DE3504872A1 - Sensor for flexural stresses - Google Patents

Abstract

A sensor for flexural stresses is proposed for the purpose of measuring the flexure of a structural part, in particular a beam. The sensor consists of a pot-shaped housing (2) which is open at one end and into which a pressure sensor (3) is inserted. The housing (2) with the pressure sensor (3) is packed with an elastomer (5) up to the level of the housing edge. The housing (2) is mounted on the beam (1) in such a way that the surface of the elastomer (5) bears on the beam (1). In this way, in the event of flexure of the beam (1), the curvature of the beam is propagated via the elastomer (5) on to a diaphragm (14) of the pressure sensor (3). <IMAGE>

Description

Sensor für Biege spannungenFlexural stress sensor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor für Biege spannungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a sensor for bending stresses according to the preamble of claim 1.

Es ist oftmals erforderlich, die Biegung eines Bauteiles meßtechnisch zu erfassen. So kann z.B. in der Fahrzeugtechnik aus der Durchbiegung einer Achse auf die Beladung geschlossen werden.It is often necessary to measure the bending of a component capture. For example, in vehicle technology, the deflection of an axle be concluded on the loading.

Es sind bereits Sensoren zur Messung von Biegespannungen gebräuchlich, die nach verschiedenen Prinzipien arbeiten.Sensors for measuring bending stresses are already in use, which work according to different principles.

Am bekanntesten ist die Methode, auf das betreffende Bauteil an geeigneter Stelle einen Dehnungsmeß- streifen aufzukleben. Je nach der auftretenden mechanischen Spannung wird dann ein elektrisches Ausgangssignal gegeben.The best known is the method that is appropriate to the component in question Place a strain gauge stick on strips. Depending on the occurring mechanical tension is then given an electrical output signal.

Nachteilig an diesem Dehnungsmeßstreifen ist die unzureichende Altersbeständigkeit. Ferner ist der Klebevorgang aufwendig und die elektrische Signalaufbereitung schwierig. Weiter kann meist auch nicht nach Zug- und Biegespannung unterschieden werden.The disadvantage of this strain gauge is its inadequate age resistance. Furthermore, the gluing process is complex and the electrical signal processing is difficult. Furthermore, it is usually not possible to differentiate between tensile and bending stress.

Es sind auch Sensoren gebräuchlich, die nach dem magnetostriktiven Prinzip arbeiten. Solche Sensoren weisen nicht die Nachteile der Dehnungsmeßstreifen auf, sind aber relativ teuer und groß. Auch hier kann im allgemeinen nicht zwischen Zug- und Biegespannung unterschieden werden.There are also sensors in use that are based on the magnetostrictive Working principle. Such sensors do not have the disadvantages of strain gauges on, but are relatively expensive and large. Again, there is generally no between Tensile and bending stress can be distinguished.

Schließlich ist in der nicht vorveröfentlichten deutschen Patentanmeldung P 35 02 275.2 ein in einem Elastomer eingebetteter Drucksensor vorgeschlagen worden.Finally, in the German patent application, which has not been pre-published P 35 02 275.2 a pressure sensor embedded in an elastomer has been proposed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art anzugeben, der preiswert ist, Biegespannungen von Zugspannungen unterscheiden kann und nur wenig Einbauraum benötigt.The invention is based on the object of a sensor of the initially specified type, which is inexpensive, differentiate bending stresses from tensile stresses can and requires little installation space.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 2 enthaltenen Erfindungen gelöst.This object is contained in claims 1 and 2 Inventions solved.

Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Weiterbildungen.The subclaims contain expedient developments.

Der erfindungsgemäße Biegesensor wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt schematisch im Schnitt die wesentlichen Ansichten des Sensors. In den Fig. la bis lc ist eine erste Ausführung mit elektronischer Temperaturkompensation dargestellt, In der Fig. 2 ist eine zweite Ausführung mit mechanischer Temperaturkompensation dargestellt.The bending sensor according to the invention is described below with reference to a drawing explained in more detail. The drawing shows schematically in section the essential views of the sensor. A first embodiment is shown in FIGS shown with electronic temperature compensation, in Fig. 2 is a second Version with mechanical temperature compensation shown.

In den Fig. la bis lc ist mit 1 ein langgestrecktes Bauteil (Balken) bezeichnet, dessen Durchbiegung (in Richtung eines Pfeiles 18) von dem erfindungsgemäßen Sensor gemessen werden soll. Dieser besitzt ein einseitig offenes, topfförmiges Gehäuse 2. Das Gehäuse 2 ist mit zwei Schrauben 6 und 7 auf dem Balken 1 befestigt. An der Innenseite des Gehäuses 2 ist ein Drucksensor 3 befestigt, beispielsweise angeklebt. In den Figuren ist das Gehäuse 2 etwa in natürlicher Größe dargestellt, Der Drucksensor 3 besteht aus einem Plastikgehäuse und einer zentral angeordneten Membran 14. Die Membran 14 besteht aus einem Widerstands-Material und verändert deshalb bei Auslenkung das elektrische Ausgangssignal des Sensors. Ein derartiger Sensor, bei dem auch die Auswerteelektronik mit eingebaut ist, wird z.B. von der Firma VALVO hergestellt.In Figs. La to lc, 1 is an elongated component (bar) denotes whose deflection (in the direction of an arrow 18) from the inventive Sensor is to be measured. This has a cup-shaped one that is open on one side Housing 2. The housing 2 is fastened to the beam 1 with two screws 6 and 7. A pressure sensor 3 is attached to the inside of the housing 2, for example glued on. In the figures, the housing 2 is shown approximately in natural size, The pressure sensor 3 consists of a plastic housing and a centrally arranged one Diaphragm 14. The diaphragm 14 consists of a resistance material and changes therefore the electrical output signal of the sensor in the event of deflection. One of those The sensor, in which the evaluation electronics are also built in, is e.g. Manufactured by VALVO.

Die maximale Auslenkung der Membran beträgt etwa 5/100 mm. Für ein auswertbares Ausgangssignal ist eine Auslenkung von 1/100 bis 2/100 mm ausreichend.The maximum deflection of the membrane is about 5/100 mm. For a evaluable output signal, a deflection of 1/100 to 2/100 mm is sufficient.

Es können aber auch andersartige Sensoren, die z.B nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeiten, eingesetzt werden.However, other types of sensors can also be used, e.g. based on the piezoelectric Working principle, used will.

Weiter können in dem Gehäuse 2 auch mehrere Sensoren eingesetzt sein.A plurality of sensors can also be used in the housing 2.

Die Anschlußleitungen 8,9 zum Drucksensor 3 sind durch Bohrungen 10,11 des Gehäusebodens 2 nach außen geführt.The connecting lines 8,9 to the pressure sensor 3 are through holes 10,11 of the housing bottom 2 outwards.

Über eine weitere Bohrung 13 im Gehäuseboden 2 ist die dem Balken 1 abgewandte Seite des Drucksensors 3 mit der Atmosphäre verbunden.A further hole 13 in the housing base 2 is that of the bar 1 facing away from the pressure sensor 3 connected to the atmosphere.

Der Drucksensor 3 wird umgeben von einem Dichtelement, hier einem Ring 4, der in eine Nut des Gehäuses 2 eingelassen ist. Der Raum zwischen dem Balken 1 und dem Drucksensor 3 ist mit einem Elastomer 5 vergossen. Dieses liegt im montierten Zustand des Sensors auf dem Balken 1 auf.The pressure sensor 3 is surrounded by a sealing element, here one Ring 4 which is let into a groove in the housing 2. The space between the beam 1 and the pressure sensor 3 is encapsulated with an elastomer 5. This is in the assembled Condition of the sensor on bar 1.

Es ist darauf zu achten, daß die Oberfläche des Elastomers 5 möglichst plan ist. Dies kann z.B.It is important to ensure that the surface of the elastomer 5 as possible is plan. This can e.g.

durch Abschleifen erreicht werden. Auch die Oberfläche des Balkens 1 ist an der Montagestelle zu planen.can be achieved by grinding. Also the surface of the beam 1 is to be planned at the assembly point.

Der Sensor ist so auf dem Balken 1 befestigt, das die Biegerichtung des Balkens 1 in Richtung des Pfeiles 18 gemessen wird. Zur Befestigung des Gehäuses 2 weist dieses Bohrungen 17 auf. Die Bohrungen 17 sind umgeben von ringförmigen, erhabenen Teilen 16.The sensor is attached to the beam 1 so that the bending direction of the bar 1 is measured in the direction of arrow 18. For fastening the housing 2 this has bores 17. The bores 17 are surrounded by annular, raised parts 16.

Anstelle der Teile 16 können auch Unterlegscheiben verwendet werden.Instead of the parts 16, washers can also be used.

Der Sensor kann durch eine unterschiedliche Höhe der erhabenen Teile 16 bzw. eine unterschiedliche Dicke der Unterlegscheiben, die anstelle der Vorsprünge 16 verwendet werden können, die Elastomermasse 5 mehr oder weniger vorspannen. Auf diese Art wird die Höhe des Signales bei unbelastetem Balken 1 bestimmt. Der Bereich der auf diese Art erzeugten Vor-Spannung richtet sich nach der zu erwartenden Verformung des Balkens. Unterscheidet man drei Vorspannungsbereiche, so sind zweckmäßigerweise die folgenden Zuordnungen zu treffen.The sensor can have a different height the raised parts 16 or a different thickness of the washers, which instead the projections 16 can be used, the elastomer compound 5 more or less preload. In this way, the level of the signal is determined when the beam 1 is unloaded. The range of the pre-voltage generated in this way depends on the one to be expected Deformation of the beam. A distinction is made between three preload areas, so are expedient make the following assignments.

Biegt sich der Balken 1 in Richtung des Sensors, ist eine schwache Vorspannung des Elastomers 5 zu wählen.If the bar 1 bends in the direction of the sensor, it is a weak one Bias of the elastomer 5 to choose.

Biegt sich der Balken 1 in beide Richtungen, ist eine mittlere Vorspannung zu wählen. Biegt sich der Balken 1 vom Sensor weg, ist eine starke Vorspannung des Elastomers 5 zweckmäßig.If the beam 1 bends in both directions, there is a medium preload to choose. If the bar 1 bends away from the sensor, there is a strong bias of the Elastomers 5 appropriate.

Der dargestellte Sensor muß eine Temperaturkompensation haben, da sich bei einer Temperaturerhöhung das Elastomer 5 ausdehnt, und somit eine scheinbare Biegespannung angezeigt würde. Aus diesem Grund ist hier eine elektronische Temperaturkompensation vorgesehen, welche mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand, der z.B. in den Drucksensor 3 eingebaut sein kann, arbeitet. Eine derartige Temperaturkompensation ist dem Fachmann bekannt und wird deshalb hier nicht näher erläutert, Der gezeigte Drucksensor arbeitet wie folgt.The sensor shown must have temperature compensation because When the temperature increases, the elastomer 5 expands, and thus an apparent one Bending stress would be displayed. For this reason there is an electronic temperature compensation here provided, which is provided with a temperature-dependent electrical resistance, e.g. can be built into the pressure sensor 3, works. Such a temperature compensation is known to the person skilled in the art and is therefore not explained in more detail here, the one shown Pressure sensor works as follows.

Bei Durchbiegung des Balkens 1 in Richtung des Pfeiles 18 bewegt sich der mittlere Teil des Balkens im Vergleich zu den Teilen 16 nach oben.When the beam 1 is bent in the direction of arrow 18 it moves the middle part of the beam compared to the parts 16 upwards.

Diese Volumenverschiebung überträgt sich durch das Elastomer 5 auf die Membran 14, wodurch die Durchbiegung elektrisch angezeigt wird. Das Elastomer 5 verhält sich dabei wie eine Flüssigkeit, ist also praktisch nicht zusammendrückbar. Bei der Konstruktion des Gehäuses 2 ist darauf zu achten, daß dieses im mittleren, mit Elastomer ausgefüllten Bereich so steif ausgeführt wird, daß eine Durchbiegung praktisch unwesentlich ist.This volume shift is carried over through the Elastomer 5 on the membrane 14, whereby the deflection is indicated electrically. The elastomer 5 behaves like a liquid, so it is practically not compressible. When designing the housing 2, make sure that it is in the middle, The area filled with elastomer is made so rigid that there is a deflection is practically insignificant.

Die Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführung des Sensors mit einer mechanischen Temperaturkompensation. Das topfförmige Gehäuse 2 wird hier mit einer erheblich größeren Tiefe ausgebildet. Neben dem Drucksensor 3 und dem Elastomer 5 enthält das Gehäuse weiter einen von der Oberfläche des Elastomers 3 bis auf den Balken 1 reichenden Körper 12, der einen gegenüber dem Gehäuse 2 kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Auch hier liegt das Gehäuse 2 an den Befestigungspunkten am Balken 1 an, während in der Mitte eine Aussparung 15 angebracht ist.Fig. 2 shows a second embodiment of the sensor with a mechanical one Temperature compensation. The cup-shaped housing 2 is here with a considerable formed greater depth. In addition to the pressure sensor 3 and the elastomer 5 contains the housing further one from the surface of the elastomer 3 down to the beam 1 reaching body 12, which compared to the housing 2 has a smaller coefficient of thermal expansion Has. Here, too, the housing 2 rests against the fastening points on the beam 1, while a recess 15 is made in the middle.

Das Gehäuse 2 besteht beispielsweise aus Aluminium, während der Körper 12 aus einem Material mit geringerem Wärmeausdehnungskoeffizienten, z.B. Stahl, besteht.The housing 2 is made of aluminum, for example, while the body 12 made of a material with a lower coefficient of thermal expansion, e.g. steel, consists.

Für die Dimensionierung der in der Fig, 2 eingezeichneten Maße 11, 12, 13 gilt die Formel: 11 x #1 = 12 x # 2 + 13 x #3.For the dimensioning of the dimensions 11 shown in FIG. 2, 12, 13 the formula applies: 11 x # 1 = 12 x # 2 + 13 x # 3.

Hierin bedeuten # 1 der Wärrneausdehungskoeffizient des Gehäuses, # 2 der Wärmeausdehnungskoeffizient des Körpers 12, und # 3 der Wärmeausdehnungskoeffizient des Elastomers 5.# 1 is the coefficient of thermal expansion of the housing, # 2 is the coefficient of thermal expansion of the body 12, and # 3 is the coefficient of thermal expansion of the elastomer 5.

Durch die in der Fig. 2 dargestellte Konstruktion wirkt sich eine Temperaturausdehnung des Elastomers 5 nicht aus, da diese durch die relativ hohe Ausdehnung des Gehäuses 2 und die relativ geringe Ausdehnung des Körpers 12 kompensiert wird.The construction shown in FIG. 2 has an effect Thermal expansion of the elastomer 5 does not occur because this is due to the relatively high Expansion of the housing 2 and the relatively small expansion of the body 12 compensated for will.

Zweckmäßig ist der Körper 12 auf der dem Balken 1 zugewandten Seite ballig ausgeführt (nicht dargestellt), damit auch Biegungen entgegengesetzt dem Pfeil 18 (siehe Fig. la) gemessen werden können.The body 12 is expediently on the side facing the beam 1 executed convex (not shown), so that also bends opposite to that Arrow 18 (see Fig. La) can be measured.

Im übrigen funktioniert der Sensor nach der Fig. 2 wie der nach der Fig. 1.Otherwise, the sensor according to FIG. 2 functions like that according to the Fig. 1.

Claims (4)

Patentansprüche 1. Sensor für Biegespannungen zur Messung der Durchbiegung eines Bauteils, insbesondere eines Balkens, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Ein einseitig offenes, steifes Gehäuse (2) ist mit der offenen Seite auf dem Balken (1) befestigt; b) im Gehäuse (2) befindet sich mindestens ein Drucksensor (3), der in ein Elastomer (5) eingebettet ist; c) das Elastomer (5) und der Drucksensor (3) fEllen den Gehäuseinnenraum vollständig aus; d) das Gehäuse (2) ist so auf dem Balken (1) befestigt, daß die Oberfläche des Elastomers (5) auf dem Balken (1) aufliegt. (Fig. 1).Claims 1. Sensor for bending stresses for measuring the deflection of a component, in particular a beam, characterized by the following features: a) A rigid housing (2) open on one side is with the open side on the Beam (1) attached; b) there is at least one pressure sensor in the housing (2) (3) embedded in an elastomer (5); c) the elastomer (5) and the pressure sensor (3) fill the interior of the housing completely; d) the housing (2) is like this on the Beam (1) attached so that the surface of the elastomer (5) rests on the beam (1). (Fig. 1). 2. Sensor ftir Biegespannungen zur Messung der Durchbiegung eines Bauteils, insbesondere eines Balkens, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) In einem einseitig offenen, topfförmigen Gehäuse (2) ist mindestens ein Drucksensor (3) enthalten; b) das Gehäuse (2) mit dem Drucksensor (3) ist in einer Schichtdicke 1 3 mit einem Elastomer (5) ausgegossen; c) auf der Oberfläche des Elastomers (3) liegt ein bis auf den Balken (1) reichender Körper (12) auf, der einen gegenüber dem Gehäuse (2) kleineren Wärmeausdehnungs-Koeffizieten hat (Fig. 2).2. Flexural stress sensor for measuring the deflection of a Component, in particular a beam, characterized by the following features: a) At least one pressure sensor is located in a cup-shaped housing (2) that is open on one side (3) included; b) the housing (2) with the pressure sensor (3) is in one layer thickness 1 3 filled with an elastomer (5); c) on the surface of the elastomer (3) there is a body (12) reaching up to the beam (1) on the has a smaller coefficient of thermal expansion compared to the housing (2) (Fig. 2). 3. Sensor nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) mit zwei in Längsrichtung des Balkens (1) auseinander liegenden Schrauben (6,7) auf dem Balken (1) befestigt ist.3. Sensor according to claim 1 to 2, characterized in that the housing (2) with two screws (6.7) that are spaced apart in the longitudinal direction of the beam (1) is attached to the beam (1). 4. Sensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Elastomer (5) abgewandte Seite des Drucksensors (3) über eine Bohrung (13) im Boden des Gehäuses (2) mit der Atmosphäre verbunden ist.4. Sensor according to claim 1 to 3, characterized in that the dem Elastomer (5) facing away from the pressure sensor (3) via a hole (13) in the floor of the housing (2) is connected to the atmosphere.