DE4132111A1

DE4132111A1 - Messaufnehmer fuer laengen- oder abstandsaenderungen

Info

Publication number: DE4132111A1
Application number: DE19914132111
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr Ing Beetz; Harald Dipl Ing Fritz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-09-26
Filing date: 1991-09-26
Publication date: 1993-04-01

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßaufnehmer für Längen- oder Abstandsänderungen mit mechanisch-elektrischer Meßgrößen umformung durch eine Kondensatoranordnung nach dem Ober begriff des Anspruchs 1.

Aus der EP 03 54 386 A1 ist bekannt, Längen- oder Abstandsänderungen zu messen, indem eine Kondensatoranordnung mit zwei parallel zueinander verstellbaren Elektrodenstrukturen als Meßaufnehmer mit mechanisch-elektrischer Meßgrößenumformung eingesetzt wird. Die beiden Elektrodenstrukturen bestehen jeweils aus mehreren ebenen, kammförmig hintereinander ange ordneten Elektroden und greifen derart ineinander, daß sich eine Parallelschaltung mehrerer Elektrodenpaare ergibt. Eine Parallelogrammführung sorgt dafür, daß eine Längen- oder Ab standsänderung sich lediglich auf den Abstand zwischen den Elektroden eines Elektrodenpaares auswirkt und die Elektroden nicht gegeneinander gekippt werden. Zur Messung von Längen- oder Abstandsänderungen zwischen zwei Punkten wird jeweils eine der beiden Elektrodenstrukturen an einem der beiden Punkte befestigt. Als Meßgröße dient die durch den variablen Elektrodenabstand der Elektrodenpaare hervorgerufene Kapazi tätsänderung. Dieser Meßaufnehmer ist mechanisch sehr empfind lich und erfordert eine aufwendige Justage an den Befesti gungspunkten, um den Meßbereich an die auftretenden Längen- oder Abstandsänderungen anzupassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßaufnehmer für Längen- oder Abstandsänderungen zu schaffen, der mecha nisch unempfindlich und leicht applizierbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die Elektroden eines Meßaufnehmers der eingangs genannten Art auf einem elastischen Träger befestigt, dessen Form den zu messenden Längen- oder Abstandsänderungen entsprechend gedehnt oder gestaucht wird.

Als Elektroden können nach Anspruch 2 bis 4 Metallstreifen oder ein streifenförmiger Isolator mit einer elektrisch leitenden Schicht in den Randbereichen verwendet werden. In den Ansprüchen 5 bis 12 werden vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die Verwendung eines elastischen Trägers für die Elektrodenstrukturen eine Dehnung oder Stauchung des Meßaufnehmers über seinen zulässigen Bereich hinaus nicht unmittelbar zu seiner Zerstörung führt. Mit dem erfindungsgemäßen Meßaufnehmer sind nicht nur Längen- oder Abstandsänderungen erfaßbar, sondern er kann auch nach Art eines resistiven Dehnungsmeßstreifens appliziert werden und so Dehnungen oder Stauchungen in eine Änderung seiner Kapazität umwandeln. Die Empfindlichkeit des Meßaufnehmers ist auf einfache Weise durch geeignete Wahl der Geometrie daten einstellbar. Sie kann zudem erheblich höher als bei resistiven Dehnungsmeßstreifen gewählt werden, bei welchen die relative Widerstandsänderung etwa das Zweifache der Dehnung beträgt. Ist bei dem erfindungsgemäßen Meßaufnehmer das Verhältnis zwischen Elektrodenabstand und Elektrodenbreite 2%, so wird bei einer zu messenden Stauchung um 1% die Kapazität des Meßaufnehmers bereits näherungsweise verdoppelt. Die elektronische Auswertung der Kapazitätsänderung kann ent weder in einer Meßbrücke oder in einem Schwingkreis erfolgen. Bei der Auswertung in einem Schwingkreis wird direkt ein frequenzproportionales Signal geliefert, so daß keine auf wendige A/D-Wandlung erforderlich ist. Besonders vorteilhaft sind die erfindungsgemäßen Meßaufnehmer in explosionsgefähr deten Bereichen einsetzbar, da ihre Leistungsaufnahme sehr gering ist. Demgegenüber müssen resistive Dehnungsmeßstreifen mit einigen Milliampere gespeist werden. Elektrostatische Kräfte zwischen den Elektrodenpaaren und die Eigensteifigkeit des kapazitiven Meßaufnehmers sind vernachlässigbar klein, so daß praktisch keine zusätzlichen Rückstellkräfte verursacht werden. Ein weiterer Vorteil ist die weitgehende Unabhängig keit der Meßwerte von den verwendeten Werkstoffen, da vor allem die geometrischen Abmessungen kapazitätsbestimmend sind.

Anhand der Figuren, in denen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Meßaufnehmer mit beschichteten Elektroden und

Fig. 2 einen Meßaufnehmer mit Streifenelektroden.

Der Meßaufnehmer in Fig. 1 besteht im wesentlichen aus Elek troden 1, die auf einen elastischen Träger 2 aufgebracht sind. Der elastische Träger 2 ist elektrisch isolierend und stellt die mechanische Verbindung zu einem Körper 3 her, dessen Län genänderung, auch Dehnung genannt, mit dem Meßaufnehmer erfaßt werden soll. Die Elektroden 1 sind als senkrecht zur Darstel lungsebene verlaufende Streifen aus einem isolierenden Mate rial mit hohem Elastizitätsmodul, z. B. Quarz, Glas oder Keramik, ausgebildet, die lediglich im Randbereich mit elek trisch leitenden Schichten 4 überzogen sind, die paarweise je einen Kondensator bilden. Der Mittenabstand L zwischen den Elektroden 1 ist erheblich größer gewählt als der Abstand x zwischen den einzelnen Elektroden 1. Die Schichten 4 sind miteinander so elektrisch verschaltet, daß jeweils einander gegenüberliegende unterschiedliche Polarität aufweisen. Über höhte mechanische Spannungen in den Elektroden 1 werden bei dieser Anordnung vermieden, indem zwischen den Elektroden 1 und dem elastischen Träger 2 in den Randbereichen Gleitzonen 5 vorgesehen sind. Durch eine Nase, die in eine Ausnehmung des elastischen Trägers 2 eingreift, werden die Elektroden gegen seitliches Verschieben gesichert und sind so in einem mitt leren Bereich 6 mit dem elastischen Träger 2 fest verbunden. Diese Anordnung hat die Eigenschaft eines "Dehnungstransfor mators", d. h., eine geringe Dehnung des Mittenabstands L zwischen zwei Elektroden führt zu einer um den Faktor größeren relativen Dehnung des Abstands x zwischen den beiden Elektroden. Wie daraus leicht ersichtlich ist, führen bereits kleine Dehnungen des Körpers 3 zu einer erheblichen Kapazi tätsänderung des Meßaufnehmers. Durch die Wahl der Geometrie daten kann daher die Empfindlichkeit des Meßaufnehmers auf Dehnungen vorgegeben werden.

In Fig. 2 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin dung gezeigt. Die Elektroden 7, 8, 9 und 10 sind Metall streifen, die jeweils von einer Isolierschicht 11 abgedeckt werden. Ober einen elastischen Träger 2 sind sie mit einem Körper 3 verbunden, so daß Dehnungen des Körpers 3 zu einer Änderung der Elektrodenabstände führen. Ausnehmungen 12, die im elastischen Träger 2 jeweils unter den Randbereichen zweier gegenüberliegender Elektroden angebracht sind, verhindern, daß bei Dehnungen oder Stauchungen zu hohe Spannungen an den Rand bereichen der Elektroden 7, 8, 9 und 10 entstehen. Die Elek troden 7 und 9 sind höher angeordnet als die Elektroden 8 und 10. Dadurch können sie sich bei hohen Stauchungen des Körpers 3 an den Kanten übereinanderschieben, und es kommt nicht zur Zerstörung des Meßaufnehmers. Wenn die Elektroden 7 und 9 sowie die Elektroden 8 und 10 jeweils miteinander elek trisch verbunden sind, bilden die Elektroden einen Konden sator, dessen Kapazität die Summe der Einzelkapazitäten zwischen den Elektroden 7 und 8, 8 und 9 sowie 9 und 10 ist. Zur Messung der Dehnungen des Körpers 3 wird die Änderung der Gesamtkapazität des Meßaufnehmers auf z. B. aus der EP 03 54 386 A1 bekannte Weise erfaßt und ausgewertet. Die vielfachen Möglichkeiten hierzu sind an sich bekannt.

Claims

1. Meßaufnehmer für Längen- oder Abstandsänderungen, insbeson dere Dehnungen, mit einer Kondensatoranordnung mit in Abhän gigkeit von der Längen- oder Abstandsänderung zueinander ver stellbaren Elektroden, dadurch gekenn zeichnet,

- daß die Elektroden (1) auf einem elastischen Träger (2) befestigt sind, dessen Form den zu messenden Längen- oder Abstandsänderungen entsprechend gedehnt oder gestaucht wird.

2. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet,

- daß die Elektroden (1) streifenförmig ausgebildet sind und nebeneinanderliegen.

3. Meßaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Elektroden (1) Metallstreifen sind, die mit ihrer flachen Seite auf dem elastischen Träger (2) aufliegen.

4. Meßaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Elektroden (1) streifenförmig und aus einem Isolator mit hohem Elastizitätsmodul gebildet sind, der mindestens in den Randbereichen, die einer anderen Elektrode (1) gegen überliegen, mit einer elektrisch leitenden Schicht (4) versehen ist.

5. Meßaufnehmer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Elektroden (1) mit dem elastischen Träger (2) in einem in Dehnungsrichtung relativ kleinen Bereich fest verbunden sind und im übrigen gegenüber dem elastischen Träger (2) verschiebbar sind.

6. Meßaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet,

- daß der relativ kleine Bereich in der Elektrodenmitte liegt.

7. Meßaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß der elastische Träger (2) jeweils im Bereich zwischen den Elektroden (1) eine Ausnehmung (12) aufweist.

8. Meßaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Elektroden (7, 8, 9, 10) mit einer Isolationsschicht (11) überdeckt sind.

9. Meßaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß einander gegenüberliegende Kanten verschiedener Elek troden (7, 9; 8, 10) höhenversetzt sind.

10. Meßaufnehmer nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet,

- daß nebeneinanderliegende Elektroden (7, 8, 9, 10) höhen versetzt sind.

11. Meßaufnehmer nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet,

- daß die Elektroden (1) jeweils geneigt und schuppenartig übereinanderschiebbar sind.

12. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet,

- daß die Elektroden (1) in einem Abstand (x) hintereinander liegen, der mindestens so groß ist, daß sie sich bei der maximalen Längen- oder Abstandsverkürzung noch nicht be rühren.