DE3236708A1 - Electric force sensor - Google Patents

Abstract

The invention relates to an electric force sensor and appertains to the field of electrical measurement of forces with measuring transducers which work with wire strain gauges. By slight modifications to the deformation body, which is of the compression-body type, the invention achieves the object of specifying such a deformation body which avoids the known disadvantages of the compression-body deformation type. Here, the production costs for this deformation body are to be reduced compared with bending, shearing-stress and torsion bodies. The essence of the invention consists in the fact that a zone is formed in the deformation-body sections between the active part carrying the wire strain gauges and the outer force-inducing surfaces, which zone prevents transverse extensions, which preferably originate from friction forces at the force-inducing surfaces, from being transmitted to the active part. In addition, the active zone is to be designed in such a way that it concentrates the useful stresses in the body, which act in the direction of the external force. The fields of application relate to the technology of electrical force measurement. Figure 1 illustrates the mode of operation. <IMAGE>

Description

Elektrischer EraStauS-nehmer --Electric EraStauS-taker -

Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektrischen Messung von Kräften mittels Meßwandlern, die mit Dehnungsmeßstreifen aufgebaut sind.The invention relates to the field of electrical measurement of forces by means of transducers built with strain gauges.

Elektrische KraftauSnehmer mit Dehnungsmeßstreifen bestehen aus einem elastischen Körper, meist Verformungskörper genannt, und auf diesem aufgebrachten Dehnungsmeßstrei9en. Die.zu messende Kraft wirkt auf den Verformungskörper ein, der sich dabei verformt und zu Veränderungen der Widerstände der Dehnungsmeßstreifen führt.Electric force transducers with strain gauges consist of one elastic body, usually called deformation body, and applied to this Strain gauges. The force to be measured acts on the deformation body, which deforms and changes the resistance of the strain gauges leads.

Diese Veränderungen werden mit elektrischen Mitteln ausgewertet. Außer den Eigenschaften der Dehnungsmeßstreifen und der Technologie ihrer Fixierung gehen Eonstruktion und Technologie der Verformungskörper maßgebend in die Eigenschaften der Kraftaufnehmer ein. Ms sind verschiedene Grundtypen von Verformungskörpern bekannt, die sich durch unterschiedliche MeßeigenschaSten, aber ganz besonders auch durch unterschiedlichen Aufwand für die Herstellung auszeichnen.These changes are evaluated by electrical means. Except the characteristics of the strain gauges and the technology of their fixation The design and technology of the deformation bodies determine the properties the force transducer. Various basic types of deformation bodies are known, which differ through different measurement properties, but especially through distinguish different effort for the production.

Verformungskörper vom Stauchkörpertyp sind fertigungstechnisch am günstigsten. Ein wesentlicher funktlonsmäßiger Nachteil ist, daß der Verformungskörper in Kraftrichtung wesentlich länger ausgebildet werden muß als der eigentlichen aktiven Zone - also dem mit Dehnungsmeßstreifen beklebten Teil - entspricht, wenn sich befriedigend kleine Meßfehler ergeben sollen. Das folgt daraus, da3 die durch die äußeren Krafteinleitungsstücke hervorgerufenen Störungen weit genug abgeklungen sein müssen, so daß sich in der aktiven Zone ein definiertes Spannungs- und Verformungsfeld ausbilden kann.Deformation bodies of the compression body type are technically most important cheapest. A major functional disadvantage is that the deformation body must be made much longer in the direction of force than the actual active Zone - that is, the part covered with strain gauges - corresponds if it is satisfactory should result in small measurement errors. This follows from the fact that the external force introduction pieces induced disturbances must have subsided far enough so that in the active zone can form a defined stress and deformation field.

Im gleichen Sinne werden durch genügend lange Stauchkörper auch Effekte abgebaut, die dadurch entstehen, daß die äußeren Krafteinleitungsstücke grundsätzlich auch Reibungskräfte (zum Beispiel senkrecht zur wirkenden äußeren Kraft) auf den Verformungskörper übertragen, die sich durch Hysterese in den Übertragungskennlinien widerspiegeln.In the same way, a sufficiently long compression body also creates effects degraded, which arise from the fact that the outer force introduction pieces in principle also frictional forces (for example perpendicular to the acting external force) on the Deformation bodies transferred, which are due to hysteresis in the transfer characteristics reflect.

Außer großem Materialaufwand ergeben sich durch die erforderlichen großen Verformungskörperlän gen zusätzlich Eigenschaftsverschlechterungen, wie geringe Steifigkeit, damit größere Meßwege, sowie größerer Einfluß von Querkräften.In addition to the large amount of material required, the necessary large deformation body lengths additional property deterioration, such as small Rigidity, thus greater measuring distances, as well as greater influence of transverse forces.

Die genannten Nachteile des Stauchkörpertyps werden von Verformungskörpern mit Biege-, Torsions- oder Scherspannungskörpern größtenteils vermieden. Sie haben aber sämtlich mindestens den Nachteil, daß sie sehr hohe Herstellungskosten verursachen. Beim Scherspannungskörper ist zusätzlich das Aufkleben der Dehnungsraeßstreifen sehr kompliziert.The mentioned disadvantages of the compression body type are caused by deformation bodies largely avoided with bending, torsion or shear stress bodies. They have but all at least have the disadvantage that they cause very high manufacturing costs. In the case of the shear stress body, there is also the adhesion of the expansion strips very complicated.

Ziel der Erfindung ist es, durch geringe ModiSikationen des Verformungskörpers vom Stauchkörpertyp einen solchen Verformungskörper anzugeben, der die genannten meßtechnischen bzw. materialseitigen Nachteile der bekannten Stauchkörpertypen nicht aufweist, gegenüber Biege-, Scherspannungs- und Torsionskörpern jedoch erheblich geringeren Herstellungsaufwand erfordert. Insbesondere sollen die gegenüber dem normalen Stauchkörper erforderlichen technologischen Schritte sich au9 einfache Bearbeitung, zum Beispiel Bohren, beschränken.The aim of the invention is to reduce the deformation body by minor modifications to specify such a deformation body from the compression body type, the said technical or material disadvantages of the known types of compression body not has, compared to bending, shear stress and torsion bodies, however, considerably requires less manufacturing effort. In particular, the opposite of the The technological steps required for normal compression bodies are simple Restrict machining, for example drilling.

Die Erfindung löst die Aufgabe, einen Verformungskörper vom Stauchkörpertyp anzugeben, der mit nur geringem zusätzlichen Herstellungsaufwand gegenüber den bekannten Stauchkörpertypen bei gleichen meßtechnischen Eigenschaften wesentlich geringere Verformungskörperlänge und damit verringerten Materialverbrauch aufweist oder bei unveränderter Länge wesentlich bessere Meßeigenschaften hat.The invention solves the problem of a deformation body of the compression body type indicate that with only little additional manufacturing effort compared to the known Compression body types with the same metrological properties are much lower Has deformation body length and thus reduced material consumption or at unchanged length has significantly better measuring properties.

Das Merkmal der Erfindung besteht darin, daß in den Verformungskörperabschnitten, die zwischen dem aktiven, die Dehnungsmeßstreifen tragenden Ueil und den äußeren Krafteinleitungsflächen eine Zone ausgebildet wird, die Querdehnungen, die vorzugsweise von Reibungskräften an den EinleituagsSlächen-herrühren, an der Fortpflanzung zum aktiven Teil in besonders starkem Maße behindert. Diese spezielle Zone soll besonders noch derart ausgebildet werden, daß sie die eigentlichen Nutzspannungen im Körper, die in Richtung der äußeren Kraft wirken, besonders wirksam homogenisiert oder aber gezielt und definiert konzentriert.The feature of the invention is that in the deformation body sections, those between the active, the Strain gauges bearing Ueil and a zone is formed on the outer force application surfaces, the transverse strains, which preferably come from frictional forces on the introductory surfaces on which Reproduction to the active part is particularly severely hindered. This special Zone should be designed in such a way that it contains the actual useful voltages particularly effectively homogenized in the body, which act in the direction of the external force or focused in a targeted and defined manner.

Die spezielle Zone besteht aus einem symmetrisch zur Achse des VerSormungskörpers angeordneten regulären (zum Beispiel zylindrischen, kegelförmigen oder winkel-symmetrischen) Hohlraum innerhalb der Verbindungsstücke zwischen äußeren Krafteinleitungsflächen und dem aktiven Teil des Verformungskörpers. Sie kann auf beiden Seiten des aktiven Teiles oder nur auf einer Seite angeordnet werden.The special zone consists of a symmetrical to the axis of the standardization body arranged regular (for example cylindrical, conical or angularly symmetrical) Cavity within the connecting pieces between external force introduction surfaces and the active part of the deformation body. You can be on either side of the active Part or only on one side.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der reguläre Hohlraum in der speziellen Zone dadurch entsteht, daß er als Durchdringung mehrerer quer zur Achse des Verformungskörpers gelegener und diesen durchsetzenden Ausnehmungen entsteht. Im technologisch günstigsten Falle werden diese Ausnehmungen durch Bohrungen gebildet.Another feature of the invention is that the regular Void in the special zone arises from the fact that it is penetrated by several transverse to the axis of the deformation body and these penetrating recesses arises. In the technologically most favorable case, these recesses are made by bores educated.

Die Ereindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The connection is to be described in more detail below using an exemplary embodiment explained.

In der zugehörigen Zeichnung zeigt: Figur 1: Die Grundform des elektrischen Kraftaufnehmers mit Dehnungsmeßstreifen und zwei speziellen Zonen, die aus je einem symmetrisch angeordneten, regulären Hohlraum bestehen.The accompanying drawing shows: Figure 1: The basic form of the electrical Force transducer with strain gauges and two special zones, each consisting of one symmetrically arranged, regular cavity exist.

Figur 2: Die Grundform des elektrischen Kraftaufnehmers mit Dehnungsmeßstreifen und zwei speziellen Zonen, die aus Durchdringungen von zwei Bohrungen entstehen.Figure 2: The basic shape of the electrical force transducer with strain gauges and two special ones Zones resulting from penetrations of two holes develop.

Figur 3: Eine Anordnung gemäß Figur 2 mit nur einer speziellen Zone aus der Durchdringung zweier Bohrungen, deren Winkellage zueinander dem Querschnitt des aktiven Teiles angepaßt ist.FIG. 3: An arrangement according to FIG. 2 with only one special zone from the penetration of two bores, the angular position of which corresponds to the cross-section of the active part is adapted.

Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Grundform des elektrischen Kraftaufnehmers mit Dehnungsmeßstreifen und zwei speziellen Zonen Z beiderseitig zwischen aktivem Teil und den Krafteinleitungsflächen. Der aktive Teil ist der Teil des Verformungskörpers V, der mit den Dehnungsmeßstreifen DE bestückt ist. Zwischen diesem Teil und den Krafteinleitungsflächen, auf die die Meßkraft F wirkt, ist die spezielle Zone Z angeordnet, die einen symmetrisch zur Achse angeordneten regulären Hohlraum S enthält. Dieser Hohlraum erzwingt auf einem relativ kurzen Verformungskörperabschnitt den Ubergang von einer punkt-Sörmig oder auch undefiniert an greifenden äußeren Kraft auf ein ringförmig inneres NormalspannungsproSi1 und damit eine bessere Homogenisierung im Bereich des aktiven Teiles. Gleichzeitig ist der Bereich der speziellen Zone Z relativ weich hinsichtlich Querdeformationen. Das hat die Wirkung, daß Reibeffekte an den KraSteinleitungsflächen mit hystereseartigen Querdehnungszuständen sehr schnell zur aktiven Zone hin abklingen.Figure 1 shows the basic form of the electrical force transducer according to the invention with strain gauges and two special zones Z on both sides between active Part and the force application surfaces. The active part is the part of the deformation body V, which is equipped with the DE strain gauges. Between this part and the The special zone Z is the force application area on which the measuring force F acts arranged, which contains a symmetrical to the axis arranged regular cavity S. This cavity enforces on a relatively short deformation body section Transition from a point-shaped or undefined external force on a ring-shaped inner normal stress proSi1 and thus a better homogenization in the area of the active part. At the same time is the area of the special zone Z relatively soft in terms of transverse deformations. That has the effect that friction effects very quickly at the force transfer surfaces with hysteresis-like transverse expansion states decay towards the active zone.

Figur 2 zeigt die erfindungsgemäße Grundform des elektrischen Kraftaufnehmers mit Dehnungsmeßstreifen und beiderseitig zwischen aktivem Teil und den f(rafteinleitungsflächen angeordneten speziellen Zonen Z, die aus Durchdrnngungen mehrerer gleichartiger, quer zur Achse des Verformungskörpers V gelegener und vollständig diesen durchsetzenden Ausnehmungen entstehen.FIG. 2 shows the basic form of the electrical force transducer according to the invention with strain gauges and on both sides between the active part and the raft inlet surfaces arranged special zones Z, which consist of penetrations of several similar, transversely to the axis of the deformation body V located and completely penetrating this Recesses arise.

In der Figur 2 bestehen diese Ausnehmungen aus Bohrungen, die paarweise in gleiches Ebene angeordnet sind und sich unter einem rechten Winkel kreuzen. Durch diese Anord- nung wird die Quersteifigkeit in der speziellen Zone Z besonders stark erniedrigt, was zu einem guten Abklingen der Reibeffekte führt. Außerdem tritt eine Bündelung des Normalspannungsfeldes au9 die Oberflächenbezirke zwischen den Bohrungen au9. Diese Eigenschaft kann zu besonderen Dimensionierungen des Kraftaufnehmers zusätzlich herangezogen werden.In FIG. 2, these recesses consist of bores that are in pairs are arranged in the same plane and intersect at right angles. By this arrangement The transverse stiffness in the special zone is used Z is particularly greatly reduced, which leads to a good decay of the friction effects. In addition, the normal stress field is concentrated on the surface areas between the holes au9. This property can lead to special dimensions of the force transducer can also be used.

Figur 3 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung mit nur einer speziellen Zone Z und einem aktiven Teil mit rechteckigem Querschnitt. Die spezielle Zone Z entsteht durch die Durchdringung zweier Bohrungen gleichen Durchmessers, deren Winkellage zueinander dem Rechteckquerschnitt angepaßt ist.Figure 3 shows an embodiment of the solution according to the invention only a special zone Z and an active part with a rectangular cross-section. The special zone Z is created by the penetration of two identical holes Diameter, the angular position of which is adapted to one another to the rectangular cross-section.

LeerseiteBlank page

Claims (8)

Patentan srüche S Elektrischer Kraftaufnehmer mit DehnuDgsmeßstreifen und einem VerSormungskörper vom Stauchkörpert-yp, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem aktiven, die Dehnungsmeßstreifen (D.B) tragenden Teil und den äußeren Krafteinleitungsflächen spezielle Zonen (Z) ausgebildet sind, die einen symmetrisch zur Achse des Verformungskörpers (V) angeordneten regulären Hohlraum (S) enthalten. Patent pending S Electric force transducer with strain gauges and a VerSormungskörper from the compression body type, characterized in that between the active part carrying the strain gauges (D.B) and the external force application surfaces special zones (Z) are formed, which are symmetrical to the axis of the deformation body (V) arranged regular cavity (S) contain. 2. Elektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der reguläre Hohlraum (S) zylindrisch, kugelförmig oder in beliebiger Form rotationssymmetrisch ist. 2. Electrical force transducer according to claim 1, characterized in that that the regular cavity (S) is cylindrical, spherical or rotationally symmetrical in any shape is. 3. Elektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der reguläre Hohlraum (S) als Durchdringung mehrerer quer zur Achse des Verformungskörpers (V) gelegener und diesen durchsetzenden Ausnehmungen entsteht. 3. Electrical force transducer according to claim 1, characterized in that that the regular cavity (S) as a penetration of several transversely to the axis of the deformation body (V) located and these penetrating recesses arise. 4. Elektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Durchdringungen identischen Querschnitt aufweisen. 4. Electrical force transducer according to claim 3, characterized in that that the penetrations have an identical cross section. 5. Elektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Durchdringungen Bohrungen sind. 5. Electrical force transducer according to claim 3, characterized in that that the penetrations are bores. 6. Elektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 4 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Durchdringungen auf einer Ebene angeordnet sind, die senkrecht auf der Achse des Verformungskörpers (V) steht. 6. Electrical force transducer according to claim 4 and 5, characterized in that the penetrations are arranged on a plane which is perpendicular stands on the axis of the deformation body (V). 7e Elektrischer Eraftaufnehmer nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Ausnehmungen den VerSormungskörper (V) nur teilweise durchsetzen. 7e electrical force transducer according to claim 3, characterized in that that the recesses enforce the standardization body (V) only partially. 8. Elektrischer Kraftaufnehmer nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die spezielle Zone (Z) nur zwischen einer 1afteinleitungsfläche und dem aktiven Teil angeordnet ist. 8. Electrical force transducer according to claim 1 to 7, characterized in that the special zone (Z) is only between a 1afteinleitungsfläche and the active part is arranged.