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    公开号:WO1986001291A1
    申请号:PCT/DE1985/000266
    申请日:1985-08-07
    公开日:1986-02-27
    发明作者:Klaus Oppermann
    申请人:Klaus Oppermann；
    IPC主号:G01L1-00
    专利说明:
    [0001] Meßwertaufnehmer zum elektrischen Messen von Kräften, Drehmomenten, Beschleunigungen, Drücken und mechanischen Spannungen
    [0002] Die Erfindung betrifft einen Meßwertaufnehmer zum elektrischen Messen von Kräften, Drehmomenten, Beschleunigungen, Drücken und mechanischen Spannungen, die im Inneren des Meßwertaufnehmers in ein mechanisches Normalspannungsfeld und weiter in eine elektrische Widerstandsänderung umgewandelt werden, mit einem flächigen piezoresistiven Meßelement, dessen Widerstandsmaterial in Form mindestens einer Bahn mit Verbindungsstellen an den Bahnenden auf einem elektrisch isolierenden Trägerkörper angeordnet und mit diesem Stoffschlüssig verbunden ist, wobei das Meßelement rechtwinklig zum Normalspannungsfeld angeordnet ist, das von mindestens einem Übertragungskörper auf das Meßelement übertragen wird (DE-A-1932899).
    [0003] Derartige Meßwertaufnehmer, bei denen vorteilhafterweise der für die bekannten Meßwertaufnehmer mit Dehnungsmeßstreifen erforderliche Verformungskörper entfällt, können mit Vorteil insbesondere bei Meßaufgaben eingesetzt werden, bei denen nur eine sehr geringe Einbauhöhe zur Verfügung steht, wie z.B. bei dem Messen von Schraubenkräften. Hier soll der Aufnehmer die Form und die Abmessungen einer Unterlegscheibe haben. Ähnliche Anforderungen treten auch bei der Messung von Lagerkräften, Zerspankräften, Umformkräften, Fügekräften und Aufprallkräften auf. Kraftaufnehmer in Materialprüfmaschinen sollen eine möglichst geringe Bauhöhe aufweisen, damit die Länge des Maschinenrahmens verkürzt und somit die Gesamtsteifigkeit der Prüfmaschine gesteigert werden kann. Eine sehr geringe Bauhöhe der Aufnehmer ist ebenfalls erforderlich bei der Spannungsmessung in Beton, der Druckmessung in Hochstdruckanlagen und der Messung von Hochdruck-Schockwellen im Erdreich und von Explosionsund Detonationsdrücken in verschiedenen Medien. Bei allen dynamischen Meßaufgaben ist außerdem eine geringe Bauhöhe der
    [0004] Aufnehmer von großem Vorteil, da dadurch die Steifigkeit und damit die Eigenfrequenz des Aufnehmers vergrößert wird. Seit langem sind Meßverfahren zur Ermittlung hoher statischer Drücke bekannt, bei denen sich piezoresistive Meßelemente, z.B. aus Manganindraht, in Flüssigkeiten oder Festkörpern befinden (VDI-Berichte Nr. 93, VDI-Verlag 1966, Seiten 21 bis 24 und Zeitschrift "The Review of Scientific Instruments", Jahrgang 35 (1964), Seiten 989 bis 992). Die Änderung des elektrischen Widerstands des Meßelements ist hierbei ein Maß für den Druck. Zur Messung von Hochdruck-Schockwellen werden auch Meßelemente mit Widerstandsbahnen aus Manganin verwendet, die sich in oder zwischen Festkörpern befinden. Die Richtung der zu messenden mechanischen Spannungen ist dabei rechtwinklig zur Meßelementebene (Zeitschrift "ISA Transactions", Jahrgang 7 (1968), Seiten 223 bis 230). Zur Untersuchung von tribologischen Gleit- und Rollkontaktzonen bei Bauteilen des Maschinenbaus, wie z.B. Zahnrädern, Wälz- und Gleitlagern und Nocken-Stößel-Paarungen, werden direkt auf diese Bauteile Meßelemente mittels moderner Beschichtungsverfahren, z.B. Springstrahlverdampfung, aufgebracht. Derartige Meßelemente werden zum Messen des Druckverlaufs im Schmierspalt und zum Messen der Hertzschen Flächenpressung bei direkter Berührung eingesetzt (Zeitschrift "Konstruktion", Jahrgang 32 (1980), Heft 6, Seiten 241 bis 246).
    [0005] Bei der Messung hoher statischer Drücke - ungefähr ab 30 kbar wird als Druckübertragungsmedium ein Festkörper mit kleinem Schermodul wie Pyrophyllit oder Silberchlorid verwendet. Dennoch ergeben sich oft große Meßfehler, da der Festkörper nicht wie eine reibungsfreie Flüssigkeit wirkt und sich daher im Meßelement ein quasihydrostatischer Spannungszustand einstellt, der von Messung zu Messung unterschiedlich sein kann.
    [0006] Bei den Meßwertaufnehmern für Kraft und mechanische Spannung nach DE-A-1932899 ist bei der Ausführung mit sehr geringer Bauhöhe von großem Nachteil, daß die im Meßelement rechtwinklig zur Richtung des Normalspannungsfeldes auftretenden Querdehnungen große Meßfehler bewirken. Die Größe dieser Querdehnungen hängt ab von dem Querdehnungszustand an den Einleitungsflächen der Aufnehmer, der sich wegen der geringen Bauhöhe auch noch im piezoresistiven Meßelement auswirkt. Die an die Einleitungsflächen angrenzenden Bauteile oder Medien haben in der Regel unterschiedliche Gestalt und Werkstoffe und übertragen ihr Querdehnungsverhalten mittels Reibung auf die Einleitungsflächen der Meßwertaufnehmer. Dieses Querdehnungsverhalten kann nur in Ausnahmefällen bei der Kalibrierung der Meßwertaufnehmer berücksichtigt werden. Die Querdehnungen bewirken daher im Meßelement Widerstandsänderungen, die von Meßaufgabe zu Meßaufgabe unterschiedlich groß sind. Reibkraftschlüssige Querdehnungsbehinderungen an den Einleitungsflächen ergeben außerdem den sog. Hysteresefehler. So können z.B. bei einem Kraftaufnehmer die Querdehnungen im Meßelement bei derselben Kraft unterschiedlich sein, je nachdem ob der Kraftwert von höheren oder von niedrigeren Kraftwerten her angefahren wurde. Werden zum stoffschlüssigen Verbinden des Meßelements mit dem Übertragungskörper organische Bindemittel verwendet, so treten wegen des Kriechverhaltens dieser Bindemittel im Meßelement bei konstanter Belastung zeitabhängige Querdehnungen auf. Dies führt z.B. bei Kraftaufnehmern für statische und quasistatische Meßaufgaben zu einer Verschlechterung der Langzeitstabilität und damit zu einer Vergrößerung des sog. Kriechfehlers. Dieser Kriecheffekt wird überlagert durch Kriecherscheinungen der Werkstoffe des Trägerkörpers und des Übertragungskörpers und durch zeitabhängige Querdehnungsveränderungen an den Einleitungsflächen der Aufnehmer.
    [0007] Bei der Messung von Hertzschen Flächenpressungen, bei denen als Trägerkörper für das Meßelement das zu untersuchende Bauteil selbs t benutzt wird, z.B. die Zahnflanke eines Zahnrades, können Meßfehler dadurch auftreten, daß bei der eigentlichen Messung infolge von Mischreibungszuständen in der Kontaktzone die Querdehnungen der Zahnflanke andere sind als bei der zuvor durchgeführten Kalibrierung. Die Kalibrierung erfolgt üblicherweise durch Druckbeaufschlagung der Zahnflanke mit einer reibungsfreien Flüssigkeit.
    [0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei derartigen Meßwertaufnehmern - insbesondere mit sehr geringer Bauhöhe - die
    [0009] Meßgenauigkeit und die Langzeitstabilität durch Ausschalten von Störeinflüssen derart zu verbessern, daß sie sowohl bei dynamischen und quasistatischen als auch bei solchen statischen Meßaufgaben eingesetzt werden können, bei denen eine sehr große Genauigkeit gefordert ist, wie z.B. in der Wägetechnik und bei der Präzisionskraftmessung.
    [0010] Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Meßwertaufnehmer durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
    [0011] Ein Leiterbahnelement aus einem isotropen Werkstoff hat den elektrischen Widerstand
    [0012] Dabei ist
    der spezifische elektrische Widerstand, 1 die Länge, b die Breite und h die Höhe des Elements. Für die piezoresistiven Meßelemente werden Widerstandswerkstoffe verwendet, die im elastischen Bereich eine lineare Beziehung zwischen der mechanischen Beanspruchung und der elektrischen Widers tandsänderung aufweisen. Die relative Widerstandsänderung ist
    [0013]
    [0014] Die relative Änderung des spezifischen elektrischen Widerstands ist
    [0015] Hierbei sind π1 und πq piezoresistive Koeffizienten. Für die Werkstoffkonstante c gilt
    [0016] Unter der Voraussetzung, daß bei den für das piezoresistive Meßelement verwendeten Widerstandswerkstoffen die piezoresistiven Koeffizienten einander gleich sind, gilt
    [0017] c = π1 = πq
    [0018] In den VDI-Berichten Nr. 509, VDI-Verlag 1984, ist auf den Sei ten 79 bis 83 für diesen Fall die relative Widerstandsänderung eines Leiterbahnelements infolge einer zur Richtung des Stroms transversal einwirkenden Normalspannung
    hergeleitet.
    [0019]
    [0020] Hierin sind u, v und w die Abkürzungen
    [0021]
    [0022] E ist der Elastizitätsmodul und μ die Querkontraktionszahl des Leiterwerkstoffs.
    [0023] Da die Leiterbahnen des piezoresistiven Meßelements in einer Dünnschichtanordnung stoffschlüssig mit dem Trägerkörper verbunden sind, machen sie auch dessen Dehnungen vollständig mit.
    [0024] An den in Fig. 1a dargestellten Mustern, deren Bahnen sich unter einem rechten Winkel kreuzen, soll der Lösungsweg verdeutlicht werden. Betrachtet man ein Bahnelement im Muster M1 (Bahn 3), das in Richtung von εx vom Strom i durchflös
    sen wird und den Widerstand R1 hat, so ist wegen und
    [0025] u + (εx+εy).(c.v+w)+(εx-εy)
    [0026] Für das darüberliegende Bahnelement im Muster M2 (Bahn 5), das in Richtung von εy vom Strom i durchflössen wird und den Widerstand R2 hat, folgt wegen und

    [0027] u + (εy+εx).(c.v+w)+(εy-εx)
    [0028] Wählt man R1 = R2 = R und schaltet z.B. beide Bahnelemente bzw. beide Muster in Reihe, dann wird die Widerstandsänderung beider Bahnelemente
    [0029] · u + (εχ+εy)·(c·v+w)
    [0030] Das Kreuzungsmuster und die Reihenschaltung der Bahnelemente bewirken also, daß die Terme, die die Differenz der orthogonalen Dehnungen ε x und εy beinhalten, verschwinden.
    [0031] Soll nun aber die Widerstandsänderung vollständig unabhängig von den örtlichen Dehnungen εχ, ε y des Trägerkörpers sein, so muß auch der zweite Term in der letzten Gleichung, der die Summe der Dehnungen beinhaltet, zu Null werden. Es muß deshalb
    [0032] c · v + w = 0
    [0033] erfüllt sein. Dies ist dann der Fall, wenn die Werkstoffkonstante c den Wert
    [0034] c = - (Bedingungsgleichung)
    annimmt.
    [0035] Die Änderung des elektrischen Widerstands eines Leiters unter allseitigem Druck wird durch den sog. DIruckkoeffizienten αp des elektrischen Widerstands angegeben.
    [0036] = αp·p
    [0037] Mit dieser Beziehung folgt unter Beachtung von
    = -p und
    (1-2μ) aus der Gleichung für die relative Widerstandsänderung eines Leiterbahnelements
    [0038] αp = (1-3c).
    [0039] Mit der Bsdingungsgleichung für die Werkstoffkonstante c wird
    [0040] Damit die Dehnungen des Trägerkörpers im piezoresistiven Meßelement überhaupt keine störenden Widerstandsänderungen mehr hervorrufen können, müssen also für die Widerstandsschichten Werkstoffe verwendet werden, deren Druckkoeffizient des elektrischen Widerstands gleich dem Wert (1+μ)/E ist, wobei E der Elastizitätsmodul und μ die Querkontraktionszahl des Widerstandsmaterials sind.
    [0041] Bei den hier in Betracht kommenden Werkstoffen liegt der Elastizitätsmodul E bei ca. 1,3 . 105 N/mm2 und die Querkontraktionszahl μ bei ca. 1/3. Damit erhält man für den Druckkoeffizienten des elektrischen Widerstands etwa + 1 . 10-6/bar. Werkstoffe mit diesem Wert des Druckkoeffizienten findet man in den VDI-Berichten Nr. 93, VDI-Verlag 1966, Seiten 21 bis 24.
    [0042] Um sicherzustellen, daß alle Muster der übereinanderliegenden Widerstandsschichten die Dehnungen des Trägerkörpers vollständig mitmachen, wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß die Dünnschichtanordnung mit dem Verfahren der Kathodenzerstäubung auf den Trägerkörper aufgebracht und mit diesem stoffschlüssig verbunden wird. Hiermit lassen sich sehr dünne Schichten sehr gut haftend aufbringen, deren Verformungswiderstand gegenüber den vom Trägerkörper aufgezwungenen Dehnungen vernachlässigbar klein ist.
    [0043] Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Isolierschichten auf dem Trägerkörper und zwischen den übereinanderliegenden Mustern der Widerstandsschichten aus einem anorganischen Werkstoff, wie z.B. Al2O3 oder SiO2, bestehen.
    [0044] In Weiterführung des Erfindungsgedankens kann ein störender Einfluß des Summenterms der beiden Dehnungen des Trägerkörpers auf die Widerstandsänderung des Meßelements dadurch vermieden werden, daß für die Widerstandsschichten eine KupferMangan-Legierung mit etwa 0,3 bis 1 Atomprozent Mangan oder eine Silber-Mangan-Legierung mit etwa 2 bis 3 Atomprozent Mangan oder eine Gold-Chrom-Legierung mit etwa 2 Atomprozent Chrom verwendet wird.
    [0045] In einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes wird ein störender Einfluß des Differenzterms der beiden Dehnungen des Trägerkörpers auf die Widerstandsänderung des Meßelements dadurch vermieden, daß an den Kreuzungsstellen der Bahnen von zwei projizierten Mustern die Tangenten der Mittellinien der Bahnen einen Winkel von vorzugsweise 90° bilden und daß in noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung - jeweils zwei Muster der übereinanderliegenden Widerstandsschichten elektrisch in Reihe geschaltet sind und den Widerstand in einem Zweig einer Brückenschaltung bilden.
    [0046] Zur Kompensation von Störeinflüssen wird in einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß ein dem piezoresistiven Meßelement entsprechendes piezoresistives Kompensationselement als Widerstand einer das Meßelement und das Kompensationselement enthaltenden Brückenschaltung vorgesehen ist. Hierbei ist das Kompensationselement auf einer Fläche desselben
    [0047] Trägerkörpers wie das Meßelement angeordnet, die jedoch von dem Normalspannungsfeld frei ist.
    [0048] Um Temperatureinflüsse auf das Meßsignal auszuschalten, wird in einer Weiterbildung des Anmeldungsgegenstands vorgeschlagen, daß die Muster, die dem Normalspannungsfeld ausgesetzt sind, den Meßelementwiderstand in einem Zweig einer Vollbrückenschaltung und die Muster, die frei von dem Normalspannungsfeld sind, den Kompensationselementwiderstand in dem benachbarten Zweig der Vollbrückenschaltung bilden. Wird der Widerstand für das
    [0049] Meßelement und das Kompensationselement gleich groß gewählt, so sind die temperaturbedingten Widerstandsänderungen in beiden Zweigen der Vollbrückenschaltung gleich groß und heben sich in ihrer Wirkung auf das Meßsignal auf. Um bei gleicher Größe der Normalspannung die Größe des Meßsignals im Vergleich zu der oben genannten Brückenschaltung zu verdoppeln und dabei ebenfalls Temperatureinflüsse auf das Meßsignal auszuschalten, wird nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß von der Anzahl der Muster, die dem Normalspannungsfeld ausgesetzt sind, die eine Hälfte in einem Zweig einer Vollbrückenschaltung und die andere Hälfte in dem dazu diametral gelegenen Zweig je einen Meßelementwiderstand bildet und daß von der Anzahl der Muster, die frei von dem Normalspannungsfeld sind, die eine Hälfte in einem weiteren Zweig der Vollbrückenschaltung und die andere Hälfte in dem dazu diametral gelegenen Zweig je einen Kompensationselementwiderstand bildet. Sind für das Meßelement und das Kompensationselement z.B. jeweils zwei übereinanderliegende Muster mit gleich grossem Widerstand vorhanden, deren Projektion in Richtung der Flächennormale ein Kreuzungsmuster bildet, so wird jeweils ein Muster in einem Zweig und das darüberliegende Muster in dem diametral gelegenen Zweig der Vollbrücke verschaltet. Die Verschaltung der Muster sowohl für das Meßelement als auch für das Kompensationselement in diametralen Zweigen der Vollbrücke verhindert eine Auswirkung des Differenzgliedes der beiden orthogonalen Dehnungen auf das Meßsignal, da sich hierbei gleich große Widerstandsänderungen mit entgegengesetzten Vorzeichen in ihrer Wirkung auf das Meßsignal aufheben.
    [0050] Damit zur Senkung der Herstellungskosten die gleichzeitige Herstellung von zwei Widerstandsschichten in einem Beschichtungsprozeß erfolgen kann, wird nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß eine der zwischen den Widerstandsschichten befindlichen Isolierschichten der elektrisch isolierende Trägerkörper selbst ist.
    [0051] Es wird in einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes vorgeschlagen, daß der isolierende Trägerkörper entweder vollständig aus Isoliermaterial, z.B. Oxidkeramik, oder aus einer beidseitig mit Isolierschichten beschichteten Metallfolie oder -platte besteht. 1 4-1 1 « φ rH J-4 4-1 rd to J-l Φ ß 1 ra ra cd φ 4- rß 0 φ φ rß Φ ß ß ra M 1 •H 1 1 I
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    [0087] In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die vom Meßelement und vom Kompensationselement jeweils bedeckten Flächen des Trägerkörpers im wesentlichen gleich sind. Dadurch wird kapazitive Symmetrie beim Meßelement und beim Kompensationselement erreicht, was von Vorteil bei einer Speisung der Brückenschaltung mit Trägerfrequenzwechselspannung ist.
    [0088] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Meßwertaufnehmer vielfältig überall dort eingesetzt werden kann, wo nur eine sehr geringe Einbauhöhe für den Aufnehmer zur Verfügung steht und sehr kleine Fehlergrenzen tirid sehr gute Langzeitstabilität erforderlich sind.
    [0089] Als besonderer Vorteil erscheint, daß anstatt teurer kriecharmer Werkstoffe, wie z.B. hochlegierte Vergütungsstähle, auch billige Werkstoffe für den Trägerkörper und den Übertragungskörper verwendet werden können, da sich zeitunabhängige und zeitabhängige Querdehnungen der Körper nicht im Meßsignal auswirken. Auch temperaturbedingte Änderungen der Abmessungen der Körper sowohl infolge der Wärmeausdehung als auch infolge der Änderung der Elastizitätsmoduli der Werkstoffe führen zu keiner das Meßsignal beinträchtigenden Widers tandsänderung bei dem Meßelement und dem Kompensationselement. Bei der Gestaltung und der Werkstoffwahl für die Einleitungskörper zur Einleitung der zu messenden Größe in die Meßwertaufnehmer ist man frei. Weiter können beliebige Medien auf den Meßwertaufnehmer einwirken, auch solche mit großer innerer Reibung, da sich unterschiedliche Querdehnungen an den Einleitungsflächen der Meßwertaufnehmer ebenfalls nicht im Meßsignal auswirken.
    [0090] Die Fehlergrenzen der Meßwertaufnehmer sind so klein, daß Präzisionsmessungen möglich sind, die insbesondere in der Wägetechnik gefordert sind.
    [0091] Die Erfindung läßt sich für Kraft-, Drehmoment-,Beschleunigungsund Spannungsaufnehmer gleichermaßen gut einsetzen; sie wird anhand von 6 Figuren, die verschiedene Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigt
    [0092] Fig. 1 in perspektivischer Darstellung, teilweise explodiert und aufgebrochen, einen Kraftaufnehmer mit stoffschlüssig auf dem Trägerkörper angeordneten Mustern, wobei zum Verdeutlichen des Erfindungsgedankens die Bahnen der Muster sehr schmal und die Isolierschichten sehr dick dargestellt sind,
    [0093] Fig. 1a einen Ausschnitt der übereinanderliegenden Muster des piezoresistiven Meßelements aus Fig. 1 mit Lupendarstellung einer Kreuzungsstelle zweier Bahnen, bei der - aus Gründen der Übersichtlichkeit - die Isolierschichten in der Lupendarstellung weggelassen sind,
    [0094] Fig. 1b die mit den Mustern geschaltete halbe Vollbrücke im Schaltbild,
    [0095] Fig. 1c die mit den Mustern von Meßelement und Kompensationselement geschaltete ganze Vollbrücke im Schaltbild,
    [0096] Fig. 2 einen ringförmigen Kraftaufnehmer im Längsschnitt, Fig. 3 einen Schnitt gemäß Linie AA durch Fig. 2,
    [0097] Fig. 4 einen Ausschnitt aus einem Spannungssensor,
    [0098] Fig. 4a eine Variante zu Fig. 4,
    [0099] Fig. 5 einen Druck- oder Spannungsaufnehmer, der vollständig von dem Medium, in dem er messen soll, umgeben ist und
    [0100] Fig. 6 einen Ausschnitt aus einem Universalaufnehmer für Kraft, Drehmoment, Beschleunigung, Druck und mechanische Spannung.
    [0101] Der in Fig. 1 gezeigte Kraftaufnehmer besteht aus dem Trägerkörper 1 mit der Dünnschichtanordnung 2, M1, M3 , 9, M2, M4, 10
    [0102] 11 und dem Übertragungskörper 12. Der Trägerkörper 1 ist mit der Isolierschicht 2 beschichtet, auf der sich die das piezoresistive Meßelement bildenden Muster M1 und M2 und die das Kompensationselement bildenden Muster M3 und M4 und die zwischen den Mustern M1 und M2 bzw. M3 und M4 angeordnete Isolierschicht 9 befindet. Stoffschlüssig auf dem Muster M2 befindet sich eine
    [0103] Isolierschicht, die aus einer Schicht 10 aus einem anorganischen Werkstoff und einer Zwischenschicht 11 aus einem organischen Werkstoff besteht. Die Schicht 11 verbindet die Schicht 10 Stoffschlüssig mit dem Übertragungskörper 12, an dem mit beliebiger Kraftverteilung Fj die zu messende Kraft F angreift. Es ist F = F1+...+Fj+...+Fn. Der Übertragungskörper 12 wandelt die Kraftverteilung Fj in ein Normalspannungsfeld
    um, das mittels der Schichten 10 und 11 auf das Meßelement übertragen wird.
    [0104] Der in Fig. 1a dargestellte Ausschnitt aus dem Meßelement zeigt die Bahnen 3 und 5 der Muster M1 und M2, die in Richtung der Flächennormale N1 ein Kreuzungsmuster bilden. In der Lupendarstellung sind in jeder Bahn die viereckigen Flächenelemente 13 zu erkennen, die durch die Projektionen der Bahnen 3 und 5 aufeinander - in Richtung der Flächennormale N1 - entstehen. Die in Richtung der Flächennormale N1 von dem Übertragungskörper 12 und den Schichten 10 und 11 auf die Kreuzungsstelle übertragene
    [0105] Normalspannung
    ist auf beiden Flächenelementen 13 gleich groß, da die Schichten sehr dünn sind. Die Spannung
    wirkt senkrecht zur Richtung des Stromes i. Die Flächenelemente 13 machen die örtlichen Dehnungen εx und εy des Trägerkörpers 1 vollständig mit. Werden die betrachteten Bahnelemente der Bahnen 3 und 5 z.B. in einem Zweig einer Brückenschaltung in Reihe geschaltet, so können ihre durch die Dehnungsdifferenz (εx -εy )verursachten Widerstandsänderungen dR3 und dR5 vollständig kompensiert werden. Hierzu ist Voraussetzung, daß ihre Widerstände R3 und R5 gleich groß sind. Dies wird auch bei unterschiedlichem ohmschen Flächenwiderstand der Muster M1 und M2 dadurch erreicht, daß z.B. durch Wahl der Bahnbreite b der Bahn 5 die Länge 1 des Flächenelements 13 in der Bahn 3 festgelegt wird. Mit R3 = R5 wird dR3 = -dR5, da dR3 = (εχ-εy)·B3 und dR5 = (εy-εx)·R5 sind.
    [0106] Aus dem Schaltbild in Fig. 1b erkennt man, daß die Muster M1 und M2 in einem Zweig einer Brückenschaltung in Reihe geschaltet sind und den Meßelementwiderstand 17 bilden. In dem Muster M1 befindet sich eine Vielzahl von Bahnelementen der Bahnen 3, die alle einer unterschiedlichen örtlichen Normalspannung
    und einem unterschiedlichen örtlichen Dehnungspaar εx , εy ausgesetzt sein können. Da an den Kreuzungsstellen jedem Bahnelement im Muster M1 ein in Richtung der Flächennormale N1 örtlich zugeordnetes Bahnelement der Bahnen 5 im Muster M2 entspricht, kann auch hier eine vollständige Kompensation der durch die Differenz (εx-εy) der örtlichen Dehnungspaare in den Bahnen 3 und 5 verursachten Widerstandsänderungen erreicht werden. Die gleiche Kompensation ist auch für die im benachbarten Brückenzweig angeordneten Muster M3 und M4 des Kόmpensationselements möglich, die den örtlich verschiedenen Dehnungspaaren ε 1, ε2 ausgesetzt sind. Die Muster M3 und M4 sind in Reihe geschaltet und bilden den Kompensationselementwiderstand 18. Die Widerstände 22 sind externe Ergänzungswiderstände der Brückenschaltung.
    [0107] Aus dem Schaltbild in Fig. 1c erkennt man, daß die Muster M1 und M2 bzw. M3 und M4 diametral in einer Vollbrücke geschaltet sind. Auch hier ist eine vollständige Kompensation der durch die örtlichen Differenzen (εx- εy) bzw. (ε1-ε2) hervorgerufenen
    [0108] Widerstandsänderungen möglich. Da diese Widerstandsänderungen im Muster M1 und im Muster M2 gleich groß, aber von entgegengesetztem Vorzeichen sind, bewirken sie am Meßinstrument 23 keine Veränderung. Die hierbei durch die Widerstandsänderungen hervorgerufene Stromänderung in den Brückenzweigen kann vernachlässigt werden, da dR sehr viel kleiner als R ist. Die gleiche Betrachtung gilt auch für die Muster M3 und M4. Da die
    [0109] Muster M1 und M2 diametral geschaltet, aber durch die Normalspannung gleichsinnig beansprucht sind, erhält man gegenüber
    der Schaltung in Fig. 1b vorteilhafterweise ein doppelt so großes Meßsignal.
    [0110] Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel stellt einen ringförmigen Kraftaufnehmer dar, auf dessen Übertragungskörper 12 die zu messende Kraft F mit in radialer und in Umfangsrichtung beliebiger Kraftverteiluπg Fj einwirkt.
    [0111] In Fig. 3 ist der Verlauf der kreisförmigen Bahnen 5 in Umfangsrichtung und der Verlauf der geraden Bahnen 3 in radialer
    [0112] Richtung zu sehen. An den Kreuzungsstellen der Bahnen 3 und 5 kreuzt die Tangente 14 der Mittellinie der Bahn 5 die Tangente
    [0113] 15 der Mittellinie der Bahn 3 unter dem rechten Winkel 16. In diesem Fall fällt die Mittellinie der Bahn 3 mit der Tangente
    [0114] 15 zusammen. Es entsteht durch Projektion in beiden Bahnen das schraffierte Flächenelement 13, auf das die örtliche Normalspannung
    und das örtliche Dehnungspaar εx, εy einwirken. Die außerhalb des Normalspannungsbereichs angeordneten Verbindungsstellen 4 der Bahnen 3 sind mit einer sehr niederohmigen Verstärkungsschicht 19, z.B. Gold, versehen. Hierdurch wird der Flächenwiderstand der Verbindungsstelle gegenüber dem der Bahn 3 wesentlich verkleinert. Dadurch werden Empfindlichkeitsverluste beim Meßelement infolge der Verbindungsstellen weitgehend vermieden.
    [0115] In Fig. 4 ist als Ausführungsbeispiel ein Spannungssensor gezeigt, bei dem der Trägerkörper 1 als Metallfolie ausgebildet und beidseitig mit der Isolierschicht 2 beschichtet ist. Der Trägerkörper übernimmt hier die Funktion der Isolierschicht 9 zwischen den Mustern M1 und M2. Auf den Mustern M1 und M2 befindet sich die Isolierschicht 10, die aus einem anorganischen Werkstoff besteht. Der Sensor befindet sich mit der Zwischenschicht 11 auf dem Bauteil 24, z.B. dem Flansch eines Verbrennungsmotorgehäuses. Die Schicht 11 besteht aus einem organischen Werkstoff, der Unebenheiten und Rauheiten der Bauteiloberfläche ausgleicht. Die Spannung
    wird durch das Medium 20, z.B. die Dichtmasse der Zylinderkopfdichtung eines Verbrennungsmotors, auf den Sensor übertragen. Das Medium 20 übernimmt hier die Funktion der Zwischenschicht 11 und des Übertragungskörpers 12. Die Muster M3 und M4 des Kompensationselements (nicht dargestellt) sind frei von dem Medium 20. In Fig. 4a ist eine Variante der in Fig. 4 gezeigten Ausführung dargestellt. Der Trägerkörper 1 besteht hierbei vollständig aus Isoliermaterial.
    [0116] Das in Fig. 5 gezeigte Ausführungsbeispiel stellt einen Druckoder Spannungsaufnehmer dar, der vollständig von dem Medium 20 umgeben ist, in dem er den Druck oder die Spannung messen soll. Das Medium 20 kann hierbei z.B. eine Hydraulikflüssigkeit, Gummi, Beton oder Erdreich sein. Das Kompensationselement ist auf einer Fläche des Trägerkörpers 1 angebracht, die senkrecht zu derjenigen Fläche ist, auf der das Meßelemenx angeordnet ist. Die Fläche des Trägerkörpers, auf der die Muster (M3, M4) für das Kompensationselement angeordnet sind, wird durch die druckdichte Schutzkapsel 21 von der Einwirkung des Normalspannungsfeldes abgeschirmt. Die Schutzkapsel kann hierbei z.B. durch Löten oder Schweißen druckdicht mit dem Trägerkörper verbunden sein und druckdichte Glasdurchführungen für die elektrischen Anschlüsse der Muster M3 und M4 beinhalten.
    [0117] In Fig. 6 ist als Ausführungsbeispiel ein Universalaufnehmer für Kraft, Drehmoment, Beschleunigung, Druck und mechanische Spannung gezeigt, bei dem die vom Meßelement und vom Kompensationselement jeweils bedeckten Flächen des Trägerkörpers 1 in der gleichen Ebene liegen. Die dem Meßelement zugewandte Fläche des Übertragungskörpers 12 weist die flächigen Vertiefungen 25 auf, die einem zugeordneten Kompensationselement gegenüberliegen. Dadurch wird das Kompensationselement von dem Normalspannungsfeld
    freigehalten. Die von den Mustern M1, M2 des Meßelements und von den Mustern M3, M4 des Kompensationselements jeweils bedeckten Flächen des Trägerkörpers sind im wesentlichen gleich groß. Dies ist von Vorteil bei der Speisung der Brückenschaltung mit Wechselspannung, da dadurch die kapazitiven Einflüsse beim Meßelement und beim Kompensationselement gleich groß sind und sich in ihrer Wirkung auf das Meßsignal kompensieren.
    权利要求:
    Claims P a t e n t a n s p r ü c h e
    1. Meßwertaufnehmer zum elektrischen Messen von Kräften, Drehmomenten, Beschleunigungen, Drücken und mechanischen Spannungen, die im Inneren des Meßwertaufnehmers in ein mechanisches Normalspannungsfeld und weiter in eine elektrische Widerstandsänderung umgewandelt werden, mit einem flächigen piezoresistiven Meßelement, dessen Widerstandsmaterial in Form mindestens einer Bahn mit Verbindungsstellen an den Bahnenden auf einem elektrisch isolierenden Trägerkörper angeordnet und mit diesem stoffschlüssig verbunden ist, wobei das Meßelement rechtwinklig zum Normalspannungsfeld angeordnet ist, das von mindestens einem übertragungs körper auf das Meßelement übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement in Richtung des Normalspannungsfeldes aus mindestens zwei übereinanderliegenden Widerstandsschichten mit einer zwischen diesen befindlichen Isolierschicht (9) besteht, daß jede Widerstandsschicht aus mindestens einem flächenhaften Muster (M1, M2) besteht, wobei die Projektion der Muster von zwei unmittelbar übereinanderliegenden Schichten in Richtung des Normalspannungsfeldes ein Kreuzungsmuster bildet und dadurch in jeder Bahn der beiden Muster Flächenelemente (13 ) gleichen Flächeninhalts gebildet v/erden, die jeweils beide orthogonalen Dehnungen (εx, εy) des Trägerkörpers (1) vollständig mitmachen, daß die Muster zu Widerständen einer Brückenschaltung verbunden sind und der elektrische Strom (i) in dem einen Muster (M1) in Richtung der einen Dehnung (εx) und in dem darüberliegenden Muster (M2) in Richtung der anderen Dehnung (εy) fließt.
    2. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffkonstante (c) des Widerstandsmaterials derart gewählt ist, daß die Widerstandsänderung des piezoresistiven Meßelements infolge des zu messenden Normalspannungsfeldes weitσehend unbeeinflußt bleibt von einer mechanischen Beanspruchung des Meßelements infolge der Dehnungen (εx, εy) des Trägerkörpers (1).
    3. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffkonstante c anhand der Querkontraktionszahl μ des Widerstandsmaterials bestimmt wird.
    4. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffkonstante c aus c= - μ/ (1 -2μ) bestimmt und damit der Druckkoeffizient αp des elektrischen Widerstandes ermittelt wird.
    5. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß αp= (1-μ)/E gewählt wird, wobei E der Elastizitätsmodul des Widerstandsmaterials ist.
    6. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation von Störeinflüssen ein dem piezoresistiven Meßelement entsprechendes piezoresistives Kompensationselement als Widerstand einer das Meßelement und das Kompensationselement enthaltenden Brückenschaltung vorgesehen ist, wobei dar, Kompensationseloment auf einer Fläche desselben Trägnrkörpers wie das Meßelement angeordnet ist, die jedoch von dem Normalspannungsfeld frei ist.
    7. Meßwertaufnchmer nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, daß die vom Moßelemcnt und vom Kompensationselement jeweils bedeckten Flächen des Trägerkörpers im wesentlichen gleich groß sind.
    8. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Meßelement und vom Kompensationselement jeweils bedeckten Flächen des Trägerkörpers in der gleichen Ebene liegen.
    9. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Meßelement zugewandte Fläche des übertragungskörpers (12) mit mindestens einer flächigen Vertiefung(25)versehen ist, die einem zugeordneten Kompensationselement gegenüberliegt.
    10. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationselement gegenüber der Einwirkung des Normalspannungsfeldes abgeschirmt ist.
    11. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationselement auf einer Fläche des Trägerkörpers angebracht ist, die senkrecht zu derjenigen Fläche ist, auf der das Meßelement angeordnet ist.
    12. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoresistive Meßelement und das piezoresistive Kompensationselement eine mittels Kathodenzerstäubung auf dem Trägerkörper (1) aufgebrachte und mit diesem stoffschlüssig verbundene Dünnschichtanordnung ist.
    13. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschichten auf dem Trägerkörper und ggf. zwischen den übereinanderliegenden Mustern aus einem anorganischen Werkstoff, wie z.B. Al2O3 oder SiO2 bestehen.
    14. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Widerstandsschichten eine Kupfer-Mangan-Legierung mit ca. 0,3 bis 1 Atom-% Mangan oder eine Silber-Mangan-Legierung mit ca. 2 bis
    3 Atom-% Mangan oder eine Gold-Chrom-Legierung mit etwa 2 Atom-% Chrom verwendet wird.
    15. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die einzelnen Widerstandsschichten jeweils unterschiedliche Werkstoffe verwendet werden.
    16. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die viereckigen Flächenelemente (13) in jeder Bahn von zwei projizierten Mustern bezogen auf die Stromrichtung - ein solches Verhältnis von Länge (1) zu Breite (b) aufweisen, daß das Produkt aus dem ohmschen Flächenwiderstand (Quadratwiderstand) der jeweiligen Widerstandsschicht und diesem Verhältnis in beiden Mustern gleich ist.
    17. Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kreuzungsstellen der Bahnen von zwei projizierten Mustern (M1, M2 bzw. M3,M4) die Tangenten (14,15) der Mittellinien der Bahnen einen Winkel (16) von 90º bilden.
    18. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Muster der übereinanderliegenden Widerstandsschichten in einem Zweig der Brückenschaltung elektrisch in Reihe geschaltet sind.
    19. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die das Meßelement bildenden Muster in dem einen Zweig und die das Kompensationselement bildenden Muster in dem benachbarten Zweig einer Vollbrükkenschaltung angeordnet sind.
    20. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 6 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Hälfte der Muster des Meßelements in dem einen Zweig und die andere Hälfte der Muster des Meßelements in dem dazu diametral gelegenen Zweig, die eine Hälfte der Muster des Kompensationselements in einem weiteren Zweig und die andere Hälfte der Muster des Kompensationselements in dem dazu diametral gelegenen Zweig einer Vollbrückenschaltung angeordnet sind.
    21. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstellen (4,6) an den Enden der Bahnen (3,5) der Muster des Meßelements auf dem Trägerkörper (1) so angeordnet sind, daß sie nicht dem Normalspannungsfeld ausgesetzt sind.
    22. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstellen (4,6,7,8) an den Bahnenden der Muster (M1,M2;M3,M4) einen wesentlich kleineren ohmschen Flächenwiderstand als die Bahnen (3,5) aufweisen.
    23. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstellen (4,6,7,8) durch Aufbringen von Schichten oder durch Bonden von Drahtbrükken aus Werkstoffen mit hoher Leitfähigkeit wesentlich verkleinert ist.
    24. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine der zwischen den Mustern befindlichen Isolierschiςhten (9) der mit der Isolierschicht (2) versehene Trägerkörper (1) ist.
    25. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (1) aus Isoliermaterial, z.B. Oxidkeramik, besteht.
    26. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (1) aus einer Metallfolie oder -platte besteht, die beidseitig mit Isolierschichten (2) beschichtet ist.
    27. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem obersten Muster
    (M2) des Meßelements und dem Übertragungskörper (12) eine Isolierschicht (10) angeordnet ist.
    28. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (10) aus anorganischem Werkstoff besteht.
    29. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Übertragungskörper (12) und der Isolierschicht (10) eine Zwischenschicht (11) aus einem organischen Werkstoff angeordnet ist.
    30. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (11) das oberste Muster (M2) des Meßelements mit dem Übertragungskörper (12) stoffschlüssig verbindet.
    31. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (11) der Übertragunskörper (12) ist.
    32. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (1) ein Bauteil einer Maschine, einer tribologischen Untersuchungseinrichtung, eines Behälters, eines Rohres oder einer Armatur ist.
    33. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungskörper (12) ein die Kraft, das Drehmoment, die Beschleunigung, den Druck oder die mechanische Spannung in den Meßwertaufnehmer einleitendes Medium (20) ist.
    34. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungskörper (12) ein die Kraft, das Drehmoment, die Beschleunigung, den Druck oder die mechanische Spannung in den Meßwertaufnehmer einleitender Einleitungskörper ist.
    35. Meßwertaufnehmer zum elektrischen Messen von Kräften, Dehmomenten, Beschleunigungen, Drücken und mechanischen Spannungen, die im Inneren des Meßwertaufnehmers in ein mechanisches Normalspannungsfeld und weiter in eine elektrische Widerstandsänderung umgewandelt werden, mit einem flächigen piezoresistiven Meßelement, dessen Widerstandsmaterial in Form mindestens einer Bahn mit Verbindungsstellen an den Bahnenden auf einem elektrisch isolierenden Trägerkörper angeordnet und mit diesem Stoffschlüssig verbunden ist, wobei das Meßelement rechtwinklig zum Normalspannungsfeld angeordnet ist, das von mindestens einem Übertragungskörper auf das Meßelement übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffkonstante (c) des Widerstandsmaterials derart gewählt ist, daß die Widerstandsänderung des piezoresistiven Meßelements infolge des zu messenden Normalsoannunosfeldes weitgehend unbeeinflußt bleibt von einer mechanischen Beanspruchung des Meßelements infolge Dehnungen (εx ,εy) des Trägerkörpers (1).
    36. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffkonstante c aus der Querkontraktionszahl μ des Widerstandsmaterials bestimmt wird.
    37. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffkonstante c aus c = -μ /(1-2μ) bestimmt und damit der Druckkoeffizient αp des elektrischen Widerstandes ermittelt wird.
    38. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß αp = (1-μ )/E gewählt wird, wobei E der Elast izitätsmodul der Widerstandsmaterials ist.
    39. Meßwertaufnehmer zum.elektrischen Messen von Kräften, Drehmomenten, Beschleunigungen, Drücken und mechanischen Spannungen, die im Inneren des Meßwertaufnehmers in ein mechanisches Normalspannungsfeld und weiter in eine elektrische Widerstandsänderung umgewandelt werden, mit einem flächigen piezoresistiven Meßelement, dessen Widerstandsmaterial in Form mindestens einer Bahn mit Verbindungsstellen an den Bahnenden auf einem elektrisch isolierenden Trägerkörper angeordnet und mit diesem Stoffschlüssig verbunden ist, wobei das Meßelement rechtwinklig zum Normalspannungsfeld angeordnet ist, das von mindestens einem Ubertragungskörper auf das Meßelement übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation von Störeinflüssen ein dem piezoresistiven Meßelement entsprechendes piezoresistives Kompensationselement als Widerstand einer das Meßelement und das Kompensationselement enthaltenden Brückenschaltung vorgesehen ist, wobei das Kompensationselement auf einer Fläche desselben Trägerkörpers wie das Meßelement angeordnet ist, die jedoch von dem Normalspannungsfeld frei ist.
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    法律状态:
    1986-02-27| AK| Designated states|Designated state(s): JP KR US |
    1986-02-27| AL| Designated countries for regional patents|Designated state(s): AT BE CH DE FR GB IT LU NL SE |
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