DE4012829C2 - Vorrichtung zur mehrdimensionalen Kraftmessung und daraus abgeleiteten Größen durch Meßwertaufnahme mittels elektrischer Sensoren, z. B. Dehnungsmeßstreifen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur mehr­ dimensionalen Kraftmessung und daraus abgeleiteten Größen durch Meßwertaufnahme mittels elektrischer Senso­ ren, z. B. Dehnungsmeßstreifen, piezoelektrischer Ele­ mente od. dgl., wobei in einem starren Rahmen vier Membranstege kreuzförmig angeordnet sind, auf denen min­ destens jeweils zwei elektrische Sensoren angeordnet sind, deren Anschlüsse in Brückenschaltungen miteinander verbunden sind, wobei im Zentrum des Rahmens eine Ein­ richtung, beispielsweise eine Nabe, zur dreidimensiona­ len Kraftaufnahme angeordnet ist.

In der US-PS 4 448 083 ist eine Vorrichtung zur mehr­ dimensionalen Kraftmessung beschrieben, bei der inner­ halb eines kreisförmigen Rahmens eine Nabe mit vier Ste­ gen von etwa quadratischem Querschnitt angeordnet ist. Auf den vier Stegen sitzen auf jeder Seite der Flächen der Stege jeweils zwei elektrische Sensoren, so daß sich pro Steg acht Sensoren ergeben und für die gesamte Vor­ richtung somit zweiunddreißig Sensoren benötigt werden. Durch die besonderen Brückenschaltungen ergibt sich, daß beim Zusammenschalten aller zweiunddreißig Sensoren ein verhältnismäßig kompliziertes elektrisches und elektro­ nisches Gebilde entsteht, das verhältnismäßig teuer in der Herstellung ist.

Die US-PS 4 849 730 betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur mehrdimensionalen Kraftaufnahme, bei der eine Nabe innerhalb eines rechteckförmigen Rahmens über Stege an­ geordnet ist. Bei dieser Vorrichtung sind auf jedem Steg zwei Sensoren mit Abstand voneinander nebeneinander an­ geordnet, wobei auf jedem Steg auch zwischen den beiden Sensoren je ein weiterer Sensor angeordnet ist. Eine be­ sondere Art der Verschaltung der Sensoren untereinander ergibt sich aus dieser Druckschrift nicht.

Die US-PS 4 862 751 betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur Kraftaufnahme, bei der im Hohlraum zweier über Kreuz angeordneter Stege ein Sensor angeordnet ist, wobei auf den Stegen eine Vielzahl von Sensoren vorgesehen ist, deren Verschaltung jedoch nicht angegeben ist.

Die DE-PS 32 38 951 betrifft einen Kraftaufnehmer zur eindimensionalen Kraftaufnahme, bei dem an Biegestegen Dehnungsmeßstreifen vorgesehen sind.

Mit den vorbekannten Vorrichtungen ist es entweder nur möglich, eine eindimensionale Kraftmessung oder Kraft­ aufnahme durchzuführen, oder die Vorrichtungen sind ver­ hältnismäßig kompliziert aufgebaut und erfordern teuere Meßeinrichtungen, wenn eine dreidimensionale Kraftauf­ nahme durchgeführt werden soll.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei ausgezeichneter Genauigkeit eine Kraftmessung durch mehrdimensionale Kraftaufnahme bei einfacher Aus­ führung der Vorrichtung ermöglicht, wobei durch eine be­ sondere Art der Zusammenschaltung und Anordnung der Sen­ soren ein genaues Ergebnis mit weniger Sensorelementen erzielt wird.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß auf der Vorderseite der beiden diametral einander gegenüberliegenden, flachen Stege je zwei elektrische Sensoren nebeneinander angeordnet sind, deren gegenüberliegende Anschlüsse durch Leitungen direkt miteinander und deren gegenüberliegende andere Anschlüsse durch Leitungen über Kreuz miteinander ver­ bunden sind, und daß auf der Vorderseite der beiden dia­ metral gegenüberliegenden, flachen Stege je zwei elek­ trische Sensoren diametral hintereinander angeordnet sind, deren eine Anschlüsse über Leitungen miteinander und deren andere Anschlüsse über Leitungen vom radial innenliegenden zum radial außenliegenden Sensor verbun­ den sind.

Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird der wesent­ liche Vorteil erzielt, daß durch die innerhalb des Rah­ mens angeordneten Stege und die Verschaltung der darauf angeordneten Sensoren im allgemeinen nur zwölf Sensoren benötigt werden. Die Sensoren können mit allen modernen Technologien aufgebracht werden, da für sie immer nur eine ebene Fläche erforderlich ist. Dies bringt den Vor­ teil mit sich, daß durch maschinelle Fertigung eine we­ sentlich höhere Präzision auch bei Massenfertigung er­ reichbar ist. Der Fertigungsaufwand reduziert sich beim Aufbringen der Sensoren im günstigsten Fall auf nur einen Arbeitsgang, wobei sich die Baugröße erheblich miniaturisieren läßt. Da sich die technische Fertigung nur auf ein sehr einfaches Teil reduziert, wird eine sehr gute Robustheit und Lebensdauer mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung erreicht.

In den Unteransprüchen sind wertvolle Bereicherungen des Gegenstandes des Anspruches 1 angegeben, wobei sich der Anspruch 2 auf die Anordnung der Sensoren auf der Rück­ seite von zwei diametral gegenüberliegenden, flachen Stegen und ihre Verschaltung bezieht.

Der Anspruch 3 betrifft die Anordnung der Sensoren in einem Winkel von 45° zur Stegachse, um Messungen von Torsions- oder Drehmomenten durchführen zu können.

Anhand der Zeichnungen soll am Beispiel einer bevorzug­ ten Ausführungsform die Vorrichtung gemäß der Erfindung näher erläutert werden.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungs­ form der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt gemäß der Linie A-A von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Brücken­ schaltung der elektrischen Sensoren, insbeson­ dere der Dehnungsmeßstreifen.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Brücken­ schaltung von elektrischen Sensoren, die auf der Rückseite von zwei Stegen angeordnet sind.

Wie sich aus den Figuren der Zeichnungen ergibt, besteht die Vorrichtung gemäß der Erfindung beispielsweise aus einem hohlzylinder- und kreisförmigen Rahmen 1, der Boh­ rungen 2 zur Befestigung an beliebigen Gegenständen oder zur Befestigung von Abdeckungen, eines Überlastungsschut­ zes od. dgl. aufweist.

Im Inneren des Rahmens 1 sind je zwei diametral gegen­ überliegende, flache Stege 3, 4 bzw. 5, 6 angeordnet, die im Zentrum mit einer Nabe 7 verbunden sind. Die Nabe 7 ist beliebig ausgebildet und dient als Einrichtung zur Aufnahme der Krafteinwirkung.

Auf der Vorderseite der beiden diametral gegenüberlie­ genden Stege 3, 4 sind je zwei elektrische Sensoren 8, 9 bzw. 10, 11, beispielsweise Dehnungsmeßstreifen, neben­ einander angeordnet.

Auf der Vorderseite der beiden anderen diametral gegen­ überliegenden Stege 5, 6 sind je zwei elektrische Sen­ soren 12, 13 bzw. 14, 15 diametral hintereinander ange­ ordnet.

Auf der Rückseite und gegebenenfalls auch auf der Vorder­ seite der beiden Stege 5, 6 können nochmals je zwei elek­ trische Sensoren 16, 17 bzw. 18, 19 nebeneinander angeord­ net sein.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sind die vier Sensoren 8, 9 und 10, 11 in der Weise zu einer Brückenschaltung ver­ einigt, daß die gegenüberliegenden Anschlüsse über zwei Leitungen 20, 21 verbunden sind. Die anderen An­ schlüsse sind über Leitungen 22, 23, die über Kreuz ver­ laufen, miteinander verbunden.

Die Sensoren 12, 13 und 14, 15 sind in der Weise mitein­ ander verbunden, daß die einen Anschlüsse über Leitungen 24, 25 direkt miteinander verbunden sind, während die anderen Anschlüsse jeweils über Leitungen 26, 27 vom ra­ dial innenliegenden zum radial außenliegenden Sensor verbunden sind.

Die auf der Rückseite der Stege 5, 6 nebeneinander ange­ ordneten elektrischen Sensoren 16, 17 bzw. 18, 19 sind in gleicher Weise zu einer Brückenschaltung geschaltet, wie die Sensoren 8, 9 bzw. 10, 11.

Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird der wesent­ liche Vorteil erreicht, daß durch die besondere Anord­ nung der elektrischen Sensoren, wie Dehnungsmeßstreifen, piezoelektrische Elemente od. dgl., eine sehr genaue, dreidimensionale Kraftaufnahme und -messung durch Wei­ terleitung an ein Auswertegerät über die Brückenschal­ tungen möglich ist.

Selbstverständlich bleibt die Vorrichtung nicht auf die dargestellte, kreisrunde Ausführungsform beschränkt. Es sind vielmehr beliebige Formen und Größen der Rahmen und der Kraftaufnahmeeinrichtung möglich. Sie können bei der Verwendung als mikroelektrische Bauteile sehr klein ausgebildet werden.

Es ist auch möglich, die Sensoren in einem Winkel von 45° zur Stegachse anzuordnen, um Torsions- oder Drehmomente zu messen.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur mehrdimensionalen Kraftmessung und daraus abgeleiteten Größen durch Meßwertaufnahme mittels elektrischer Sensoren, z. B. Dehnungsmeß­ streifen, piezoelektrischer Elemente od. dgl., wo­ bei in einem starren Rahmen vier Membranstege kreuzförmig angeordnet sind, auf denen mindestens jeweils zwei elektrische Sensoren angeordnet sind, deren Anschlüsse in Brückenschaltungen miteinander verbunden sind, wobei im Zentrum des Rahmens eine Einrichtung, beispielsweise eine Nabe, zur drei­ dimensionalen Kraftaufnahme angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Vorderseite der beiden diametral einander gegenüberliegenden, flachen Ste­ ge (3, 4) je zwei elektrische Sensoren (8, 9 bzw. 10, 11) nebeneinander angeordnet sind, deren gegen­ überliegende Anschlüsse durch Leitungen (20, 21) direkt miteinander und deren gegenüberliegende an­ dere Anschlüsse durch Leitungen (22, 23) über Kreuz miteinander verbunden sind, und daß auf der Vorder­ seite der beiden diametral gegenüberliegenden, fla­ chen Stege (5, 6) je zwei elektrische Sensoren (12, 13 bzw. 14, 15) diametral hintereinander angeordnet sind, deren eine Anschlüsse über Leitungen (24, 25) miteinander und deren andere Anschlüsse über Lei­ tungen (26, 27) vom radial innenliegenden zum ra­ dial außenliegenden Sensor verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß auf der Rückseite der beiden diametral ge­ genüberliegenden, flachen Stege (5, 6) je zwei elektrische Sensoren (16, 17 bzw. 18, 19) nebenein­ ander angeordnet sind, deren gegenüberliegende eine Anschlüsse direkt miteinander und deren gegenüber­ liegende andere Anschlüsse über Kreuz miteinander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Messung von Torsions- oder Dreh­ momenten die Sensoren in einem Winkel von 45° zur Stegachse angeordnet sind.