DE10040287A1

DE10040287A1 - Double resistance strain gage arrangement for shear force stress detection, has meander shaped resistance strain gages, each comprising two measurement guides arranged diagonally in opposition on support, at specified angle

Info

Publication number: DE10040287A1
Application number: DE2000140287
Authority: DE
Inventors: Juergen Andrae; Werner Nold
Original assignee: HBM MES und SYSTEMTECHNIK GmbH
Current assignee: HBM MES und SYSTEMTECHNIK GmbH
Priority date: 2000-08-17
Filing date: 2000-08-17
Publication date: 2002-02-28

Abstract

Two pairs of meander shaped resistance strain gages (10,12,11,13) each consisting of two measurement grids (18), are arranged diagonally in opposition on a support (14). Each pair of strain gages are aligned at 90 deg angle, such that the measurement grid has an angle of 45 deg with respect to outer edge.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dehnungsmeßstreifenanordnung zur Erfassung von Scherkraftbeanspruchungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a strain gauge arrangement for Detection of shear stresses according to the generic term of claim 1.

Dehnungsmeßstreifen werden vorzugsweise in Meßgrößenaufnehmern zur Messung physikalischer Größen eingesetzt. Dabei werden sie auf einem Meßfederkörper appliziert und erfassen die Meßfeder dehnungen, die dieser aufgrund der Einwirkung von physikali schen Größen erfährt. Mit derartigen Meßgrößenaufnehmern wer den vorzugsweise Kräfte und Momente erfaßt. Dabei werden Deh nungsmeßstreifen eingesetzt, bei denen ein mäanderförmiges Meßgitter aus einer Widerstandsfolie auf einer Trägerschicht aufgebracht ist. Dieses Meßgitter besteht aus parallel neben einander angeordneten Meßgitterstegen, die entsprechend der zu erfassenden Materialspannungen am Meßfederkörper appliziert werden.Strain gauges are preferably used in transducers used to measure physical quantities. In doing so they will applied to a measuring spring body and grasp the measuring spring strains caused by the action of physi sizes. With such transducers who which preferably detects forces and moments. Deh Measurement strips used, in which a meandering Measuring grid made of a resistance film on a carrier layer is applied. This measuring grid consists of parallel next to mutually arranged measuring grid webs corresponding to the applied material stresses applied to the measuring spring body become.

Für die verschiedensten Materialspannungserfassungen sind un terschiedliche Meßgitteranordnungen vorbekannt. So werden Scherspannungen an schubspannungsbelasteten Teilen in Höhe der neutralen Faser häufig mit einzelnen Dehnungsmeßstreifen er faßt, deren Meßgitterstege in einem Winkel von 45° zu einer neutralen Faser angeordnet werden. Diese Anordnung hat aber den Nachteil, daß hierdurch parasitäre Kräfte (alle nicht in Hauptmeßrichtung verlaufenden Kräfte) mit in das Meßergebnis eingehen und die Meßgenauigkeit beeinträchtigen.For a wide variety of material stress measurements are un Different measuring grid arrangements previously known. So be Shear stresses on parts subject to shear stress in the amount of neutral fiber often with individual strain gauges summarizes the measuring grid bars at an angle of 45 ° to one neutral fiber. But this arrangement has the disadvantage that parasitic forces (all not in Main measuring direction) into the measurement result come in and impair the measuring accuracy.

Für genauere Meßergebnisse sind auch Doppeldehnungsmeßstreifen bekannt, mit denen die Scherspannungen spiegelbildlich zur neutralen Faser erfaßt werden. Bei diesen Doppeldehnungsmeß streifen sind auf einer rechteckigen Trägerschicht zwei Meß gitter spiegelbildlich und parallel zueinander angeordnet, wo bei die Meßgitterstege gegenüber den Außenkanten der Träger schicht einen Winkel von 45° und gegeneinander einen Winkel von 90° bilden. Diese Dehnungsmeßstreifenanordnung wird dabei so auf der Meßfeder appliziert, daß die beiden Meßgitter sym metrisch zur neutralen Faser angeordnet sind. Deshalb werden durch diese Anordnung der Dehnungsmeßstreifen die meßwertver fälschenden Biegespannungen kompensiert, wodurch ein Meßsignal erzeugt wird, das der Meßfederbelastung durch die scherkraft verursachende Schubspannung und damit der zu messenden Kraft oder des zu messenden Momentes proportional ist. Allerdings kann es durch Herstellungs- und Meßtoleranzen vorkommen, daß die Dehnungsmeßstreifen unsymmetrisch zur neutralen Faser ap pliziert werden, so daß durch die Dehnungsmeßstreifen noch Biegespannungen oder andere parasitäre Kräfte und Momente im Meßsignal in Erscheinung treten, so daß Meßfehler entstehen.Double strain gauges are also available for more precise measurement results known with which the shear stresses are mirror images of neutral fiber can be detected. With these double strain gauges strips are two measuring on a rectangular support layer grid arranged in mirror image and parallel to each other where at the measuring grid bars opposite the outer edges of the beams layer an angle of 45 ° and an angle to each other of 90 °. This strain gauge arrangement will applied on the measuring spring so that the two measuring grids sym are arranged metrically to the neutral fiber. Therefore be by this arrangement of the strain gauges the measured values falsifying bending stresses compensated, thereby creating a measurement signal is generated that the measuring spring load by the shear force causing shear stress and thus the force to be measured or is proportional to the moment to be measured. Indeed Due to manufacturing and measuring tolerances it can happen that the strain gauges asymmetrical to the neutral fiber ap be copied so that the strain gauges still Bending stresses or other parasitic forces and moments in the The measurement signal appears, so that measurement errors occur.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Deh nungsmeßstreifenanordnung zur Erfassung von Scherkraftbela stungen zu schaffen, die weitgehend unempfindlich gegen para sitäre Kräfte und Momente ist.The invention is therefore based on the object of a deh Measurement strip arrangement for the detection of shear force to create stances that are largely insensitive to para is vital forces and moments.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildung und vorteilhafte Ausführungs beispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the one specified in claim 1 Invention solved. Training and advantageous execution examples of the invention are given in the subclaims.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die doppelspiegel bildliche Anordnung zweier Dehnungsmeßstreifen sich Positions verschiebungen beim applizieren gegenüber den idealen Positio nierachsen weitgehend kompensieren, so daß insbesondere bei Kraft- und Drehmomentbelastungen keine meßwertverfälschenden parasitären Kräfte in das Meßergebnis einwirken. The invention has the advantage that the double mirror pictorial arrangement of two strain gauges themselves positions shifts in the application compared to the ideal position largely compensate for kidney axes, so that especially at Force and torque loads do not distort the measured values influence parasitic forces in the measurement result.

Die Erfindung der doppelspiegelbildlichen Anordnung zweier Dehnungsmeßstreifen hat weiterhin den Vorteil, daß insbesonde re beim applizieren weniger Aufwand und Genauigkeit erforder lich ist, um genaue Meßergebnisse zu erzielen. So ist es ins besondere bei Scherkraftaufnehmern aufwendig die idealen Posi tionierachsen festzulegen und zu markieren, da sich diese häu fig in runden Bohrungen oder an runden Wellenabschnitten be finden.The invention of the double mirror image arrangement of two Strain gauge has the further advantage that re requires less effort and accuracy when applying Lich to achieve accurate measurement results. So it is ins the ideal posi, especially for shear force transducers tioning axes to be defined and marked, since these often fig in round bores or on round shaft sections Find.

Die Erfindung der doppelspiegelbildlichen Anordnung der Dop peldehnungsmeßstreifen hat insbesondere bei schnell laufenden Drehmomentmeßwellen den Vorteil, daß dadurch gleichzeitig auch fliehkraftbedingte Zwangsverformung und Unwuchten an der Meß welle nicht in das Meßergebnis einwirken, sondern sich durch die vorteilhafte Anordnung kompensieren.The invention of the double mirror image arrangement of the dop Pelvic strain gauge is particularly useful for fast-running Torque measuring shafts have the advantage that at the same time centrifugal force-induced deformation and imbalance on the measuring not affect the measurement result, but through itself compensate for the advantageous arrangement.

Weiterhin wird der nachträgliche elektrische Kompensationsauf wand insbesondere an Drehmomentmeßwellen verringert, da sich die meisten parasitären Belastungen bereits durch die vorteil hafte Anordnung kompensieren. So kann insbesondere bei den Drehmomentmeßwellen eine nachträglich Kompensation der Fehlpo sition der um 180° gegenüberliegenden Doppeldehnungsmeßstrei fen an jeder einzelnen Anordnung erfolgen, ohne daß eine Kom pensation der Fehlpositionen zu erhöhten Axialkrafteinflüssen führen würde.Furthermore, the subsequent electrical compensation wall reduced especially on torque measuring shafts, because most parasitic loads already through the advantage compensate for the arrangement. So especially with the Torque measuring shafts a subsequent compensation of the incorrect po sition of the 180 ° opposite double strain gauge fen on each individual arrangement without com compensation of the incorrect positions to increased axial forces would lead.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:The invention is based on an embodiment that in the drawing is shown, explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine Anordnung eines Doppeldehnungsmeßstreifens nach dem Stand der Technik, und Fig. 1 shows an arrangement of a double strain gauge according to the prior art, and

Fig. 2 eine doppelspiegelbildliche Anordnung eines Dop peldehnungsmeßstreifens. Fig. 2 is a double mirror image arrangement of a Dop peldehnungsmeßstreifens.

In Fig. 1 der Zeichnung ist eine Anordnung eines Doppeldeh nungsmeßstreifen nach dem Stand der Technik dargestellt, der aus zwei spiegelbildlich angeordneten Dehnungsmeßstreifen 3, 5 besteht. Der Doppeldehnungsmeßstreifen 3, 5 ist zur Erfassung von Scherkräften bei Kraft- oder Drehmomentaufnehmern vorgese hen. Der Doppeldehnungsmeßstreifen 3, 5 besteht aus einer Trä gerschicht 1 auf der zwei mäanderförmige Meßgitter aus einer Widerstandsfolie aufgebracht sind. Die Trägerschicht 1 ist rechteckig ausgebildet, wobei die beiden Meßgitter und deren Stege 4 spiegelbildlich zu einer längsgerichteten Mittellinie 2 der Trägerschicht 1 angeordnet sind. Die Meßgitter bzw. die Meßgitterstege 4 bilden dabei zur längs gerichteten Mittelli nie 2 oder den Außenkanten der Trägerschicht 1 einen Winkel von 45° und gegeneinander einen Winkel von 90°. Die beiden Meßgitter 4 der Dehnungsmeßstreifen 3, 5 stellen einen elek trischen Widerstand dar, der vorzugsweise 350 Ohm beträgt und sich bei einer mechanischen Belastung des Meßfederkörpers pro portional zur Dehnung ändert und somit ein entsprechendes elektrisches Signal liefert.In Fig. 1 of the drawing, an arrangement of a double strain gauges according to the prior art is shown, which consists of two mirror images arranged strain gauges 3 , 5 . The double strain gauge 3 , 5 is hen vorgese for detecting shear forces in force or torque transducers. The double strain gauge 3 , 5 consists of a carrier layer 1 on which two meandering measuring grids are applied from a resistance film. The carrier layer 1 is rectangular, the two measuring grids and their webs 4 being arranged in mirror image to a longitudinal center line 2 of the carrier layer 1 . The measuring grid or the measuring grid webs 4 never form the longitudinal center 2 or the outer edges of the carrier layer 1 form an angle of 45 ° and an angle of 90 ° to one another. The two measuring grids 4 of the strain gauges 3 , 5 represent an electrical resistance, which is preferably 350 ohms and changes proportionally to the strain when subjected to a mechanical load on the measuring spring body and thus provides a corresponding electrical signal.

Zur Erfassung der Dehnung wird der Doppeldehnungsmeßstreifen 3, 5 so auf dem Meßfederkörper appliziert, daß die längs ge richtete Mittellinie 2 mit der neutralen Faser des Meßfeder körpers übereinstimmt. Dazu wird die Position des Doppeldeh nungsmeßstreifes 3, 5 zuvor durch Festlegung der idealen Posi tionskoordinaten bzw. -achsen auf der Meßfeder markiert. Durch die spiegelbildliche Anordnung der beiden Meßgitterwiderstände 3, 5 zur neutralen Meßfederfaser und der dazu quer verlaufen den Mittelachse 6 kompensieren sich bei einer Meßfederbela stung die Meßfederdehnungen, die aufgrund der Biegespannung und anderer parasitärer Kräfte und Momente hervorgerufen wur den.To detect the strain, the double strain gauge 3 , 5 is applied to the measuring spring body in such a way that the longitudinal center line 2 coincides with the neutral fiber of the measuring spring body. For this purpose, the position of the double stretch measurement strip 3 , 5 is marked beforehand by determining the ideal position coordinates or axes on the measuring spring. Due to the mirror-image arrangement of the two measuring grid resistors 3 , 5 to the neutral measuring spring fiber and the transverse to the central axis 6 compensate for a Meßfederbela stung the measuring spring expansions, which were caused by the bending stress and other parasitic forces and moments.

Die beiden Meßgitterwiderstände 3, 5 sind in einer Wheatsto ne'schen Meßbrücke als Brückenwiderstände einer Halb- oder mit einem weiteren Doppeldehnungsmeßstreifen zu einer Vollbrücke verschaltbar, um ein entsprechendes Meßsignal zu erhalten. Bei einer ungenauen Festlegung der idealen Positionskoordinaten oder einer unsymmetrischen Applikation der Doppeldehnungsmeß streifen zur neutralen Faser der Meßfeder würden sich insbe sondere die meßwertverfälschenden überlagernden Biegespannun gen nicht vollständig kompensieren, sondern von den Doppeldeh nungsmeßstreifen 3, 5 erfaßt.The two measuring grid resistors 3 , 5 can be connected in a Wheatsto ne measuring bridge as bridge resistors of a half or with a further double strain gauge to a full bridge in order to obtain a corresponding measuring signal. With an inaccurate determination of the ideal position coordinates or an asymmetrical application of the double strain gauges to the neutral fiber of the measuring spring, in particular the measurement-distorting bending stresses would not be completely compensated, but would be detected by the double strain gauges 3 , 5 .

In Fig. 2 der Zeichnung ist ein doppelspiegelbildlich ange ordneter Doppeldehnungsmeßstreifen dargestellt, durch den na hezu alle meßwertverfälschenden Dehnungen kompensiert werden, die durch Biegespannungen und andere parasitäre Kräfte und Mo mente entstehen. Dieser erfinderische doppelspiegelbildlich ausgebildete Doppeldehnungsmeßstreifen besteht im wesentlichen aus vier mäanderförmigen Meßgitterteilen 10, 11, 12, 13 einer Widerstandsfolie, die auf einer rechteckigen Trägerschicht 14 angeordnet sind. Dabei verteilen sich die vier Meßgitterteile 10, 11, 12, 13 auf vier gleichgroße Flächenabschnitte der Trä gerschicht 14, die durch zwei senkrecht aufeinander stehende Mittellinien 15, 16 gebildet werden. Zwei diagonal gegenüber liegende Meßgitterteile 11, 13; 10, 12 bilden jeweils einen Dehnungsmeßstreifen 10, 12; 11, 13 und sind über einen An schluß- und Verschaltungssteg 20 miteinander verbunden. Dabei verlaufen die Gitterstege 18 eines Dehnungsmeßstreifens 10, 12; 11, 13 in der gleichen Richtung.In Fig. 2 of the drawing, a double-mirror image arranged double strain gauges is shown, by which almost all measurement-distorting strains are compensated for, which arise from bending stresses and other parasitic forces and moments. This inventive double strain gauge formed in accordance with the double mirror essentially consists of four meandering measuring grid parts 10 , 11 , 12 , 13 of a resistance foil, which are arranged on a rectangular carrier layer 14 . The four measuring grid parts 10 , 11 , 12 , 13 are distributed over four equal-sized surface sections of the carrier layer 14 , which are formed by two perpendicular center lines 15 , 16 . Two diagonally opposite measuring grid parts 11 , 13 ; 10 , 12 each form a strain gauge 10 , 12 ; 11 , 13 and are connected to each other via a connection and interconnection bridge 20 . The grid webs 18 of a strain gauge 10 , 12 ; 11 , 13 in the same direction.

Die Meßgitterteile 10, 11, 12, 13 bestehen aus einer Vielzahl paralleler Stege 18 aus Widerstandsmaterial, die gegenüber den Stegen der angrenzenden Meßgitter 10, 11, 12, 13 im Winkel von 90° und gegenüber den Außenkanten der Trägerschicht 14 einen Winkel von 45° bilden. An einer unteren schmalen Außenkante 19 sind vier nebeneinander angeordnete Anschlußpunkte 17 zur wei teren Verschaltung mit anderen Brückenwiderständen oder Ver stärkerelementen vorgesehen. Dabei sind auch die Anschluß- und Verschaltungsstege 20 so auf den vier Trägerschichtabschnitten angeordnet, daß sich deren Dehnungswirkung nahezu aufhebt und somit vernachlässigbar ist.The measuring grid parts 10 , 11 , 12 , 13 consist of a plurality of parallel webs 18 made of resistance material which are at an angle of 90 ° to the webs of the adjacent measuring grid 10 , 11 , 12 , 13 and at an angle of 45 ° to the outer edges of the carrier layer 14 form. At a lower narrow outer edge 19 four juxtaposed connection points 17 are provided for Wei direct connection with other bridge resistors or Ver strength elements. The connection and interconnection webs 20 are also arranged on the four carrier layer sections in such a way that their expansion effect is virtually eliminated and is therefore negligible.

Die doppelspiegelbildlich ausgebildeten Doppeldehnungsmeß streifen 10, 11, 12, 13 werden mit Hilfe der beiden senkrecht aufeinander angeordneten Mittellinien 15, 16 symmetrisch auf einer Meßfeder eines Meßwertaufnehmers appliziert. Dabei wird die Doppeldehnungsmeßstreifenanordnung so auf der Meßfeder ausgerichtet, daß die in Längsrichtung verlaufende Mittellinie 15 mit der neutralen Faser in der Meßfeder zusammenfällt. Hin gegen wird die quer gerichtete Mittellinie 16 so auf der Meß feder ausgerichtet, daß der Doppeldehnungsmeßstreifen 10, 11, 12, 13 symmetrisch auf der Meßfeder plaziert ist.The double-mirror-image double strain gauges 10 , 11 , 12 , 13 are applied symmetrically with the help of the two mutually perpendicular center lines 15 , 16 on a measuring spring of a sensor. The double strain gauge arrangement is aligned on the measuring spring in such a way that the longitudinal center line 15 coincides with the neutral fiber in the measuring spring. Towards the transverse center line 16 is aligned on the measuring spring so that the double strain gauge 10 , 11 , 12 , 13 is placed symmetrically on the measuring spring.

Wird dabei der Doppeldehnungsmeßstreifen 10, 11, 12, 13 durch Toleranzen beim Positionieren zu diesen Idealen Positionsach sen verschoben, so kompensiert die doppeltspiegelbildliche An ordnung die in den beiden Achsrichtungen orientierten parasi tären Dehnungseinflüsse, da jeweils der im Vorzeichen entge gengesetzte Dehnungsmeßstreifenteil die gleiche Fehlpositio nierung erfährt. Der Doppeldehnungsmeßstreifen 10, 11, 12, 13 kann damit an einer einzigen Stelle die unerwünschten parasi tären Dehnungseinflüsse kompensieren und muß beispielsweise bei einer Drehmomentmeßwelle die Gegenkompensation bei uner wünschten Biegemomenten nicht an den gegenüberliegenden Dop peldehnungsmeßstreifen in Anspruch nehmen. Damit muß auch die Plazierungsgenauigkeit an den gegenüberliegenden Doppeldeh nungsmeßstreifen nicht die Genauigkeit aufweisen wie bei einer Dehnungsmeßstreifenanordnung nach dem Stand der Technik.If the double strain gauges 10 , 11 , 12 , 13 are shifted by tolerances when positioning to these ideal positions, the double mirror image arrangement compensates for the parasitic strain influences oriented in the two axial directions, since the opposite strain gauge part has the same incorrect position experiences. The double strain gauges 10 , 11 , 12 , 13 can thus compensate for the undesirable parasitic strain influences at a single point and, for example in the case of a torque measuring shaft, does not have to take counter-compensation for undesired bending moments at the opposite double strain gauges. This means that the placement accuracy on the opposite double strain gauges does not have to be as precise as in a strain gauge arrangement according to the prior art.

Claims

1. strain gauge arrangement for detecting the shear force loads, which consists of at least two mirror-image meandering strain gauges ( 10 , 12 ; 11 , 13 ), the measuring grid webs ( 18 ) of which are at an angle of 90 ° to one another, characterized in that each strain gauge ( 10 , 12 ; 11 , 13 ) consists of two measuring grid parts ( 10 , 11 , 12 , 13 ) which are arranged diagonally opposite one another on a carrier layer ( 14 ) and have the same orientation of the measuring grid webs ( 18 ).

2. Strain gauge arrangement according to claim 1, characterized in that the two strain gauge resistances ( 10 , 12 ; 11 , 13 ) are arranged on a rectangular or square support layer ( 14 ) and the measuring grid webs ( 18 ) to the outer edges ( 19 ) have an angle of 45 °.

3. Strain gauge arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that each of the four strain gauges parts ( 10 , 11 , 12 , 13 ) on an equally large section of the carrier layer ( 14 ) is arranged by two 90 ° offset center lines ( 15 , 16 ) is formed.

4. Strain gauge arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that each of the four strain gauge parts ( 10 , 11 , 12 , 13 ) has the same measuring grid structure and that these are arranged on a carrier layer ( 14 ) in a double mirror image, each with two diagonally opposite Strain gauge parts ( 10 , 12 ; 11 , 13 ) are electrically connected to each other to form a resistor element.

5. Strain gauge arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that in each case two strain gauge parts ( 10 , 11 , 12 , 13 ) are arranged such that they can be applied in mirror image to the respective ideal positioning axis of a measuring spring.