DE68903402T2

DE68903402T2 - Dehnungsmesser.

Info

Publication number: DE68903402T2
Application number: DE8989301588T
Authority: DE
Inventors: Masaaki C O Patent Div Kikuchi; Masao C O Patent Divisio Obama
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-02-19
Filing date: 1989-02-17
Publication date: 1993-04-08
Anticipated expiration: 2009-02-18
Also published as: US4920806A; JPH01212301A; EP0329479A2; EP0329479A3; DE68903402D1; EP0329479B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dehnungsmesser zum Erfassen bzw. Messen einer auf ein Bauelement ausgeübten Belastung und der dadurch im Bauelement hervorgerufenen deformierenden Spannung bzw. Beanspruchung oder Dehnung, wenn das Bauelement durch die ausgeübte Belastung elastisch verformt wird.
Wenn ein Bauelement mit einer Belastung beaufschlagt und dadurch in ihm durch die ausgeübte Belastung eine Beanspruchung (Dehnung) hervorgerufen wird, wird diese Belastung oder Beanspruchung mittels verschiedener Arten von Dehnungsmessern gemessen. Ein derartiger Dehnungsmesser ist von einem Metallwiderstandstyp, der einen Metallwiderstand aufweist. Dieser ist in Fig. 5-1 von Mechanical Measurements (zweite Auflage) von Sirohi, R.S. und H.C. Radha Krishna, herausgegeben von John Wiley & Sons, 1983, S. 76 - 88, dargestellt.
Wenn die ausgeübte Belastung oder die dabei durch die Belastung hervorgerufene Beanspruchung (oder Dehnung) gemessen werden soll, wird der Dehnungsmesser dieser Art mit dem Bauelement (klebend) verbunden. Der Widerstandswert des Metallwiderstands ändert sich in Abhängigkeit von der ausgeübten Belastung, wobei ein diese Änderung des Widerstandswerts repräsentierendes Detektions- bzw. Meßsignal ausgegeben wird. Auf diese Weise wird die Belastung gemessen, und die Beanspruchung (strain) wird aus der gemessenen Belastung ermittelt, weil die Beanspruchung der Belastung proportional ist. Der Dehnungsmesser dieser Art wird im Vergleich zu anderen Arten häufiger eingesetzt, weil seine Handhabbarkeit vergleichsweise einfacher und seine Zuverlässigkeit vergleichsweise höher sind.
Der Dehnungsmesser dieser Art besitzt jedoch eine vergleichsweise geringere Meßempfindlichkeit. Zur Verbesserung seiner Meßempfindlichkeit werden zeitweilig zwei Maßnahmen angewandt.
Wenn die Steifigkeit des Bauelements ziemlich groß ist, besteht die erste angewandte Maßnahme in einer Erhöhung des Gewinns bzw. Verstärkungsgrads des Meßsignals. Wenn der Verstärkungsgrad des Meßsignals auf diese Weise erhöht wird, wird jedoch das Signal/Rauschenverhältnis bzw. der Rauschabstand des Meßsignals niedrig.
Wenn die durch den Arm eines Arbeitsautomaten, als Bauelement, erzeugte Antriebskraft oder eine auf den Arm des Arbeitsautomaten ausgeübte Belastung gemessen werden soll, besteht die zweite angewandte Maßnahme darin, die Steifigkeit des Abschnitts des Arms, mit welchem der Dehnungsmesser verbunden ist, verhältnismäßig klein einzustellen. Der Abschnitt des Arms, mit dem der Dehnungsmesser verbunden ist, kann somit unter Änderung des Meßsignals in einem großen Maß elastisch verformt werden. Die Meßempfindlichkeit des Dehnungsmessers kann entsprechend verbessert werden. Wenn die Steifheit des Arms niedrig eingestellt wird, verschlechtert sich jedoch sein Ansprechverhalten.
Dies führt zu dem Schluß, daß die beiden, für die Verbesserung der Meßempfindlichkeit des Dehnungsmessers angewandten Maßnahmen nicht zu bevorzugen sind.
Der Dehnungsmesser, dessen Meßempfindlichkeit vergleichsweise höher ist, ist vom Halbleitertyp. Beim Dehnungsmesser vom Halbleitertyp ändert sich jedoch dessen Meßcharakteristik oder -kennlinie mit einer Änderung seiner Temperatur. Sofern seine Temperatur nicht in einem bestimmten Bereich gehalten wird, ist daher das von ihm ausgegebene bzw. gelieferte Meßsignal nicht korrekt. Dieser Dehnungsmesser besitzt eine geringe Zuverlässigkeit oder Verläßlichkeit aufgrund der Möglichkeit, daß Meßfehler eingeführt werden. Außerdem ist seine Handhabung umständlich, weil seine Temperatur geregelt werden muß. Darüber hinaus ist es schwierig, eine komplementäre Temperaturkompensation unter Verwendung von zwei bis vier Meßgeräten vorzunehmen, weil die temperaturabhängige charakteristische Änderungsrate von Meßgerät zu Meßgerät verschieden ist. Dies ist der Grund dafür, weshalb der Dehnungsmesser dieser Art kaum benutzt wird.
Es besteht also ein Bedarf nach einem Dehnungsmesser, der höhere Meßempfindlichkeit und Zuverlässigkeit aufweist und sich einfacher handhaben läßt.
Wir anerkennen, daß FR-A-1104645 einen Induktions-Dehnungsmesser unter Verwendung von Spulen, die um ein Joch aus einem Magnetostriktionseffekt-Magnetmaterial herumgewickelt sind, offenbart, wie dies im Oberbegriff von Anspruch 1 gewürdigt ist. Es ist auch aus der einen magnetostriktiven Dehnungsmesser beschreibenden Veröffentlichung SENSORS & ACTUATORS, Band 12, Nr. 4, November/Dezember 1987; Lausanne (CH), Wun-Fogle et al.: "Sensitive, wide frequency range magnetostrictive strain gage", S. 323 - 331, bekannt, ein last- oder belastungsangebendes Meßsignal aus der Gesamtinduktivität zweier dem magnetostriktiven Material an Biegebalken zugeordneter Spulen abzuleiten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Dehnungsmessers, der einen einfacheren Aufbau aufweist, höhere Meßempfindlichkeit und Zuverlässigkeit bietet und einfacher handzuhaben ist.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Dehnungsmesser gemäß dem beigefügten Anspruch 1 geschaffen.
Die Dehnungsmesser gemäß der vorliegenden Erfindung benötigen nur zwei Plattenelemente und zwei auf eines der Plattenelemente aufgedruckte Spulen. Infolgedessen können sie sehr einfach ausgebildet und äußerst dünn sein.
Wie noch näher beschrieben werden wird, kann der Dehnungsmesser einen Dehnungs- oder K-Faktor (oder Index der Meßempfindlichkeit) von 120 - 250 aufweisen, was darauf hindeutet, daß die Meßempfindlichkeit des Dehnungsmessers verhältnismäßig hoch ist.
Auch wenn sich die Temperatur der amorphen magnetischen Metallplatte ändert, ändert sich im Fall dieses Dehnungsmessers ihr(e) magnetostriktive(r) Effekt oder Wirkung nicht. Auch wenn die Temperatur des Dehnungsmessers nicht innerhalb eines bestimmten Bereichs gehalten wird, kann daher das ausgegebene Meßsignal korrekt sein. Der Dehnungsmesser besitzt insofern hohe Zuverlässigkeit, als er nahezu keine Möglichkeit für die Einführung von Fehlern bei der Messung einer ausgeübten Belastung oder der durch die Belastung verursachten Beanspruchung (Dehnung) aufweist. Er kann auch sehr einfach gehandhabt werden, weil seine Temperatur nicht geregelt zu werden braucht. Tatsächlich wird sich die Induktivität mit der Temperatur geringfügig verändern, weil sich die magnetische Permeabilität mit der Temperatur geringfügig ändert. Eine Temperaturkompensation kann jedoch einfach mittels eines Differentialsystems, das z.B. zwei Meßgeräte verwendet, vorgenommen werden.
Wie sich aus obigem ergibt, weist der Dehnungsmesser gemäß der vorliegenden Erfindung bei einfacherem Aufbau eine höhere Meßempfindlichkeit und größere Zuverlässigkeit auf, und er läßt sich einfacher handhaben.
Ein besseres Verständnis dieser Erfindung ergibt sich aus der folgenden genauen Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines ersten Beispiels des Dehnungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Vorderansicht des Dehnungsmessers nach Fig. 1,
Fig. 3 eine detailliertere Vorderansicht der Anordnung nach Fig. 2 zur Erläuterung der Funktion des Dehnungsmessers nach Fig. 1,
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer auf eine amorphe magnetische Metallplatte des Dehnungsmessers ausgeübten (added) Zug- oder Druckkraft und der Änderung der magnetischen Permeabilität der amorphen magnetischen Metallplatte,
Fig. 5 zwei mit einem Bauelement (klebend) verbundene Dehnungsmesser zum Messen einer auf das Bauelement ausgeübten Belastung oder der im Bauelement durch die ausgeübte Belastung verursachten Beanspruchung (Dehnung),
Fig. 6 ein Schaltbild (einer Schaltung) zum Verarbeiten eines Meßsignals, das die sich ändernde zusammengesetzte oder Gesamtinduktivität paariger Spulen im Dehnungsmesser repräsentiert,
Fig. 7 eine Darstellung zur Veranschaulichung, wie eine Zug- oder Druckkraft auf ein Bauelement ausgeübt (added) wird, wenn das Bauelement durch die ausgeübte Belastung elastisch verformt wird,
Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem von der Signalverarbeitungsschaltung nach Fig. 6 ausgegebenen bzw. gelieferten Signal (oder der Potentialdifferenz) und der auf das Bauelement ausgeübten Belastung,
Fig. 9 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines zweiten Beispiels des Dehnungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 10 eine Vorderansicht des Dehnungsmessers nach Fig. 9,
Fig. 11 eine detailliertere Vorderansicht der Anordnung nach Fig. 10 zur Verdeutlichung der Funktion des Dehnungsmessers nach Fig. 9,
Fig. 12 eine Vorderansicht eines Teils (oder eines Substrats und zweier Spulenpaare) eines dritten Beispiels des Dehnungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 13 eine Aufsicht auf einen Teil (oder ein Substrat und zwei Spulenpaare) des Dehnungsmessers nach Fig. 12,
Fig. 14 eine Schnittansicht eines vierten Beispiels des Dehnungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 15 eine detailliertere Schnittansicht der Anordnung nach Fig. 14 zur Erläuterung der Funktion des Dehnungsmessers nach Fig. 14,
Fig. 16 eine Schnittansicht eines fünften Beispiels des Dehnungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung und
Fig. 17 eine detailliertere Schnittansicht der Anordnung nach Fig. 16 zur Erläuterung der Funktion des Dehnungsmessers nach Fig. 16.
Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen ein erstes Beispiel des Dehnungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Dehnungsmesser 1 umfaßt ein Spulensubstrat 11 mit Flexibilität und Isolierfähigkeit, eine mit der Unterseite des Spulensubstrats 11 (klebend) verbundene dünne Isolierschicht 12, eine mit der Unterseite der Isolierschicht 12 verbundene amorphe magnetische Metallplatte 13 und eine mit der Oberseite des Spulensubstrats 11 verbundene Isolierschicht 14.
Das Spulensubstrat 11 besteht aus Mylar und ist als Rechteck mit zwei Langselten und zwei kurzen Seiten geformt. Es ist 0,03 mm dick; seine kurze Seite (oder Breite) ist z.B. 12 mm lang, während seine Langseite (oder Länge) 30 mm beträgt.
Zwei Spulen 16-1 und 16-2 sind auf die Oberseite des Substrats 11 aufgedruckt. Mit anderen Worten: die beiden gedruckten Drähte bzw. Leiter verlaufen auf der Oberseite des Substrats 11 spiralig in gleicher Richtung und bilden paarige Spulen 16-1 und 16-2, die auf der Oberseite des Substrats 11 in dessen Längsrichtung angeordnet sind.
Auf die Oberseite des Substrats 11 sind außerdem Anschlüsse oder Klemmen 17-1 und 17-2 aufgedruckt. Jeder der gedruckten Leiter, durch welche die Spulen 16-1 und 16-2 geformt sind, weist ein am äußersten Ende der Spirale angeordnetes Ende und ein anderes, am innersten Ende der Spirale angeordnetes Ende auf. Das äußerste Ende des gedruckten Leiters oder der Spule 16-1 ist über einen auf die Oberseite des Substrats 12 aufgedruckten Verbindungsdraht oder -leiter 18-1 mit dem Anschluß 17-1 verbunden. Das äußerste Ende des aufgedruckten Leiters oder der Spule 16-2 ist ebenfalls über einen auf die Oberseite des Substrats 11 aufgedruckten Verbindungsleiter 18-2 mit dem Anschluß 17-2 verbunden. Ein zweiter Verbindungsdraht oder -leiter 19 ist auf der Unterseite des Substrats 11 aufgedruckt. Die beiden Enden dieses aufgedruckten Verbindungsleiters 19 sind mit den innersten Enden der durch das Substrat 11 hindurch verlaufenden gedruckten Leiter oder Spulen 16-1 und 16-2 verbunden. Die paarigen Spulen 16-1 und 16-2 sind auf diese Weise miteinander in Reihe geschaltet. Wenn an die Spulen 16-1 und 16-2 ein Strom oder ein wechselndes Signal angelegt wird, erzeugen die Spulen daher einander entgegengesetzt gerichtete Magnetflüsse.
Isolierschichten (oder auch -folien) 12 und 14 bestehen aus Isolierpapier oder makromolekularer Folie und sind jeweils rechteckig mit zwei Langseiten und zwei kurzen Seiten geformt. Die kurze Seite jeder dieser Isolierschichten 12 und 14 besitzt die gleiche Länge wie das Spulensubstrat 11, während ihre Langseite eine solche Länge besitzt, daß sie die beiden Spulen 16-1 und 16-2 zu überlappen vermag, aber kürzer ist als die Länge des Substrats. Sie sind beispielsweise 0,03 mm dick.
Die amorphe magnetische Metallplatte (oder das -band) 13 ist rechteckig mit zwei Langseiten und zwei kurzen Seiten geformt. Die kurze Seite der magnetischen Metallplatte 13 besitzt dieselbe Länge wie das Substrat, während ihre Langseite eine solche Länge besitzt, daß sie die beiden Spulen 16-1 und 16-2 überlappen kann, aber kürzer ist als die Länge des Substrats. Die amorphe magnetische Metallplatte 13 besteht z.B. aus (Fe1-cCox) &sub7;&sub8;Si&sub8;B&sub1;&sub4; und ist beispielsweise 30 um dick.
Die amorphe magnetische Metallplatte 13 besitzt einen magnetostriktiven Effekt, was bedeutet, daß sich die magnetische Permeabilität der amorphen magnetischen Metallplatte 13 deutlich ändert, wenn eine Zug- oder Druckkraft auf die amorphe magnetische Metallplatte 13 ausgeübt wird. Insbesondere wird die magnetische Permeabilität klein, wenn die amorphe magnetische Metallplatte 13 mit einer Zugkraft beaufschlagt wird, während sie groß wird, wenn eine Druckkraft auf die Platte 13 ausgeübt wird. Die amorphe magnetische Metallplatte 13 wird oder ist einer magnetischen Anisotropiebehandlung in der Weise unterworfen, daß die Längsrichtung der amorphen magnetischen Metallplatte 13 (oder die Ausrichtungsrichtung der Spulen 16-1 und 16-2 auf der Oberseite des Substrats 11) die Richtung der leichten Magnetisierung der amorphen magnetischen Metallplatte 13 unter einem vorbestimmten Winkel von z.B. 45º trifft.
Die Funktion bzw. Wirkungsweise dieses Dehnungsmessers ist nachstehend anhand der Fig. 3 und 4 erläutert.
Wenn Strom oder ein Wechselsignal (Wechselspannungssignal) über die Anschlüsse 17-1 und 17-2 an die Spulen 16-1 bzw. 16-2 angelegt wird, erzeugen die Spulen 16-1 bzw. 16-2 zueinander entgegengesetzt gerichtete Magnetflüsse. Die durch die Spulen 16-1 und 16-2 erzeugten Magnetflüsse bilden somit, wie durch Pfeile in Fig. 3 gezeigt, einen geschlossenen Magnetkreis. Der größte Teil des durch eine dieser Spulen erzeugten Magnetflusses koppelt an die andere Spule an, während er die amorphe magnetische Metallplatte 13 in deren Längsrichtung passiert.
Wenn eine auf ein Meßobjekt ausgeübte Belastung oder eine im Meßobjekt durch die ausgeübte Belastung verursachte Beanspruchung (Dehnung) gemessen werden soll, wird der Dehnungsmesser 1 (klebend) mit dem Objekt verbunden. Wenn das Objekt mit der Belastung beaufschlagt und durch die ausgeübte Belastung im Objekt eine Beanspruchung hervorgerufen wird, wirkt eine Zug- oder Druckkraft auf die amorphe magnetische Metallplatte 13 des Dehnungsmessers in der Längsrichtung der Plate 13 ein. Wenn eine Zugkraft auf die amorphe magnetische Metallplatte 13 ausgeübt wird, wird deren magnetische Permeabilität klein, während bei Ausübung einer Druckkraft auf sie ihre magnetische Permeabilität groß wird, wie dies aus Fig. 4 hervorgeht. Die Dichte des durch die amorphe magnetische Metallplatte 13 verlaufenden Magnetflusses oder -felds ändert sich in Abhängigkeit von der sich ändernden magnetischen Permeabilität der Platte 13. Die zusammengesetzte oder Gesamtinduktivität der Spulen 16-1 und 16-2 ändert sich in Abhängigkeit von der sich ändernden Dichte des Magnetflusses. Die Größe der Änderung dieser Gesamtinduktivität entspricht daher der auf das Objekt ausgeübten Belastung sowie der auf die Platte 13 wirkenden Zug- oder Druckkraft. Wenn der Dehnungsmesser 1 ein Meßsignal liefert, welches die sich ändernde Gesamtinduktivität repräsentiert, und dieses Meßsignal verarbeitet wird, kann demzufolge die ausgeübte oder einwirkende Belastung gemessen werden. Die Beanspruchung (Dehnung) kann anhand der ausgeübten Belastung berechnet werden, weil die Beanspruchung der Belastung proportional ist.
Im folgenden ist anhand der Fig. 5 und 6 ein Beispiel beschrieben, bei dem ein Bauelement P durch eine Last W elastisch verformt und die im Bauelement P durch die ausgeübte Belastung W hervorgerufene Beanspruchung (Dehnung oder auch mechanische Spannung) gemessen werden soll. Die Vorrichtung zum Messen der ausgeübten Belastung oder der durch die ausgeübte Belastung hervorgerufenen Beanspruchung umfaßt zwei der oben beschriebenen Dehnungsmesser und eine Schaltung zum Verarbeiten des von den beiden Dehnungsmessern gelieferten Meßsignals.
Gemäß Fig. 5 sind zwei Dehnungsmesser 1-1 und 1-2 mit Ober- bzw. Unterseite des Bauelements P (klebend) verbunden. Eine amorphe magnetische Metallplatte 13 jedes Dehnungsmessers kontaktiert dabei das Bauelement P, wobei die Längsrichtung der Metallplatte 13 mit der waagerechten Achse des Bauelements P ausgerichtet ist, während sie senkrecht zur Richtung der ausgeübten Belastung W liegt.
Bei einer möglichen Signalverarbeitungssignal umfaßt eine Brückenschaltung oder ein Brückenkreis 33 zwei Widerstände 31 und 32, zwei Spulen 16-1 und 16-2 des Dehnungsmessers 1-1 sowie zwei weitere Spulen 16-1 und 16-2 des Dehnungsmessers 1-2. Im Fall dieser Brückenschaltung 33 ist eine Wechselsignalquelle 34 zwischen einen Anschluß 25, der zwischen den Widerständen 31 und 32 liegt, und einen Anschluß 26, der zwischen den Dehnungsmessern 1-1 und 1-2 liegt, geschaltet. Dabei werden nämlich wechselnde Signale (Wechselspannungssignale) einer bestimmte Amplitude von der Wechselsignalquelle 34 der Schaltung zwischen den Anschlüssen 25 und 26 zugespeist. Weiterhin ist ein Differentialverstärker 35 zwischen dem Anschluß 27 zwischen dem Widerstand 31 und dem Dehnungsmesser 1-1 sowie dem Anschluß 28 zwischen dem Widerstand 32 und dem Dehnungsmesser 1-2 angeschlossen. Die Potentialdifferenz zwischen den mittleren Punkten bzw. Knotenpunkten der Brückenschaltung 33 (oder die Potentialdifferenz zwischen den Anschlüssen 27 und 28) wird dem Differentialverstärker 35 eingespeist und durch diesen verstärkt. Das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 35 wird einem Phasendetektorkreis 36 eingespeist und durch diesen detektiert oder erfaßt und gleichgerichtet, und zwar in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen dem von der Wechselsignalguelle 34 zugespeisten Signal und dem eingegebenen Ausgangssignal. Das Ausgangssignal dieses Phasendetektorkreises 36 wird durch einen Filterkreis 37 egalisiert (flattened) zwecks Lieferung einer Ausgangsgleichspannung Vo oder eines Ausgangssignals. Diese Ausgangsgleichspannung Vo entspricht, wie noch näher beschrieben werden wird, der Größe der Änderung der Gesamtinduktivität in den Spulen des Dehnungsmessers (oder der Last W).
Im folgenden ist die Funktionsweise der mit den Dehnungsmessern und der Signalverarbeitungsschaltung ausgestatteten Vorrichtung beschrieben.
Wenn auf das Bauelement P eine Belastung W ausgeübt und das Bauelement P durch die ausgeübte oder einwirkende Belastung W elastisch verformt wird, wie in Fig. 7 gezeigt, wirkt eine der Belastung W entsprechende Zugkraft F auf die amorphe magnetische Metallplatte 13 des Dehnungsmessers 1-1 ein. Infolgedessen wird die magnetische Permeabilität der Platte 13 klein. Die zusammengesetzte oder Gesamtinduktivität der Spulen 16-1 und 16-2 des Dehnungsmessers 1-1 wird somit kleiner als vor der Einwirkung der Belastung W auf das Bauelement P.
Andererseits wirkt eine Druckkraft -F entsprechend der Belastung W auf die amorphe magnetische Metallplatte 13 des anderen Dehnungsmessers 1-2 ein, wenn das Bauelement P durch die Belastung W elastisch verformt wird. Infolgedessen wird die magnetische Permeabilität der Platte 13 groß. Die Gesamtinduktivität der Spulen 16-1 und 16-2 des Dehnungsmessers 1-2 wird daher größer als vor der Ausübung der Belastung W auf das Bauelement P.
Wenn die Belastung W auf das Bauelement P einwirkt, entspricht die Potentialdifferenz zwischen Mittelpunkten oder Knotenpunkten der Brückenschaltung 33 der Änderungsgröße der Gesamtinduktivität in den beiden paarigen Spulen der paarigen Dehnungsmesser (oder der Last W), vorausgesetzt, daß die Potentialdifferenz auf Null gesetzt ist, wenn das Bauelement P von der Belastung W befreit ist. Diese Potentialdifferenz wird als Ausgangssignal dem Filterkreis 37 über den Differentialverstärker 35 und den Phasendetektorkreis 36 zugespeist und als Ausgangssignal oder Ausgangsgleichspannung Vo abgenommen. Gemäß Fig. 8 ist daher dieses Ausgangssignal bzw. diese Ausgangsgleichspannung Vo der Belastung W proportional. Wenn die Ausgangsgleichspannung Vo gemessen wird, kann daher die Belastung W und auch die durch die Belastung W hervorgerufene Beanspruchung gemessen werden.
Nachstehend sind mit dem ersten Beispiel des Dehnungsmessers erhaltene Testergebnisse dargestellt.
Der den Empfindlichkeitsindex des Dehnungsmessers repräsentierende Dehnungs- oder K-Faktor wird zur Bewertung oder Auswertung der gewonnenen Testergebnisse benutzt. Im Falle des Dehnungsmessers des Metallwiderstandstyps kann der Dehnungs- oder K-Faktor durch (ΔR/R) / Δl/l) gebildet werden, wobei (ΔR/R) das Änderungsverhältnis des elektrischen Widerstands und (Δl/l) die Beanspruchung (Dehnung) bedeuten. Im Fall des Dehnungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Dehnungs- oder K-Faktor durch (ΔL/L) / Δl/l) gebildet werden, wobei (ΔL/L) das Änderungsverhältnis der Gesamtinduktivität der Spulen bedeutet. Wenn dieser Dehnungs- oder K-Faktor größer wird, wird auch die (Ansprech-)Empfindlichkeit des Dehnungsmessers höher.
Der für den Test benutzte Dehnungsmesser ist nachstehend beschrieben. Die amorphe magnetische Metallplatte 13 besitzt eine Dicke von 0,03 mm; der Abstand zwischen der amorphen magnetischen Metallplatte 13 und der Isolierschicht (oder -folie) 14 beträgt 0,14 mm; jede der Spulen 16-1 und 16-2 weist 30 Windungen auf, und der Abstand zwischen den Zentren der paarigen Spulen 16-1 und 16-2 beträgt 10 mm.
Wenn im oben beschriebenen Zustand eine Beanspruchung von 400 x 10&supmin;&sup6; auf die amorphe magnetische Metallplatte 13 in deren Längsrichtung ausgeübt wurde, zeigte die zusammengesetzte oder Gesamtinduktivität der Spulen 16-1 und 16-2 eine Änderung von mehr als 5 %. Wenn diese Größe gegen den Dehnungs- oder K-Faktor geändert bzw. in diesen umgesetzt wird, beträgt sie mehr als 125. Im Gegensatz dazu beträgt der Dehnungs- oder KFaktor im Fall des herkömmlichen Dehnungsmessers vom Metallwiderstandstyp etwa 2. Die Empfindlichkeit des ersten Beispiels des Dehnungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Vergleich zu derjenigen des herkömmlichen Dehnungsmessers des Metallwiderstandstyps deutlich höher.
Der Dehnungs- oder K-Faktor beträgt 100 - 120 im Fall des Dehnungsmessers vom Halbleitertyp und entspricht im wesentlichen dem beim ersten Beispiel des Dehnungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Fall des Dehnungsmessers vom Halbleitertyp ändert sich jedoch dessen Meßcharakteristik oder -kennlinie mit Änderungen seiner Temperatur. Das von ihm gelieferte Meßsignal kann nicht korrekt bzw. richtig sein, sofern nicht seine Temperatur in einem bestimmten Bereich gehalten wird. Seine Zuverlässigkeit ist mangelhaft, weil Meßfehler auftreten können. Darüber hinaus ist seine Handhabung umständlich, weil seine Temperatur geregelt werden muß. Im Fall des Dehnungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung ändert sich dagegen der magnetostriktive Effekt der amorphen magnetischen Metallplatte 13 auch dann nicht, wenn sich die Temperatur der Platte 13 ändert. Ein Signal kann auch dann einwandfrei erfaßt oder abgegriffen werden, wenn die Temperatur des Dehnungsmessers nicht im bestimmten Bereich gehalten wird. Infolgedessen besitzt der Dehnungsmesser gemäß der vorliegenden Erfindung eine höhere Zuverlässigkeit oder Verläßlichkeit, weil kein Meßfehler eingeführt wird, und seine Handhabung ist einfacher, weil seine Temperatur nicht geregelt zu werden braucht.
Weiterhin umfaßt der Dehnungsmesser 1 das Substrat 11, die amorphe magnetische Metallplatte 13, die Isolierplatten oder -schichten 12 und 14 sowie die auf das Substrat 11 aufgedruckten Spulen 16-1 und 16-2. Der Dehnungsmesser 1 kann daher einen ganz beträchtlich einfacheren Aufbau aufweisen und auch ganz beträchlich dünner ausgelegt sein.
Die Fig. 9 bis 11 veranschaulichen ein zweites Beispiel des Dehnungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung. Während beim ersten (oben beschriebenen) Dehnungsmesser eine amorphe magnetische Metallplatte 13 nur an der Oberseite des Substrats 11 angebracht ist, sind im Fall des zweiten Dehnungsmessers zwei amorphe magnetische Metallplatten 13 an Ober- und Unterseite des Substrats 11 angebracht. Durch Spulen 16-1 und 16-2 erzeugte Magnetflüsse oder -felder verlaufen durch paarige bzw. paarweise angeordnete amorphe magnetische Metallplatten 13 in deren Längsrichtung, wie dies durch Pfeile 21 in Fig. 11 angedeutet ist. Das Verhältnis des Magnetflusses, der durch die amorphen magnetischen Metallplatten verläuft, relativ zu den gesamten, durch die Spulen erzeugten Magnetflüssen ist größer als im Fall des ersten Dehnungsmessers. Daher ändert sich die Dichte des Magnetflusses in Abhängigkeit von der Zug- oder Druckkraft, welche die amorphen magnetischen Metallplatten 13 beaufschlagt, in einem größeren Maße als beim ersten Dehnungsmesser. Infolgedessen zeigt die zusammengesetzte oder Gesamtinduktivität der Spulen eine größere Änderung im Vergleich zum ersten Dehnungsmesser. Die Meßempfindlichkeit des zweiten Dehnungsmessers ist höher als beim ersten Dehnungsmesser.
Unter Verwendung des zweiten Dehnungsmessers gewonnene Testergebnisse sind im folgenden angegeben, wobei der für den Test benutzte Dehnungsmesser folgende Spezifikationen aufweist: Jede amorphe magnetische Metallplatte 13 war 0,03 mm dick; der Abstand zwischen den paarigen amorphen magnetischen Metallplatten 13 betrug 0,2 mm; jede der Spulen 16-1 und 16-2 wies 30 Windungen auf, und der Abstand zwischen den Zentren der paarigen Spulen 16-1 und 16-2 betrug 10 mm. Wenn eine Beanspruchung von 400 x 10&supmin;&sup6; auf die amorphen magnetischen Metallplatten 13 ausgeübt wurde, betrug die zusammengesetzte oder Gesamtinduktivität der Spulen mehr als 10 %. Bei Umwandlung dieses Werts in den Dehnungs- oder K-Faktor ergibt dies mehr als 250. Wie hieraus ersichtlich ist, ist die Meßempfindlichkeit des zweiten Dehnungsmessers gegenüber derjenigen des ersten Dehnungsmessers weiter erhöht.
Im Fall des zweiten Dehnungsmessers sind die paarigen amorphen magnetischen Metallplatten 13 an beiden Seiten des Substrats 1 angebracht. Dieser Dehnungsmesser kann daher dicker ausgebildet sein als der erste Dehnungsmesser. Auch wenn die amorphe magnetische Metallplatte dünn ist, kann jedoch auch ihr magnetostriktiver Effekt unverändert bleiben. Wenn beide amorphen magnetischen Metallplatten vergleichsweise dünn ausgebildet werden, kann daher eine zu große Dickenzunahme des Dehnungsmessers vermieden werden. Auch wenn die beiden amorphen magnetischen Metallplatten auf beiden Seiten des Substrats angebracht sind oder werden, kann die Dicke des zweiten Dehnungsmessers im Vergleich zum ersten Dehnungsmesser nicht mehr merklich vergrößert sein.
Die Fig. 12 und 13 veranschaulichen ein drittes Beispiel des Dehnungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Fall des dritten Dehnungsmessers sind zwei Paare von Spulen auf Ober- und Unterseite des Substrats angeordnet. Insbesondere sind zwei Spulen 16-1, 16-2 auf der Oberseite des Substrats 11 angeordnet, während zwei weitere Spulen 16-3, 16-4 an der Unterseite des Substrats 11 vorgesehen sind. Die innersten Enden der Spulen 16-1 und 16-3 sind durch einen das Substrat 11 durchsetzenden Verbindungsdraht oder -leiter 42-1 miteinander verbunden. Auf ähnliche Weise sind die innersten Enden der Spulen 16-2 und 16-4 durch einen das Substrat 11 durchsetzenden Verbindungsdraht oder -leiter 42-2 miteinander verbunden. Die äußersten Enden der aufgedruckten Drähte bzw. Leiter der Spulen 16-1 bis 16-4 sind über auf beide Seiten des Substrats 11 aufgedruckte Verbindungsleiter 44-1 bis 44-4 mit Anschlüssen 47-1 bzw. 47-4 verbunden. Wenn den Anschlüssen 47-1 bis 47-4 Strom zugespeist wird, ist der durch die Spulen 16-1 und 16-3 erzeugte Magnetfluß zu dem durch die Spulen 16-2 und 16-4 erzeugten Magnetfluß entgegengesetzt gerichtet. Weiterhin koppelt der durch eines der Spulenpaare erzeugte Magnetfluß an den durch das andere Spulenpaar erzeugten Magnetfluß an. Demzufolge bilden diese Magnetflüsse einen geschlossenen Magnetkreis, welcher durch die amorphen magnetischen Metallplatten in deren Längsrichtung verläuft.
Die Windungen jeder der Spulen sind bei diesem dritten Dehnungsmesser vergrößert, ohne daß der Dehnungsmesser dicker und breiter wird. Die Spulen dieses Dehnungsmessers besitzen daher eine größere Induktivität als die Spulen des ersten Dehnungsmessers. Dies ermöglicht, daß dieser dritte Dehnungsmesser eine höhere Meßempfindlichkeit als der erste Dehnungsmesser aufweist.
Die Fig. 14 und 15 veranschaulichen ein viertes Beispiel des Dehnungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieser vierte Dehnungsmesser stellt eine Verbesserung des zweiten Dehnungsmessers gemäß den Fig. 9 und 10 dar. Gemäß Fig. 14 sind aus ferromagnetischem Material bestehende Kerne 51-1 und 51-2, die jeweils säulenförmig ausgebildet sind, so angeordnet, daß sie durch die Zentren der Spulen 16-1 und 16-2 und das Substrat 11 verlaufen. Das Verhältnis des streuenden Magnetflusses relativ zu den gesamten, durch die Spulen erzeugten Magnetflüssen ist herabgesetzt, während das Verhältnis des Hauptmagnetflusses relativ zu allen erzeugten Magnetflüssen erhöht ist. Wie durch Pfeile 21 in Fig. 15 angedeutet, ist daher das Verhältnis des durch die amorphen magnetischen Metallplatten 13 verlaufenden Magnetflusses relativ zu allen durch die Spulen erzeugten Magnetflüssen gegenüber dem Fall des zweiten Dehnungsmessers weiter erhöht. Die Dichte des Magnetflusses und die Induktivität der Spulen, die sich in Abhängigkeit von der sich ändernden magnetischen Permeabilität der amorphen magnetischen Metallplatte ändern, ändert sich in diesem Maßen stärker als im Fall des zweiten Dehnungsmessers. Infolgedessen kann dieser vierte Dehnungsmesser eine höhere Meßempfindlichkeit als der zweite Dehnungsmesser aufweisen.
Die Fig. 16 und 17 veranschaulichen ein fünftes Beispiel des Dehnungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieser Dehnungsmesser umfaßt drei übereinander gestapelte Spuleneinheiten 61, wobei jede dieser Spuleneinheiten 61 ein Substrat 11 und auf die eine Seite des Substrats 11 aufgedruckte Spulen 16-1, 16-2 aufweist. Mittelachslinien der Spulen 16-1 sind miteinander ausgefluchtet, während diejenigen der Spulen 16-2 ebenfalls miteinander ausgefluchtet sind. Weiterhin sind die Kerne 51-1 und 51-2 jeweils aus einem ferromagnetischen Material geformt, säulenförmig ausgebildet und so angeordnet, daß sie durch die Mittelbereiche der Spulen 16-1 und 16-2 und die Substrate 11 der drei Spuleneinheiten 61 verlaufen. Die lotrechten Achslinien der Kerne 51-1 und 51-2 sind auf die Mittelachslinien der Spulen 16-1 bzw. diejenigen der Spulen 16-2 ausgerichtet.
Mit diesem fünften Dehnungsmesser ist die gleiche Wirkung wie mit dem vierten Dehnungsmesser erzielbar. Darüber hinaus kann der zusammengesetzte oder Gesamtinduktivitätswert der Spulen größer sein als im Fall des vierten Dehnungsmessers. Hierdurch wird ein einfacherer Aufbau der Signalverarbeitungsschaltung ermöglicht, und der fünfte Dehnungsmesser kann noch einfacher gehandhabt werden.

Claims

1. Dehnungsmesser, der mit einem Meßobjekt (klebend) verbindbar ist und ein Meßsignal auszugeben oder zu liefern vermag, welches eine auf das Objekt ausgeübte Belastung oder eine durch die ausgeübte Belastung verursachte Beanspruchung (Dehnung) des Objekts repräsentiert, wenn die Belastung auf das Objekt ausgeübt und das Objekt durch die ausgeübte Belastung unter Einführung einer Beanspruchung verformt wird, wobei der Dehnungsmesser eine amorphe magnetische Metallplatte (13) mit einem magnetostriktiven Effekt, welcher die magnetische Permeabilität der amorphen magnetischen Metallplatte sich abhängig von der auf das Objekt ausgeübten Belastung ändern läßt, und ein Paar (zwei) Spulen (16-1, 16-2) zum Erzeugen eines durch die amorphe magnetische Metallplatte (13) verlaufenden Magnetflusses aufweist, wobei der durch eine dieser Spulen (16-1) erzeugte Magnetfluß an die andere Spule (16-2) angekoppelt ist, wenn ein wechselndes Signal oder Wechselspannungssignal diesen Spulen (16-1, 16-2) zugespeist wird, um damit auf die Belastung durch Änderung des wechselnden Signals anzusprechen,

gekennzeichnet durch

ein flexibles Substrat (11) mit zwei einander gegenüberliegenden Flächen,

sowie dadurch gekennzeichnet, daß die Paare der Spulen (16-1, 16-2) auf die eine der Flächen des Sübstrats aufgedruckt sind und jede Spule ein(e) Spiralmuster oder -form aufweist, und daß die amorphe magnetische Metallplatte (13) an einer der gegenüberliegenden Flächen des Substrats (11) so angeordnet ist, daß zumindest ein Teil des durch eine (16-1) der Spulen erzeugten Magnetflusses einen geschlossenen Magnetkreis (2l) bildet, durch die amorphe magnetische Metallplatte (13) verläuft bzw. diese passiert, an die andere Spule (16-2) ankoppelt und dann zu dieser einen Spule (16-1) zurückläuft,

und der Dehnungsmesser ferner Mittel (12, 14) zum elektrischen Isolieren der amorphen magnetischen Metallplatte (13) von den paarigen Spulen (16-1, 16-2) aufweist.

2. Dehnungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (11) zwei auf das Substrat (11) aufgedruckte Anschlüsse (17-1, 17-2) zum Abnehmen des wechselnden Signals und zum Ausgeben eines Meßsignals über diese und eine Anzahl von auf das Substrat aufgedruckten Verbindungsdrähten oder -leitern (18-1, 18-2, 19) zum Verbinden der paarigen Spulen (16-1, 16-2) miteinander und der paarigen Spulen mit den paarigen (beiden) Anschlüssen (17-1, 17-2) aufweist.

3. Dehnungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (11) rechteckig mit langen und kurzen Seiten geformt ist und die paarigen (beiden) Spulen (16-1, 16-2) auf einer Fläche des Substrats (11) in dessen Längsrichtung ausgerichtet sind.

4. Dehnungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe magnetische Metallplatte (13) einer magnetischen Anisotropiebehandlung unterworfen ist, so daß die Richtung ihrer leichten Magnetisierung diejenige des Magnetflusses, welcher die Platte (13) passiert, unter einem vorbestimmten Winkel trifft.

5. Dehnungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliermittel eine zwischen das Substrat (11) und die amorphe magnetische Metallplatte (13) eingefügte Platte (Schicht oder Folie) (12) zum Isolieren des Substrats (11) und der Platte (13) voneinander umfassen.

6. Dehnungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei amorphe magnetische Metallplatten (13) auf beiden Seiten des Substrats so angeordnet sind, daß zumindest ein Teil des durch eine (16-1) der Spulen erzeugten Magnetflusses einen geschlossenen Magnetkreis (21) bilden kann, durch eine der amorphen magnetischen Metallplatten (13) verläuft bzw. diese passiert, an die andere (16-2) der Spulen angekoppelt, durch die andere der amorphen magnetischen Metallplatten (13) verläuft und dann zur einen (16-1) der Spulen zurückläuft.

7. Dehnungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare von Spule (16-1, 16-2, 16-3, 16-4) auf jeweilige Flächen des Substrats (11) aufgedruckt sind, ein Paar der Spulen (16-1, 16-2) an der einen Fläche des Substrats und das andere Paar der Spulen (16-3, 16-4) an der anderen Fläche des Substrats vorgesehen sind und die beiden Paare der Spulen so positioniert sind, daß der durch eine Spule des einen Spulenpaars (16-1, 16-2) erzeugte Magnetfluß an eine Spule des anderen Spulenpaars (16-3, 16-4) ankoppelt.

8. Dehnungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Spulen (16-1, 16-2) einen aus einem ferromagnetischen Material geformten Kern (51-1, 51-2) aufweist und mindestens ein Teil des Kerns (51-1, 51-2) im Zentrum jeder der Spulen (16-1, 16-2) angeordnet ist.

9. Dehnungsmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der größte Teil des Kerns (51-1, 51-2) in der Weise in das Substrat (11) eingebettet ist, daß mindestens ein Teil des Kerns (51-1, 51-2) im Mittelbereich jeder der Spulen (16-1, 16-2) angeordnet ist.

10. Dehnungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (11) und das Paar Spulen (16-1, 16-2) eine Spuleneinheit (61) bilden.

11. Dehnungsmesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl der Spuleneinheiten (61) übereinander gestapelt sind.

12. Dehnungsmesser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Spulen (16-1, 16-2) eine durch das Zentrum ihrer Spirale verlaufende Mittelachslinie aufweist und die mehreren Spuleneinheiten (61) in der Weise übereinander gestapelt sind, daß ein Paar (zwei) der durch die Zentren der paarigen Spulen (16-1, 16-2) an einer Spuleneinheit (61) verlaufenden Mittelachslinien mit den durch die Zentren der paarigen Spulen (16-1, 16-2) an den anderen Spuleneinheiten (61) verlaufenden fluchten.

13. Dehnungsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Spulen (16-1, 16-2) einen aus einem ferromagnetischen Material geformten Kern (51-1, 51-2) aufweist und der Kern (51-1, 51-2) längs der Mittelachslinie jeder der Spulen (16-1, 16-2) positioniert ist.