und ST2 über
der gesamten Sensorlänge bestehen. Zumindest die Strukturelemente ST1
und ST2 sollen dabei aus Material bestehen, welches eine unterschiedliche
Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Temperatur aufweist. Die
Ausgangssignale aller Spuren SP1, SP2, SP3 und SP4 werden zunächst ei
ner Auswerteschaltung AW zugeleitet, in der die Ausgangssignale in einer
Brücke, insbesondere einer Wheatstone-Brücke, verschaltet werden und an
schließend werden die Ausgangssignale der Brückenschaltung einem Ver
stärker V zugeleitet.
Die dabei benötigten elektronischen Baugruppen für Verstärker V und Aus
wertung AW können auf dem Sensor S integriert ausgeführt sein, wie in Fig. 3
dargestellt. Dadurch kann eine geringere Empfindlichkeit gegen elektro
magnetische Störungen und dem unvermeidlichen Rauschen erreicht wer
den.
Im Gegensatz zu einer punktuellen Temperaturmessung, beispielsweise mit
einzelnen temperaturabhängigen Widerständen, liefert der flächige Sensor
den genauen Mittelwert der Temperatur im vom Sensor überdeckten Be
reich. Da bei konstantem Ausdehnungskoeffizienten die Gesamtdehnung der
mittleren Temperatur proportional ist, sind zeitlich zurückliegende Tempera
turmessungen, wie sie bei anderen Verfahren benötigt werden, mit dem er
findungsgemäßen Sensor S nicht erforderlich.
Der temperaturabhängige ohmsche Widerstand eines metallischen Leiters,
wie er für die Strukturelemente ST1, ST2 und ST3 verwendet wird, berech
net sich aus dem spezifischem Widerstand ρ des Materials, der Länge L, der
Querschnittsfläche A, dem Temperaturkoeffizienten α und der Temperatur
differenz ΔT.
Nimmt man an, daß die breiten horizontalen Leiterbahnen einer beliebigen
Spur SP1, SP2, SP3, SP4 aus der Fig. 1 bzw. die Verbindungselemente VE
der Spuren SP5 oder SP6 aus der Fig. 3 keinen Einfluß auf den Gesamtwi
derstand eines Strukturelements ST1, ST2, oder ST3 haben, so kann der
Widerstand einer Spur SP1, SP2, SP3, SP4, SP5 oder SP6 aus der Parallel
schaltung der einzelnen Strukturelements ST1, ST2, oder der Reihenschal
tung der Strukturelemente ST3 berechnet werden. Im folgenden soll näher
auf die interessantere Parallelschaltung der als temperaturabhängige Wider
stände dienenden Strukturelemente ST1 und ST2 aus Fig. 3 eingegangen
werden. Mit der Anzahl n der Strukturelemente ST1, ST2 berechnet sich der
Widerstand einer der Spuren SP1, SP2, SP3, SP4 zu:
Die mittlere Temperatur kann mit dem flächigen Sensor aus Fig. 3 beson
ders vorteilhaft gemessen werden, wenn die vier Spuren SP1, SP2, SP3 und
SP4 in einer Wheatstonschen Brücke verschaltet werden. Dadurch wird er
reicht, daß Störungen mittels der Brückenschaltung kompensiert werden.
Bezeichnet man die Widerstände der Spuren SP1 bis SP4 mit R1 bis R4, gilt
für die Brückenschaltung:
Bei der Wheatstone-Brücke bilden R1 und R2 einen ersten Spannungsteiler
und R3 und R4 einen zweiten, parallelgeschalteten Spannungsteiler. Die
Ausgangsspannung Ua wird als Spannungsdifferenz zwischen den Verbin
dungspunkten von R1, R2 und R3, R4 gemessen. Die Versorgungsspan
nung Ue wird an R1 und R3 angelegt, R2 und R4 liegen an Masse.
Verwendet man für die Strukturelemente ST1 und ST2 unterschiedliche
Materialien mit unterschiedlichen Kenngrößen und ordnet man den Kenn
größen der Strukturelemente ST1 den Index a und den Kenngrößen der
Strukturelemente ST2 den Index b zu, so ergibt sich die Ausgangsspannung
Ua der Brückenschaltung abhängig von der Eingangsspannung Ue zu:
Unter den vereinfachenden Annahmen, daß
- - der Temperaturkoeffizient αb gegenüber αa vernachlässigbar klein ist,
- - alle Strukturelemente ST1 und ST2 bei Raumtemperatur den gleichen Widerstand haben und
- - die temperaturabhängige Änderung des Widerstands gering gegen
über dem Gesamtwiderstand ist,
gilt:
Daß der Temperaturkoeffizient αb des Materials für erste Strukturelemente ST1
vernachlässigbar klein ist gegenüber dem Temperaturkoeffizienten αa, wird durch
eine geeignete Wahl der Materialien, aus denen die Strukturelemente ST1 und
ST2 bestehen, erreicht. Hier ist besonders die Kombination Konstantan mit Tem
peraturkoeffizient αb für die Strukturelemente ST1 und Kupfer mit Temperatur
koeffizient αa für die Strukturelemente ST2 geeignet. Daß alle Strukturelemente
ST1 und ST2 bei Raumtemperatur den gleichen Widerstand haben wird durch
die Wahl der Länge La, Lb und Querschnitt Aa, Ab erreicht. Daß die Änderung
des temperaturabhängigen Teils des Widerstands gering gegenüber dem Ge
samtwiderstand ist, ist aufgrund der gegenüber 1 kleinen Temperaturkoeffizient
αa und αb ohnehin der Fall.
Die Brückenspannung ist gemäß obiger Gleichung somit unabhängig von der
Anzahl n der nach dem Abschneiden übrigen Strukturelemente ST1 und ST2. Ein
individuelles Kalibrieren des Verstärkers V abhängig von der Länge des Sensors
S beim Anwender ist dadurch nicht erforderlich.
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors S als Dehnungssensor
dürfen die sogenannten Vorzugsrichtungen der Strukturelemente ST1, ST2,
ST3 der Spuren SP1, SP2, SP3 und SP4 des Sensors aus Fig. 3 oder SP5
und SP6 des Sensors aus Fig. 1 nicht senkrecht zur Dehnungsrichtung aus
gerichtet sein. Eine optimale Empfindlichkeit des Sensors S gegenüber Deh
nung erreicht man, wenn die Spuren SP1 bis SP4 bzw. SP5 und SP6 paral
lel zur Dehnungsrichtung verlaufen. Dies ist durch die spezielle Leitungsfüh
rung in den Strukturelementen ST1, ST2 und ST3 gemäß Fig. 1 und Fig. 3
begründet.
In der vorangegangenen Beschreibung wurde davon ausgegangen daß die
elektronischen Baugruppen zumindest zur Verstärkung der Sensoraus
gangssignale auf dem Sensor S integriert angeordnet sind. Alternativ dazu
besteht die Möglichkeit, daß die elektronischen Baugruppen und der eigent
liche Sensor S, bestehend nur aus den Spuren SP1 bis SP4 bzw. SP5 und
SP6, als getrennte Baugruppen gemäß Fig. 4 ausgestaltet sind. Dann be
steht die vorteilhafte Möglichkeit den Sensor S in großen Mengen am Stück
herzustellen und erst für die spezielle Anwendung, beispielsweise von einer
Rolle, abzutrennen.
Dies hat den Vorteil, daß kein Abfall entstehen würde und die Herstellung
des Sensors S wesentlich einfacher und kostengünstiger wäre.
Die elektronischen Baugruppen, insbesondere der Verstärker V, können
dann entweder über Kabel mit dem Sensor S verbunden werden oder diese
werden unmittelbar an einem Ende der Spuren SP1 bis SP4 bzw. SP5 und
SP6 mit dem Sensor S leitend verbunden. Hierfür können die in Fig. 1 dar
gestellten Verbindungselemente VE benutzt werden oder es werden, wie in
Fig. 4 dargestellt, für den Sensor S aus Fig. 3 die breiten Leiterbahnen,
durch die die Strukturelemente ST1 und ST2 parallelgeschaltet werden, für
eine Verbindung benutzt. Falls die Breite der Leiterbahnen nicht ausreichen
sollte für eine Kontaktierung, können, wie in Fig. 4 dargestellt, in regelmäßi
gen Abständen zusätzliche Lötpunkte LP vorgesehen werden, an denen der
Sensor S mit der Auswerteelektronik (V, AW) verbunden wird.
Claims (18)
1. Flächiger Sensor zur Temperatur und/oder Dehnungsmessung insbeson
dere eines Maschinenteils oder einer Längen- oder Winkelmeßeinrich
tung, der mindestens ein Strukturelement (ST1, ST2, ST3) mit tempera
turabhängiger elektrischer Leitfähigkeit aufweist, wobei die Strukturele
mente (ST1, ST2, ST3) über die gesamte Länge des Sensors (S) gleich
mäßig verteilt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens
zwei Spuren (SP1, SP2, SP3, SP4, SP5, SP6), bestehend aus miteinan
der verbundenen Strukturelementen (ST1, ST2, ST3), vorgesehen sind.
2. Flächiger Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Strukturelemente (ST3) einer Spur (SP5, SP6) in Reihe geschaltet sind.
3. Flächiger Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen zwei Strukturelementen (ST3) ein elektrisches Verbindungse
lement (VE) vorgesehen ist, wodurch die zwei Spuren (SP5, SP6) mitein
ander verbunden werden können.
4. Flächiger Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als
elektrisches Verbindungselement (VE) für die zwei Spuren ein Lötpunkt
(LP) vorgesehen ist.
5. Flächiger Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Strukturelemente (ST1, ST2) einer Spur (SP1, SP2, SP3, SP4) parallel
geschaltet sind.
6. Flächiger Sensor nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strukturelemente (ST1, ST2) der mindestens zwei Spuren (SP1, SP2,
SP3, SP4) aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien bestehen.
7. Flächiger Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß auf der Rückseite des Sensors (S) eine Klebeschicht (KS)
zum Verkleben mit einem zu messenden Bauteil vorgesehen ist und daß
die Klebeschicht (KS) besonders wärmeleitfähig ist.
8. Flächiger Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß auf der Vorderseite des Sensors (S) im montierten Zustand
eine Schutzschicht aufgeklebt wird, wodurch der Sensor (S) vor Beschä
digung geschützt wird.
9. Flächiger Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Sensor (S) an einem Ende elektronische Baugruppen
(V, AW) beinhaltet.
10. Flächiger Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
elektronischen Baugruppen eine Verstärkerschaltung (V) beinhalten.
11. Flächiger Sensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die elektronischen Baugruppen eine Auswerteschaltung (AW) bein
halten.
12. Flächiger Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 5 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sensor (S) vier Spuren (SP1, SP2, SP3, SP4)
beinhaltet, wobei die Strukturelemente (ST1) zweier Spuren (SP1, SP4)
aus einem ersten und die Strukturelemente (ST2) zweier Spuren (SP2,
SP3) aus einem zweiten Material gefertigt sind.
13. Flächiger Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die
vier Spuren (SP1, SP2, SP3, SP4) in der Auswerteschaltung (AW) zu ei
ner Brücke verschaltet werden.
14. Verfahren zur individuellen Anpassung eines flächigen Sensors nach ei
nem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine nicht
mehr benötigte Länge des Sensors (S) entlang einer Schnittlinie (SL) an
dem Ende des Sensors (S) abgeschnitten wird, das keine elektronischen
Baugruppen (V, AW) aufweist.
15. Verfahren zur individuellen Anpassung eines flächigen Sensors nach ei
nem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ende
des Sensors (S) der keine elektronischen Baugruppen (V, AW) aufweist,
die beiden Spuren (SP5, SP6) durch die elektrischen Verbindungsele
mente (VE, LP) miteinander verbunden werden.
16. Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach den Ansprüchen 1 bis 8
und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (S) in Form eines lan
gen Bandes gefertigt wird, wodurch der Anwender die benötigte Sensor
länge von dem langen Band abtrennen kann.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Anwen
der elektronische Baugruppen (V, AW) mit dem Sensor (S) über bereits
vorhandene Verbindungselemente (VE, LP) verbindet.
18. Verwendung des Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sensor (S) zur Messung einer Dehnung benutzt
wird und daß die Längsrichtung der Spuren (SP1, SP2, SP3, SP4, SP5,
SP6) des Sensors (S) im wesentlichen senkrecht zu der zu messenden
Dehnung angeordnet werden.
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