DE102008055774B4

DE102008055774B4 - Apparatus for measuring a temperature of a component and apparatus for measuring a strain of a component

Info

Publication number: DE102008055774B4
Application number: DE200810055774
Authority: DE
Inventors: Dr. Illemann Jens; André Buß
Original assignee: Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie; Federal Government of Germany
Current assignee: Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie; Federal Government of Germany
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2013-07-25
Anticipated expiration: 2028-11-05
Also published as: DE102008055774A1

Abstract

Vorrichtung zum Messen einer Temperatur eines Bauteils (50), die – mit dem Bauteil (50) fest verbunden oder – ausgebildet ist, auf dem Bauteil (50) unlösbar angeordnet zu werden, mit einer ersten Leiterbahn (2) mit zwei Enden (2a, 2b), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterbahn (2) aus a) wenigstens einer ersten Teil-Leiterbahn (4) mit – einer ersten Breite (B1) und – einem ersten elektrischen Widerstand (R1) und b) einer zweiten Teil-Leiterbahn (6) mit – einer zweiten Breite (B2), die kleiner ist als die Breite (B1) der ersten Teil-Leiterbahn (4), und – einem zweiten elektrischen Widerstand (R2), die mit der ersten Teil-Leiterbahn (4) einen Winkel (α) einschließt, c) wobei die erste Breite (B1) der ersten Teil-Leiterbahn (4), die zweite Breite (B2) der zweiten Teil-Leiterbahn (6) und der Winkel (α) so aufeinander abgestimmt sind, dass eine entlang einer Dehnungsrichtung (P) auftretende mechanische Dehnung des Bauteils (50) eine Änderungen des ersten Widerstands (R1) und eine Änderung des zweiten Widerstands (R2) zur Folge hat, die einander im Wesentlichen kompensieren.Device for measuring a temperature of a component (50) which is - fixedly connected to the component (50) or - designed to be arranged inseparably on the component (50), with a first printed conductor (2) with two ends (2a, 2b), characterized in that the first printed conductor (2) consists of a) at least one first partial printed conductor (4) with - a first width (B1) and - a first electrical resistance (R1) and b) a second partial printed conductor (6) having a second width (B2) smaller than the width (B1) of the first sub-trace (4), and a second electrical resistance (R2) connected to the first sub-trace (4) an angle (α), c) wherein the first width (B1) of the first sub-track (4), the second width (B2) of the second sub-track (6) and the angle (α) are coordinated with each other, in that a mechanical expansion of the component (50) occurring along a direction of elongation (P) causes a change in the first resistance (R1) and a change of the second resistor (R2) result, which substantially compensate each other.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Temperatur eines Bauteils, die mit dem Bauteil fest verbunden oder ausgebildet ist, auf dem Bauteil unlösbar angeordnet zu werden, mit einer ersten Leiterbahn mit zwei Enden. Zudem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Messen einer Dehnung eines Bauteils, mit wenigstens einem Dehnungssensor, der eine zweite Leiterbahn mit zwei Enden umfasst.The invention relates to a device for measuring a temperature of a component which is fixedly connected to the component or designed to be arranged on the component inseparable, with a first conductor having two ends. In addition, the invention relates to a device for measuring an elongation of a component, with at least one strain sensor comprising a second conductor track with two ends.

Derartige Vorrichtungen zum Messen einer Temperatur nutzen den Effekt, dass sich das Bauteil, dessen Temperatur zu bestimmen ist, bei einer Temperaturerhöhung ausdehnt und bei einer Verringerung der Temperatur zusammenzieht. Die zur Messung auf dem Bauteil angeordnete Leiterbahn der Vorrichtung zum Messen der Temperatur wird bei unterschiedlichem Wärmeausdehnungsverhalten dabei flächig gedehnt oder gestaucht. Dies hat eine Änderung des elektrischen Widerstandes der Leiterbahn zur Folge. Über eine Messung des elektrischen Widerstands zwischen den Enden der Leiterbahn wird so die flächige Dehnung der Leiterbahn ermittelt und aus dieser auf die Ausdehnung des Bauteils geschlossen. Ist der hauptsächlich ausdehnungsbedingte Temperaturgang des Widerstandes durch vorherige Kalibrierung bekannt, kann über die Widerstandsmessung auf die Temperatur geschlossen werden.Such devices for measuring a temperature utilize the effect that the component whose temperature is to be determined expands with a temperature increase and contracts with a decrease in the temperature. The arranged for measurement on the component trace of the device for measuring the temperature is stretched or compressed flat at different thermal expansion behavior. This results in a change in the electrical resistance of the conductor track. Via a measurement of the electrical resistance between the ends of the conductor track, the areal stretching of the conductor track is determined, and from this, the expansion of the component is concluded. If the mainly expansion-related temperature response of the resistor is known by prior calibration, the resistance measurement can be used to determine the temperature.

Der elektrische Widerstand, der zwischen den Enden der Leiterbahn messbar ist, ändert sich jedoch auch, wenn das Bauteil aufgrund äußerer mechanischer Spannungen gedehnt oder gestaucht wird. Auch in diesem Fall wird eine mechanische Dehnung oder Stauchung auf die auf das Bauteil aufgebrachte Leiterbahn ausgeübt, die eine Veränderung des elektrischen Widerstandes der Leiterbahn zur Folge haben.However, the electrical resistance measurable between the ends of the trace also changes as the component is stretched or compressed due to external mechanical stresses. Also in this case, a mechanical strain or compression is exerted on the applied to the component trace, which have a change in the electrical resistance of the conductor track result.

Nachteilig ist, dass sowohl Ausdehnungen aufgrund von Temperaturänderungen als auch Dehnungen aufgrund externer mechanischer Spannungen eine Veränderung des elektrischen Widerstands der Leiterbahn zur Folge haben. Die Effekte können somit nicht voneinander unterschieden werden.The disadvantage is that both expansions due to temperature changes and strains due to external mechanical stresses have a change in the electrical resistance of the conductor track result. The effects can not be distinguished from each other.

Aus der EP 0 969 264 A2 ist ein flächiger Sensor bekannt, bei dem der Sensor in mehreren Spuren angeordnet ist. Das hat den Vorteil, dass er besonders einfach einsetzbar und zu fertigen ist. Nachteilig an diesem Sensor ist, dass eine Dehnung des Sensors aufgrund von äußeren mechanischen Lasten, wie auf vibrierenden Maschinen, zu einem Messfehler führen kann.From the EP 0 969 264 A2 a flat sensor is known in which the sensor is arranged in several tracks. This has the advantage that it is particularly easy to use and to manufacture. A disadvantage of this sensor is that an elongation of the sensor due to external mechanical loads, such as on vibrating machines, can lead to a measurement error.

Aus der DE 197 44 896 A1 ist ein temperaturkompensierter Dehnungssensor bekannt, bei dem zwei Sensorelemente unter einem Winkel von 90° relativ zueinander angeordnet sind. Das ermöglicht es, einen Temperatureinfluss herauszurechnen, so dass die Dehnung eines Körpers temperaturkompensiert möglich ist. Nachteilig an dieser Ausführungsform ist, dass sie für hochfrequente Schwingungen wenig geeignet ist und zudem aufwändig herzustellen ist.From the DE 197 44 896 A1 a temperature-compensated strain sensor is known in which two sensor elements are arranged at an angle of 90 ° relative to each other. This makes it possible to calculate a temperature influence, so that the elongation of a body temperature-compensated is possible. A disadvantage of this embodiment is that it is not very suitable for high-frequency vibrations and is also expensive to produce.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine leicht zu fertigende Vorrichtung zum Messen einer Temperatur eines vibrierenden Bauteils bereitzustellen, mit der Effekte, die durch eine Temperaturänderung im zu vermessenden Bauteil hervorgerufen werden, von Effekten unterschieden werden können, die durch eine Dehnung des Bauteils aufgrund mechanischer Spannungen auftreten.The invention has for its object to provide an easy-to-manufacture device for measuring a temperature of a vibrating component, with the effects caused by a change in temperature in the component to be measured, can be distinguished from effects caused by an elongation of the component due to mechanical Tensions occur.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Messen einer Temperatur eines Bauteils, bei der die erste Leiterbahn aus wenigstens einer ersten Teil-Leiterbahn mit einer ersten Breite und einem ersten Widerstand und einer zweiten Teil-Leiterbahn mit einer zweiten Breite, die kleiner ist als die Breite der ersten Teil-Leiterbahn, und einem zweiten Widerstand besteht, die mit der ersten Teil-Leiterbahn einen Winkel α einschließt, wobei die erste Breite der ersten Teil-Leiterbahn und die zweite Breite der zweiten Teil-Leiterbahn und der Winkel α so aufeinander abgestimmt sind, dass eine entlang einer Dehnungsrichtung auftretende Dehnung des Bauteils eine Änderung des ersten Widerstandes und eine Änderung des zweiten Widerstandes zur Folge hat, die einander kompensieren.The invention solves this problem by a generic device for measuring a temperature of a component, wherein the first conductor of at least a first partial conductor having a first width and a first resistance and a second partial conductor having a second width which is smaller as the width of the first sub-trace, and a second resistor including an angle α with the first sub-trace, wherein the first width of the first sub-trace and the second width of the second sub-trace and the angle α so are matched to each other, that a strain occurring along a strain direction of the component has a change of the first resistance and a change of the second resistance result, which compensate each other.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen einer Temperatur nutzt aus, dass eine Dehnung des Bauteils entlang einer Dehnungsrichtung zu einer Stauchung des Bauteils in einer Richtung senkrecht zur Dehnungsrichtung führt. Diese Stauchung ist betraglich kleiner als die Dehnung in Dehnungsrichtung. Der Proportionalitätsfaktor ist die Poissonzahl ν, die für metallische Werkstoffe cirka 0,3 beträgt. Demgegenüber führt eine thermische Änderung zu einer isotropen Ausdehnung.A device according to the invention for measuring a temperature utilizes that an elongation of the component along a direction of expansion leads to a compression of the component in a direction perpendicular to the direction of elongation. This compression is smaller in size than the expansion in the expansion direction. The proportionality factor is the Poisson number ν, which is approximately 0.3 for metallic materials. In contrast, a thermal change leads to an isotropic expansion.

Vorzugsweise ist der von der ersten Teil-Leiterbahn und der zweiten Teil-Leiterbahn eingeschlossene Winkel α ein rechter Winkel. In diesem Fall wird die erste Leiterbahn L-förmig. Erstreckt sich die erste Teil-Leiterbahn beispielsweise in Dehnungsrichtung, wird sie bei der Dehnung des Bauteiles um die Dehnung ε gedehnt. Der erste Widerstand der ersten Teil-Leiterbahn nimmt somit um R1·k·ε zu, wobei R1 den ursprünglichen ersten Widerstand der ersten Teil-Leiterbahn und ε die Dehnung bezeichnet. k ist als materialabhängiger „k-Faktor” bekannt, der beispielsweise für Konstantan kaum temperaturabhängig ist und einen Wert von cirka 2 hat.Preferably, the angle α included by the first sub-trace and the second sub-trace is a right angle. In this case, the first trace becomes L-shaped. If, for example, the first part-conductor track extends in the direction of elongation, it is stretched by the elongation ε during the expansion of the component. The first resistance of the first sub-trace thus increases by R1 * k * ε, where R1 denotes the original first resistance of the first sub-trace and ε the strain. k is known as a material-dependent "k factor" which, for example, is hardly temperature-dependent for constantan and has a value of approximately 2.

Die spannungsbedingte Dehnung führt zur Querkontratkion in senkrechter Richtung. Ist der von der ersten Teil-Leiterbahn und der zweiten Teil-Leiterbahn eingeschlossene Winkel α ein rechter Winkel, erstreckt sich die zweite Teil-Leiterbahn in einer Richtung senkrecht zur Dehnungsrichtung. Der zweite Widerstand der zweiten Teil-Leiterbahn nimmt folglich um den Wert R2·k'·ε ab. Dabei ist R2 der ursprüngliche zweite Widerstand der zweiten Teil-Leiterbahn, ε bezeichnet wieder die Dehnung und k' – k·ν, wobei k wieder der materialabhängige „k-Faktor” und ν die Poissonzahl ist. The stress-induced strain leads to the transverse contrast in the vertical direction. If the angle α enclosed by the first sub-trace and the second sub-trace is a right angle, the second sub-trace extends in a direction perpendicular to the strain direction. The second resistor of the second partial printed conductor thus decreases by the value R2 · k '· ε. In this case, R2 is the original second resistor of the second sub-trace, ε again denotes the strain and k '- k · ν, where k is again the material-dependent "k-factor" and ν is the Poisson's number.

Ist der von der ersten Teil-Leiterbahn und der zweiten Teil-Leiterbahn eingeschlossene Winkel α kein rechter Winkel, führt eine Dehnung des Bauteils in Dehnungsrichtung dennoch zum Anstieg eines der Widerstände R1 oder R2 und zum Absinken des jeweils anderen. Der erste Widerstand der ersten Teil-Leiterbahn und der zweite Widerstand der zweiten Teil-Leiterbahn werden nun durch geeignete Wahl der Breiten der beiden Teil-Leiterbahnen so gewählt, dass die Änderung des ersten Widerstandes und die Änderung des zweiten Widerstandes einander nur im Wesentlichen kompensieren. Durch die geeignete Wahl der Breiten ist sichergestellt, dass eine Dehnung des Bauteils in Dehnungsrichtung den elektrischen Widerstand, der zwischen den beiden Enden der ersten Leiterbahn messbar ist, nicht ändert. Verändert sich jedoch die Temperatur des Bauteils, hat dies eine isotrope Ausdehnung oder ein isotropes Zusammenziehen des Bauteils zur Folge, so dass die dadurch hervorgerufene Änderung des ersten Widerstandes und die Änderung des zweiten Widerstandes das gleiche Vorzeichen aufweisen, so dass sich beide Änderungen nicht gegenseitig kompensieren können. Die thermische Ausdehnung und eine intrinsische Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands des Materials der Leiterbahn führen somit zu einer rein temperaturabhängigen Änderung des Widerstandes. Der gemessene Widerstand ist unabhängig von einer Dehnung des Bauteils in einer vorgegebenen Dehnungsrichtung.If the angle α enclosed by the first partial printed conductor and the second partial printed conductor is not a right angle, an elongation of the component in the direction of elongation nevertheless leads to the rise of one of the resistors R1 or R2 and to the sinking of the other one. The first resistor of the first partial printed conductor and the second resistor of the second partial printed conductor are now selected by suitable selection of the widths of the two partial printed conductors such that the change of the first resistor and the change of the second resistor only substantially compensate one another. The suitable choice of the widths ensures that an expansion of the component in the direction of elongation does not change the electrical resistance that can be measured between the two ends of the first printed conductor. However, if the temperature of the component changes, this results in an isotropic expansion or isotropic contraction of the component, so that the change in the first resistance caused thereby and the change of the second resistance have the same sign, so that both changes do not compensate each other can. The thermal expansion and an intrinsic temperature dependence of the electrical resistance of the material of the conductor thus lead to a purely temperature-dependent change in the resistance. The measured resistance is independent of any elongation of the component in a given direction of elongation.

Vorteilhafterweise besteht die erste Leiterbahn aus einem Material mit im Wesentlichen temperaturunabhängigem k-Faktor, beispielsweise Konstantan. Allerdings ist der elektrische Widerstand der ersten Leiterbahn ohne externe mechanische Spannung, also der Nullpunkt, temperaturabhängig. Die Temperaturausdehnung des Bauteils und des Dehnungsmessstreifens ist isotrop, aber unterschiedlich. Der k-Faktor und der Temperaturgang sind somit statisch zu kalibrieren.Advantageously, the first conductor track consists of a material with a substantially temperature-independent k-factor, for example constantan. However, the electrical resistance of the first conductor track without external mechanical stress, ie the zero point, is temperature-dependent. The temperature expansion of the component and the strain gauge is isotropic but different. The k-factor and the temperature response are thus statically calibrated.

Besonders günstig ist die Verwendung der beschriebenen Temperaturmessvorrichtung in der Verwendung von Dehnungsmessstreifen für dynamische Messvorgänge. Hierbei treten sowohl Dehnungen aufgrund von mechanischen Spannungen als auch Ausdehnungen aufgrund von Temperaturänderungen auf. Die Dehnungs- und Temperaturänderungen können eine Frequenz von über 1 kHz haben. Es ergeben sich dabei nämlich die im Folgenden beschriebenen Probleme.The use of the described temperature measuring device in the use of strain gauges for dynamic measuring operations is particularly favorable. In this case, both strains due to mechanical stresses and expansions due to temperature changes occur. The strain and temperature changes can have a frequency of over 1 kHz. This results in fact the problems described below.

Die Verwendung von metallischen und piezoresistiven Dehnungsmessstreifen ist insbesondere für die Anwendung in der technischen Mechanik bekannt. Sie werden in Wägezellen und Kraftaufnehmern als Sensorelemente benutzt.The use of metallic and piezoresistive strain gauges is known in particular for use in technical mechanics. They are used in load cells and load cells as sensor elements.

Üblicherweise werden Präzisionskraftaufnehmer aus Verformungskörpern hergestellt, auf die trägerfoliengebundene Dehnungsmessstreifen beispielsweise in Wheatstone-Brückenschaltung aufgeklebt werden. Die trägerfoliengebundenen Dehnungsmessstreifen bestehen dabei gegebenenfalls aus einer glasfaserverstärkten Kunststofffolie, auf die eine gewalzte und geätzte Metallfolie aufgebracht wird. Die Metallfolie hat dabei üblicherweise eine Dicke von wenigen μm und eine Strukturbreite von wenigen 10 μm. Damit die aufgebrachte Leiterbahn den für die Messung notwendigen elektrischen Widerstand, beispielsweise 350 Ω, aufweist, muss sie eine Minimallänge aufweisen. Um die Leiterbahn auf möglichst kleiner Messfläche unterzubringen, wird sie mäanderförmig geführt.Usually Präzisionskraftaufnehmer be prepared from deformation bodies, are glued to the carrier film-bonded strain gauges, for example in Wheatstone bridge circuit. If necessary, the carrier film-bonded strain gauges consist of a glass-fiber-reinforced plastic film onto which a rolled and etched metal foil is applied. The metal foil usually has a thickness of a few microns and a pattern width of a few 10 microns. In order for the applied conductor track to have the necessary electrical resistance, for example 350 Ω, it must have a minimum length. In order to accommodate the conductor track on the smallest possible measuring surface, it is guided meandering.

Ein wesentliches Problem bei der Anwendung von Dehnungsmessstreifen in Präzisionskraftaufnehmern ist die Kompensation des Zeitverhaltens, das so genannte „Kriechen”. Da die Größe und die Form der Umkehrstellen der mäanderförmig gelegten Leiterbahn das Kriechverhalten beeinflussen, ist der übliche Weg, das Kriechverhalten des Dehnungsmessstreifens auf das Verhalten des Werkstoffs des Verformungskörpers abzugleichen, die Wahl geeigneter Geometrien des Dehnungsmessstreifens.A major problem in the application of strain gauges in precision force transducers is the compensation of the time behavior, the so-called "creep". Since the size and the shape of the reversal points of the meander-shaped conductor track influence the creep behavior, the usual way to match the creep behavior of the strain gauge to the behavior of the material of the deformation body, the choice of suitable geometries of the strain gauge.

Besondere Ausgestaltungen der Form eines Dehnungsmessstreifens sind beispielsweise aus der DD 232 534 A5 und der US 2006/0288795 A1 bekannt. Aus der DD 269 909 A1 und der DE 10 2006 021 423 A1 ist bekannt, die Dehnungsmessstreifen nach sorgfältigem Einmessen manuell durch Widerstandsnetzwerke unter Verwendung redundanter Dehnungsmessstreifen oder Teilbereiche dieser mit leicht unterschiedlichem Verhalten abzugleichen.Particular embodiments of the form of a strain gauge are for example from the DD 232 534 A5 and the US 2006/0288795 A1 known. From the DD 269 909 A1 and the DE 10 2006 021 423 A1 It is known to calibrate the strain gauges after careful calibration manually by resistor networks using redundant strain gauges or sections thereof with slightly different behavior.

Ein weiteres Problem bei der Verwendung von Dehnungsmessstreifen in Präzisionskraftaufnehmern ist die Temperaturkompensation. Wie oben dargelegt, können Spannungen, die in bekannten Dehnungsmessstreifen durch eine Temperaturänderung des zu vermessenden Bauteils hervorgerufen werden, nicht von Spannungen unterschieden werden, die im Dehnungsmessstreifen aufgrund von Dehnungen des zu vermessenden Bauteils durch externe mechanische Spannungen entstehen.Another problem with the use of strain gages in precision force transducers is the temperature compensation. As stated above, stresses which are caused in known strain gauges by a change in temperature of the component to be measured can not be distinguished from stresses occurring in the strain gage due to Strains of the component to be measured by external mechanical stresses arise.

In der DE 31 13 745 A1 wird ein Dünnschichtdehnungsmessstreifen beschrieben, der im Kathodenzerstäubungsverfahren auf den zu vermessenden Verformungskörper aufgebracht wird. Ein Abgleich des Temperaturverhaltens wird in dieser Druckschrift durch geschickte Wahl der Metalllegierung und der Dotierung mit Stickstoff vorgenommen. Eine Kompensation des Kriechens wird nicht vorgenommen.In the DE 31 13 745 A1 describes a thin film strain gauge, which is applied by sputtering process on the deformation body to be measured. A comparison of the temperature behavior is made in this document by skillful choice of the metal alloy and the doping with nitrogen. A compensation of the creep is not made.

Bis heute werden Dünnschichtdehnungsmessstreifen nicht für Präzisionskraftaufnehmer höchster Qualität verwendet. Aus der DE 694 23 100 T2 ist ein Dehnungsaufnehmer mit integrierter Temperaturmessung bekannt. In ihr wird eine integrierte Schaltung zur Druckmessung beschrieben, die aus druckempfindlichen und nicht druckempfindlichen Widerständen ein separates Druck- und Temperatursignal extrahiert. Die Widerstände und ihre Problemanpassung werden hingegen nicht beschrieben.To date, thin film strain gauges are not used for precision force transducers of the highest quality. From the DE 694 23 100 T2 is a strain transducer with integrated temperature measurement known. It describes an integrated circuit for pressure measurement, which extracts a separate pressure and temperature signal from pressure-sensitive and non-pressure-sensitive resistors. The resistors and their problem adaptation, however, are not described.

Die genannten Probleme treten insbesondere bei der Verwendung von Dehnungsmessstreifen für dynamische Messvorgänge auf. Die Temperaturkompensation und die Kalibrierung der Dehnung oder der jeweiligen damit zusammenhängenden Messgröße werden im statischen Lastfall vorgenommen. In diesem Fall werden Temperaturausgleichsvorgänge nicht berücksichtigt.The problems mentioned occur in particular when using strain gauges for dynamic measuring operations. The temperature compensation and the calibration of the strain or the respective associated measured variable are carried out in the static load case. In this case, temperature compensation processes are not taken into account.

Bei Stauchung oder Dehnung von Verformungskörpern tritt in Kombination mit der Querkontraktion des verformten Körpers eine Volumenänderung und damit eine instantane adiabatische Temperaturänderung ein. Diese wird durch die geleistete mechanische Arbeit bewirkt. Durch diese Temperaturänderung entsteht eine der Ursache entgegengesetzte mechanische Spannung, die scheinbar den Elastizitätsmodul erhöht. In der Literatur wird daher zwischen dem statischen und dem dynamischen Elastizitätsmodul unterschieden. Der Unterschied zwischen beiden Elastizitätsmodulen kann je nach Material mehrere Prozent betragen, was für Präzisionsmessungen intolerabel ist. In Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Verformungsvorgänge und der Wärmeableitung im verformten Material gibt es dabei einen unbekannten kontinuierlichen Übergang zwischen den beiden Elastizitätsmodulen.During compression or elongation of deformation bodies, a change in volume and thus an adiabatic change in temperature occur in combination with the transverse contraction of the deformed body. This is effected by the mechanical work done. This temperature change creates a mechanical stress opposite to the cause, which apparently increases the modulus of elasticity. In the literature, therefore, a distinction is made between the static and the dynamic Young's modulus. Depending on the material, the difference between the two moduli of elasticity can be several percent, which is intolerable for precision measurements. Depending on the speed of the deformation processes and the heat dissipation in the deformed material, there is an unknown continuous transition between the two moduli of elasticity.

Bei Ringtorsionsaufnehmern oder Scherelementen ist dies prinzipbedingt reduziert, da hier eine Volumenänderung in erster Ordnung nicht auftritt. Somit tritt hier auch keine adiabatische Temperaturänderung auf. Aus konstruktiven oder produktionstechnischen Gründen ist es jedoch erwünscht, normale Stauchkörper zu verwenden.In the case of ring torsional transducers or shear elements, this is inherently reduced, since a volume change in the first order does not occur here. Thus, no adiabatic temperature change occurs here. For design or production reasons, however, it is desirable to use normal compression body.

Insbesondere bei dynamischer Kraftmessung mit Frequenzen bis in den Kilohertzbereich ist zusätzlich mit innerer Reibung und Reibung in den Verbindungselementen zu rechnen. Temperaturgradienten im Verformungskörper führen mit der Temperaturausdehnung und Wärmeleitung zu mechanischen Spannungen, die an der Messstelle zu unerwarteten zeitabhängigen Dehnungen führen können. Es kommt aufgrund dieser Wechselwirkungen zu weiteren Zeitabhängigkeiten des Messsignals, falls die Krafteinkopplung in den Kraftaufnehmer äußeren Zwangsbedingungen unterliegt oder dessen thermische Ausdehnung die potentielle Energie ändert. Betrachtet man den Frequenzgang der Empfindlichkeit bzw. des Ansprechvermögens, so ist dieser nicht flach, sondern kann charakteristische Abstufungen bei den Frequenzen aufweisen, die den reziproken typischen Zeitkonstanten für den Temperaturausgleich entsprechen.In particular, with dynamic force measurement with frequencies up to the kilohertz range is to be expected in addition to internal friction and friction in the connecting elements. Temperature gradients in the deformation body lead to mechanical expansion with thermal expansion and thermal conduction, which can lead to unexpected time-dependent strains at the measuring point. Due to these interactions, further time dependencies of the measurement signal occur if the force input into the force transducer is subject to external constraints or whose thermal expansion changes the potential energy. Considering the frequency response of the sensitivity or the response, this is not flat, but may have characteristic gradations at the frequencies corresponding to the reciprocal typical time constant for the temperature compensation.

Die Erfindung löst gemäß einem Aspekt folglich auch die Aufgabe, eine Vorrichtung zum Messen einer Dehnung eines Bauteils bereitzustellen, mit der Effekte, die durch eine Temperaturänderung im zu vermessenden Bauteil hervorgerufen werden, von Effekten unterschieden werden können, die durch eine Dehnung des Bauteils aufgrund mechanischer Spannungen auftreten, so dass die Messgenauigkeit weniger von der Frequenz der mechanischen Dehnung abhängt als bei Dehnungsmessvorrichtungen nach dem Stand der Technik.The invention accordingly also has the object, according to one aspect, of providing a device for measuring an elongation of a component with which effects caused by a temperature change in the component to be measured can be distinguished from effects which are caused by an elongation of the component due to mechanical stress Stress occurs, so that the measurement accuracy depends less on the frequency of mechanical strain than in the prior art strain gauges.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen einer Dehnung eines Bauteils, mit wenigstens einem Dehnungssensor, der eine zweite Leiterbahn mit zwei Enden umfasst, zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine oben beschriebene Temperaturmessvorrichtung umfasst.A device according to the invention for measuring an elongation of a component, with at least one strain sensor comprising a second conductor track with two ends, is characterized in that it comprises a temperature measuring device described above.

Zwischen den beiden Enden der zweiten Leiterbahn des Dehnungssensors wird zur Messung der Dehnung des Bauteils der elektrische Widerstand gemessen. Dies geschieht beispielsweise auf herkömmliche Art und Weise, so dass eine gemessene Widerstandsänderung sowohl von thermischer Ausdehnung des zu vermessenden Bauteils als auch durch Dehnungen aufgrund externen mechanischer Spannungen hervorgerufen werden kann. Durch die Verwendung einer oben beschriebenen Vorrichtung zum Messen einer Temperatur eines Bauteils ist die Temperatur des Bauteils unabhängig von Dehnungen des Bauteils aufgrund mechanischer Spannungen bestimmbar. Somit ist sichergestellt, dass aus dem zwischen den beiden Enden der zweiten Leiterbahn des Dehnungssensors gemessenen elektrischen Widerstand der Anteil herausgerechnet werden kann, der durch eine Temperaturänderung des Bauteils hervorgerufen wird. Somit ermöglicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen einer Dehnung eines Bauteils eine temperaturkompensierte Dehnungsmessung.Between the two ends of the second trace of the strain sensor, the electrical resistance is measured to measure the elongation of the component. This is done, for example, in a conventional manner, so that a measured change in resistance can be caused both by thermal expansion of the component to be measured and by strains due to external mechanical stresses. By using a device for measuring a temperature of a component described above, the temperature of the component is independent of strains of the component due to mechanical stresses determined. Thus, it is ensured that the proportion measured between the two ends of the second trace of the strain sensor, which is caused by a temperature change of the component, can be eliminated. Thus, an inventive device for measuring a Elongation of a component a temperature-compensated strain measurement.

Vorzugsweise besteht die zweite Leiterbahn aus wenigstens einer dritten Teil-Leiterbahn mit einer dritten Breite und einer vierten Teil-Leiterbahn mit einer vierten Breite, die größer ist als die dritte Breite der dritten Teil-Leiterbahn.Preferably, the second trace consists of at least a third sub-trace having a third width and a fourth sub-trace having a fourth width, which is greater than the third width of the third sub-trace.

Vorzugsweise verläuft die erste Teil-Leiterbahn parallel zur dritten Teil-Leiterbahn oder zur vierten Teil-Leiterbahn.The first partial printed conductor preferably runs parallel to the third partial printed conductor or to the fourth partial printed conductor.

Besonders bevorzugt beträgt ein Abstand A zwischen der ersten Leiterbahn und der zweiten Leiterbahn weniger als die dreifache Breite der ersten Teil-Leiterbahn. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die über die Temperaturmessvorrichtung ermittelte Temperatur des Bauteils sehr nahe an der Stelle des Bauteils ermittelt wird, an der auch die Dehnungsmessung stattfindet. So werden Phasenverschiebungen zwischen der gemessenen Dehnung und der gemessenen Temperatur verringert, wie sie beispielsweise bei dynamischen Dehnungen aufgrund der endlichen Temperaturleitfähigkeit des Bauteilmaterials auftreten können, und die Messgenauigkeit steigt.Particularly preferably, a distance A between the first printed conductor and the second printed conductor is less than three times the width of the first partial printed conductor. In this way, it is ensured that the temperature of the component determined via the temperature measuring device is determined very close to the location of the component on which the strain measurement also takes place. Thus, phase shifts between the measured strain and the measured temperature are reduced, as can occur, for example, in dynamic strains due to the finite thermal conductivity of the component material, and the measurement accuracy increases.

Vorteilhafterweise besteht die erste Leiterbahn aus dem gleichen Material wie die zweite Leiterbahn. Die einzelnen Teil-Leiterbahnen verlaufen vorzugsweise geradlinig.Advantageously, the first conductor track consists of the same material as the second conductor track. The individual partial printed conductors preferably run in a straight line.

Vorzugsweise handelt es sich bei der ersten Leiterbahn und der zweiten Leiterbahn um Dünnschichtleiterbahnen mit einer Dicke von weniger als 1 μm. Dadurch gelingt eine sehr steife mechanische Ankopplung an die Oberfläche des zu vermessenden Bauteils, um ein gutes Zeitverhalten, also eine direkte Reaktion des Dehnungsmessstreifens auf Dehnungen des Bauteils, im Mikrosekundenbereich zu gewährleisten.Preferably, the first conductor track and the second conductor track are thin-film conductor tracks having a thickness of less than 1 μm. This achieves a very rigid mechanical coupling to the surface of the component to be measured in order to ensure a good time response, ie a direct reaction of the strain gauge to expansions of the component, in the microsecond range.

Zudem ist auf diese Weise eine sehr gute thermische Kopplung des Dehnungsmessstreifens an die Oberfläche des Bauteils gewährleistet, wodurch Phasenverschiebungen zwischen Dehnungs- und Temperatursignal weiter reduziert werden.In addition, in this way a very good thermal coupling of the strain gauge is ensured to the surface of the component, whereby phase shifts between strain and temperature signal can be further reduced.

Die Herstellung von Dünnschichtleiterbahnen ist zudem einfach, schnell und somit kostengünstig und zudem langzeitstabil unter statischen Messbedingungen mit Reproduzierbarkeit des Kennwertes besser als 10 ppm vom Dehnungswert. Somit wird auch das Problem des Kriechens stark verringert. Durch die Verwendung von Dünnschichtleiterbahnen, insbesondere auf anorganischer Basis, kann eine Vorrichtung zum Messen einer Dehnung eines Bauteils bei den bevorzugten elektrischen Kennwerten, beispielsweise Widerständen im Bereich von 350 Ω und einer 5-V-Speisung, betrieben werden.The production of thin-film conductors is also simple, fast and therefore cost-effective and also stable for a long time under static measurement conditions with reproducibility of the characteristic value better than 10 ppm of the elongation value. Thus, the problem of creep is greatly reduced. By using thin film conductors, particularly on an inorganic basis, an apparatus for measuring strain of a component can be operated at the preferred electrical characteristics, such as resistances in the range of 350 Ω and a 5V supply.

Durch das Zusammenspiel von örtlich eng zusammen liegenden und thermisch gut an das zu vermessende Bauteil gekoppelten Temperatur- und Dehnungssensor können schnelle zeitabhängige Effekte aufgrund thermisch induzierter mechanischer Spannungen kompensiert werden, obwohl die notwendigen Kalibrierparameter oder Justierungen statisch gewonnen werden.Due to the interplay of locally close together and thermally well coupled to the component to be measured temperature and strain sensor fast time-dependent effects due to thermally induced mechanical stresses can be compensated, although the necessary calibration parameters or adjustments are obtained statically.

Vorteilhafterweise umfasst eine Vorrichtung zum Messen einer Dehnung eines Bauteils zwei Dehnungssensoren und zwei oben beschriebene Temperaturmessvorrichtungen, die in Form einer Wheatstone'schen Brücke angeordnet sind. Dies ist ein Sonderfall der Serien- und Parallelverschaltung, durch die ein temperaturkompensierter Dehnungssensor erreicht wird. Durch die Verwendung einer Schaltung in Form einer Wheatstone'schen Brücke wird die Messgenauigkeit bis auf 10^–9 erhöht.Advantageously, a device for measuring an elongation of a component comprises two strain sensors and two temperature measuring devices described above, which are arranged in the form of a Wheatstone bridge. This is a special case of series and parallel connection, through which a temperature-compensated strain sensor is achieved. By using a circuit in the form of a Wheatstone bridge, the measurement accuracy is increased to 10 ^-9 .

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung zur Messung einer Dehnung eines Bauteils eine elektrische Steuerung, die eingerichtet ist, aus einem elektrischen Widerstand, der zwischen den Enden der ersten Leiterbahn messbar ist, die Temperatur eines unter der Dehnungsmessvorrichtung liegenden Bauteils zu errechnen. Besonders vorteilhafterweise ist die Steuerung eingerichtet, aus der Temperatur des Bauteils und einem elektrischen Widerstand, der zwischen den Enden der zweiten Leiterbahn messbar ist, eine temperaturkompensierte mechanische Spannung des Bauteils zu errechnen.Preferably, the device for measuring an elongation of a component comprises an electrical controller which is set up to calculate the temperature of a component under the strain-measuring device from an electrical resistance which can be measured between the ends of the first conductor track. Particularly advantageously, the controller is set up to calculate a temperature-compensated mechanical stress of the component from the temperature of the component and an electrical resistance which can be measured between the ends of the second conductor track.

Durch eine geeignete Formgebung der verschiedenen Leiterbahnen wird eine lokale kleinflächige Messung von Dehnung und Temperatur erreicht. Dies ermöglicht zudem eine einfache Strukturierung sowie einfache Geometrieparameter, und eine nachträgliche Abgleichbarkeit, um Fertigungstoleranzen auszugleichen. Durch geeignete Wahl der Breiten der dritten Teil-Leiterbahn und der vierten Teil-Leiterbahn hat der Dehnungssensor vorteilhafterweise nur eine empfindliche Richtung.By appropriate shaping of the various tracks, a local small-area measurement of strain and temperature is achieved. This also allows a simple structuring and simple geometry parameters, and a subsequent Abgleichbarkeit to compensate for manufacturing tolerances. By suitable choice of the widths of the third sub-trace and the fourth sub-trace, the strain sensor advantageously has only one sensitive direction.

Eine oben beschriebene Vorrichtung zum Messen einer Dehnung eines Bauteils ist vorteilhafterweise auf dem zu vermessenden Bauteil angeordnet. Dabei sind die erste Leiterbahn und die zweite Leiterbahn vorzugsweise auf das Bauteil im Kathodenstrahlzerstäubungsverfahren aufgebracht. Besonders vorteilhafterweise ist die erste Leiterbahn und die zweite Leiterbahn auf eine auf das Bauteil aufgebrachte isolierende Schicht aufgedampft.An apparatus for measuring an elongation of a component as described above is advantageously arranged on the component to be measured. In this case, the first interconnect and the second interconnect are preferably applied to the component in the cathode jet sputtering process. Particularly advantageously, the first conductor track and the second conductor track are vapor-deposited onto an insulating layer applied to the component.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigtIn the following, embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. It shows

1 eine schematische Draufsicht auf Leiterbahnen einer Dehnungsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 a schematic plan view of conductor tracks of a strain gauge according to an embodiment of the present invention.

2 eine schematische Draufsicht auf Leiterbahnen einer Dehnungsmessvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 2 FIG. 2 is a schematic plan view of conductor tracks of a strain gauge device according to another embodiment of the present invention; FIG.

3 eine schematische Draufsicht auf Leiterbahnen einer Dehnungsmessvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 3 FIG. 2 is a schematic plan view of traces of a strain gauge according to a third embodiment of the present invention; FIG.

4 eine schematische Draufsicht auf Leiterbahnen einer Dehnungsmessvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 4 a schematic plan view of conductor tracks of a strain gauge according to a fourth embodiment of the present invention, and

5 eine schematische Ansicht einer auf ein Bauteil aufgebrauchten Dehnungsmessvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 5 a schematic view of a spent on a component strain gauge according to an embodiment of the present invention.

1 zeigt eine Anordnung von Leiterbahnen einer Dehnungsmessvorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Eine erste Leiterbahn 2 besteht aus einer ersten Teil-Leiterbahn 4 und einer zweiten Teil-Leiterbahn 6, die einen Winkel α einschließen. Im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Winkel α ein rechter Winkel. 1 shows an arrangement of conductor tracks of a strain gauge according to an embodiment of the present invention. A first trace 2 consists of a first partial track 4 and a second sub-trace 6 which include an angle α. Im in 1 shown embodiment, the angle α is a right angle.

Die erste Leiterbahn 2 verfügt über zwei Enden 2a, 2b, zwischen denen ein elektrischer Widerstand der ersten Leiterbahn 2 messbar ist. Die in 1 gezeigte Anordnung von Leiterbahnen 2, 8, beispielsweise durch Aufdampfen, Aufsputtern oder eine andere Dünnschichtabscheidetechnik, ist auf ein Bauteil 3 aufgebracht, das in einer Dehnungsrichtung P gedehnt wird, die in 1 durch einen Pfeil angedeutet ist. Ein elektrischer Widerstand, der zwischen den Enden 2a und 2b der ersten Leiterbahn 2 messbar ist, setzt sich aus einem ersten Teilwiderstand R1 der ersten Teil-Leiterbahn 4 und einem zweiten Teilwiderstand R2 der zweiten Teil-Leiterbahn 6 zusammen.The first trace 2 has two ends 2a . 2 B , between which an electrical resistance of the first conductor track 2 is measurable. In the 1 shown arrangement of conductor tracks 2 . 8th For example, by vapor deposition, sputtering or other Dünnschichtabscheidetechnik is on a component 3 is applied, which is stretched in a direction of elongation P in 1 indicated by an arrow. An electrical resistance between the ends 2a and 2 B the first trace 2 is measurable, is composed of a first partial resistance R1 of the first part of the track 4 and a second partial resistance R2 of the second partial printed conductor 6 together.

Wird das unter der in 1 gezeigten Leiterbahnanordnung liegende Bauteil 3 entlang der Hauptspannungsrichtung P gedehnt, führt dies aufgrund einer Querkontraktion zu einer betraglich kleineren Stauchung in einer senkrecht zur Hauptspannungsrichtung liegenden Richtung. In diesem Fall wird die erste Teil-Leiterbahn 4 gedehnt, während die zweite Teil-Leiterbahn 6 gestaucht wird. Der elektrische Widerstand R1 der ersten Teil-Leiterbahn 4 wird folglich erhöht, während der elektrische Widerstand R2 der zweiten Teil-Leiterbahn 6 abgesenkt wird. Durch eine geeignete Wahl einer ersten Breite B1 der ersten Teil-Leiterbahn 4 und einer zweiten Breite B2 der zweiten Teil-Leiterbahn 6 kompensieren die Änderungen in den elektrischen Widerständen der ersten Teil-Leiterbahn 4 und der zweiten Teil-Leiterbahn 6 einander. Der erste Widerstand R1, der zwischen den Enden 2a und 2b der ersten Leiterbahn 2 gemessen wird, verändert sich folglich bei einer Dehnung des Bauteils in Hauptspannungsrichtung P nicht. Die beschriebenen Leiterbahnen sind Teil einer Temperaturmessvorrichtung 7.Will that be under the in 1 shown conductor track assembly lying component 3 stretched along the main stress direction P, this leads to a smaller compression in a direction perpendicular to the main stress direction due to a transverse contraction. In this case, the first part trace 4 stretched while the second part-track 6 is compressed. The electrical resistance R1 of the first partial conductor 4 is thus increased while the electrical resistance R2 of the second sub-trace 6 is lowered. By a suitable choice of a first width B1 of the first partial printed conductor 4 and a second width B2 of the second sub-trace 6 compensate for the changes in the electrical resistances of the first sub-trace 4 and the second sub-trace 6 each other. The first resistor R1, between the ends 2a and 2 B the first trace 2 is measured, therefore, does not change at an elongation of the component in the main stress direction P. The printed conductors described are part of a temperature measuring device 7 ,

In 1 ist zudem eine zweite Leiterbahn 8 gezeigt, die aus einer dritten Teil-Leiterbahn 10 und einer vierten Teil-Leiterbahn 12 besteht und über zwei Enden 8a, 8b verfügt. Wird das unter der gezeigten Leiterbahnanordnung liegende Bauteil 3 entlang der Hauptspannungsrichtung P gedehnt, wird ein elektrischer Widerstand R3 der dritten Teil-Leiterbahn 10 erhöht und ein elektrischer Widerstand R4 der vierten Teil-Leiterbahn 12 abgesenkt. Die Änderung der jeweiligen Widerstände ist proportional zum jeweiligen Widerstand.In 1 is also a second track 8th shown from a third part trace 10 and a fourth sub-trace 12 exists and has two ends 8a . 8b features. Will the lying under the printed wiring board assembly component 3 is stretched along the main stress direction P, an electrical resistance R3 of the third sub-trace becomes 10 increases and an electrical resistance R4 of the fourth sub-trace 12 lowered. The change of the respective resistances is proportional to the respective resistance.

In der in 1 gezeigten Ausführungsform weist die dritte Teil-Leiterbahn 10 eine deutlich geringere Breite B3 als die vierte Teil-Leiterbahn 12 auf. Daher ist der elektrische Widerstand R3 der dritten Teil-Leiterbahn 10 deutlich größer als der elektrische Widerstand R4 der vierten Teil-Leiterbahn 12. Somit ist auch die Änderung des elektrischen Widerstandes R3 der dritten Teil-Leiterbahn 10 größer als die Änderung des elektrischen Widerstandes R4 der vierten Teil-Leiterbahn 12. Die Änderungen der elektrischen Widerstände R3, R4 der dritten Teil-Leiterbahn 10 und der vierten Teil-Leiterbahn 12 können einander daher nicht kompensieren, so dass sich der zwischen den beiden Enden 8a und 8b messbare elektrische Widerstand der zweiten Leiterbahn 8 bei einer Dehnung des Bauteils entlang der Richtung P vergrößert.In the in 1 embodiment shown, the third part-conductor track 10 a significantly smaller width B3 than the fourth sub-track 12 on. Therefore, the electrical resistance R3 is the third sub-trace 10 significantly larger than the electrical resistance R4 of the fourth sub-trace 12 , Thus, the change of the electrical resistance R3 of the third sub-trace is also 10 greater than the change in the electrical resistance R4 of the fourth sub-trace 12 , The changes of the electrical resistors R3, R4 of the third sub-trace 10 and the fourth sub-trace 12 therefore can not compensate each other, so that the between the two ends 8a and 8b measurable electrical resistance of the second trace 8th increases in an expansion of the component along the direction P.

Die in 1 gezeigten Leiterbahnen bestehen beispielsweise aus Konstantan und weisen eine Dicke von weniger als 1 μm, beispielsweise 100 nm auf. Die Gesamtlänge der ersten Leiterbahn 2 beträgt beispielsweise unter 10 mm, hier 2 mm. Die Breite B1 der ersten Teil-Leiterbahn 4 beträgt beispielsweise 110 μm und die Breite B2 der zweiten Teil-Leiterbahn 6 beträgt beispielsweise 37 μm. Daraus ergibt sich der elektrische Widerstände R1 der ersten Teil-Leiterbahn 4 zu 87,5 Ω und der elektrische Widerstand R2 der zweiten Teil-Leiterbahn 6 zu 262,5 Ω.In the 1 For example, conductor tracks shown consist of constantan and have a thickness of less than 1 .mu.m, for example, 100 nm. The total length of the first trace 2 is for example less than 10 mm, here 2 mm. The width B1 of the first sub-trace 4 is for example 110 microns and the width B2 of the second sub-conductor 6 is for example 37 microns. This results in the electrical resistors R1 of the first sub-conductor 4 to 87.5 Ω and the electrical resistance R2 of the second sub-trace 6 to 262.5 Ω.

Die Breite B3 der dritten Teil-Leiterbahn 10 beträgt beispielsweise 192 μm, woraus sich der elektrische Widerstand R3 der dritten Teil-Leiterbahn 10 von 50 Ω ergibt. Die vierte Teil-Leiterbahn 12 weist beispielsweise eine Breite B4 von 32 μm auf, woraus sich der elektrische Widerstand R4 der vierten Teil-Leiterbahn 12 zu 300 Ω ergibt.The width B3 of the third sub-trace 10 is for example 192 microns, resulting in the electrical resistance R3 of the third sub-track 10 of 50 Ω. The fourth partial track 12 For example, has a width B4 of 32 microns, resulting in the electrical resistance R4 of the fourth sub-track 12 to 300 Ω.

Wird das unter der in 1 gezeigten Leiterbahnanordnung befindliche Bauteil 3 erwärmt, dehnt es sich sowohl in der Hauptspannungsrichtung P als auch in der dazu senkrecht verlaufenden Richtung isotrop aus. In diesem Fall steigen die Teilwiderstände R1 bis R4 der Teil-Leiterbahnen 4, 6, 10, 12 an. Eine Kompensation der Widerstandsänderungen ist nicht möglich. Will that be under the in 1 shown conductor track assembly located component 3 heated, it expands isotropically both in the principal direction of tension P and in the direction perpendicular thereto. In this case, the partial resistances R1 to R4 of the partial printed conductors increase 4 . 6 . 10 . 12 at. A compensation of the resistance changes is not possible.

Durch die geeignete Wahl der Breiten B1 und B2 der ersten Teil-Leiterbahn 4 und der zweiten Teil-Leiterbahn 6 verändert sich der zwischen den Enden 2a, 2b der ersten Leiterbahn 2 gemessene Widerstand nur, wenn sich das zu vermessende Bauteil erwärmt und somit eine isotrope Ausdehnung stattfindet. Somit kann aus einer Änderung dieses Widerstandes auf eine Temperaturveränderung des zu vermessenden Bauteils 3 geschlossen werden.By the appropriate choice of the widths B1 and B2 of the first part-track 4 and the second sub-trace 6 it changes between the ends 2a . 2 B the first trace 2 measured resistance only when the component to be measured heats up and thus an isotropic expansion takes place. Thus, from a change of this resistance to a change in temperature of the component to be measured 3 getting closed.

Der zwischen den Enden 8a und 8b der zweiten Leiterbahn 8 gemessene Widerstand verändert sich hingegen sowohl bei einer Temperaturerhöhung des zu vermessenden Bauteils 3 als auch bei einer Dehnung des Bauteils 3 entlang der Richtung P. Dabei ist die Änderung des elektrischen Widerstandes R4 der vierten Teil-Leiterbahn 12 durch große Breite B4 sehr gering.The one between the ends 8a and 8b the second trace 8th measured resistance, however, changes both at a temperature increase of the component to be measured 3 as well as at an elongation of the component 3 along the direction P. Here, the change of the electrical resistance R4 of the fourth sub-trace is 12 very small due to the large width B4.

Die Änderung des zwischen den Enden 8a und 8b gemessenen Widerstandes wird folglich bestimmt von der Änderung des elektrischen Widerstandes R3 der dritten Teil-Leiterbahn 10. Hier ist eine Unterscheidung zwischen einer Dehnung des Bauteils 3 in Hauptspannungsrichtung P und einer Erwärmung des Bauteils 3, die eine isotrope Ausdehnung des Bauteils zur Folge hat, nicht möglich. Da jedoch aus der Widerstandsmessung zwischen den Enden 2a und 2b der ersten Leiterbahn 2 die Temperaturänderung des Bauteiles errechnet werden kann, ermöglicht die in 2 gezeigte Leiterbahnanordnung eine temperaturkompensierte Dehnungsmessung.The change of between the ends 8a and 8b measured resistance is thus determined by the change in the electrical resistance R3 of the third sub-trace 10 , Here is a distinction between an elongation of the component 3 in the main direction P and a heating of the component 3 , which results in an isotropic expansion of the component, not possible. However, because of the resistance measurement between the ends 2a and 2 B the first trace 2 the temperature change of the component can be calculated, allows in 2 shown trace arrangement a temperature-compensated strain measurement.

In 1 und den folgenden Figuren wirkt somit eine Leiterbahn, deren breitere Teil-Leiterbahn sich in Richtung des Pfeils P erstreckt, als ein Temperatursensor, da sich der zwischen ihren Enden gemessene elektrische Widerstand bei einer Dehnung des Bauteils in Richtung des Pfeils P nicht ändert. Eine Leiterbahn, deren breitere Teil-Leiterbahn sich senkrecht zur Richtung des Pfeils P erstreckt wirkt hingegen als Dehnungssensor.In 1 and the following figures, a printed conductor whose broad partial printed conductor extends in the direction of the arrow P thus acts as a temperature sensor, since the electrical resistance measured between its ends does not change in the direction of the arrow P when the component is stretched. A conductor track, whose wider sub-trace extends perpendicular to the direction of the arrow P, however, acts as a strain sensor.

Ein Abstand A zwischen der ersten Leiterbahn 2 und der zweiten Leiterbahn 8 beträgt vorteilhafterweise weniger als die dreifache Breite B1 der ersten Teil-Leiterbahn 4. So ist sichergestellt, dass die Temperaturmessung und die Messung der Dehnung räumlich nah bei einander erfolgen. Dies führt zu einer Verringerung von Phasenverschiebungen bei zeitabhängigem Dehnungs- und Temperatursignal.A distance A between the first trace 2 and the second conductor 8th is advantageously less than three times the width B1 of the first sub-track 4 , This ensures that the temperature measurement and the measurement of the strain are spatially close to each other. This leads to a reduction of phase shifts with time-dependent strain and temperature signal.

In 2 ist eine Leiterbahnanordnung einer Dehnungsmessvorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gezeigt. In ihr sind zwei Temperaturmessvorrichtungen und zwei Dehnungssensoren in Form einer Wheatstone'schen Brücke miteinander verschaltet.In 2 1, a trace arrangement of a strain gauge according to another embodiment of the present invention is shown. In her two temperature measuring devices and two strain sensors in the form of a Wheatstone bridge are interconnected.

Wie in 1 weist auch die in 2 gezeigte Ausführungsform eine erste Leiterbahn 2, die aus einer ersten Teil-Leiterbahn 4 und einer zweiten Teil-Leiterbahn 6 besteht und eine zweite Leiterbahn 8 auf, die aus einer dritten Teil-Leiterbahn 10 und einer vierten Teil-Leiterbahn 12 besteht. Die Hauptspannungsrichtung, in der das unter der gezeigten Leiterbahnanordnung liegende Bauteil 3 gedehnt werden soll, wird wieder durch einen Pfeil P angedeutet.As in 1 also has the in 2 embodiment shown a first conductor track 2 coming from a first part track 4 and a second sub-trace 6 exists and a second trace 8th on, coming from a third sub-track 10 and a fourth sub-trace 12 consists. The main stress direction in which the lying under the printed wiring board assembly component 3 is to be stretched, is again indicated by an arrow P.

Zusätzlich verfügt die in 2 gezeigte Ausführungsform über eine dritte Leiterbahn 14, die über eine fünfte Teil-Leiterbahn 16 und eine sechste Teil-Leiterbahn 18 verfügt und über eine vierte Leiterbahn 20, die aus einer siebten Teil-Leiterbahn 22 und einer achten Teil-Leiterbahn 24 besteht. Sowohl bei der ersten Leiterbahn 2 als auch bei der dritten Leiterbahn 14 erstreckt sich die breitete Teil-Leiterbahn 4, 16 entlang der Richtung des Pfeils P. Diese Leiterbahnen 2, 14, wirken folglich als Temperatursensor.In addition, the in 2 shown embodiment via a third conductor track 14 that has a fifth sub-trace 16 and a sixth sub-trace 18 has and a fourth trace 20 coming from a seventh partial track 22 and an eighth sub-trace 24 consists. Both at the first track 2 as well as at the third track 14 extends the wide part-track 4 . 16 along the direction of the arrow P. These tracks 2 . 14 , thus act as a temperature sensor.

Die breitere Teil-Leiterbahn 12, 24 der zweiten Leiterbahn 8 und der vierten Leiterbahn 20 erstrecken sich hingegen senkrecht zur Richtung des Pfeils P, so dass diese Leiterbahnen 8, 20 als Dehnungssensor wirken. Durch die in 2 gezeigte Verschaltung der vier Leiterbahnen 2, 8, 14, 20 in Form einer Wheatstone'schen Brückenschaltung wird die Messgenauigkeit unter 10^–8, im vorliegenden Fall bis auf unter 10^–9 gesteigert.The wider sub-trace 12 . 24 the second trace 8th and the fourth trace 20 however, extend perpendicular to the direction of the arrow P, so that these interconnects 8th . 20 act as a strain sensor. By the in 2 shown interconnection of the four tracks 2 . 8th . 14 . 20 in the form of a Wheatstone bridge circuit, the measurement accuracy is increased below 10 ^-8 , in the present case to below 10 ^-9 .

3 zeigt eine Leiterbahnanordnung einer Dehnungsmessvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die in 3 gezeigte Ausführungsform entspricht der in 1 gezeigten Form, mit dem Unterschied, dass der von der ersten Teil-Leiterbahn 4 und der zweiten Teil-Leiterbahn 6 eingeschlossene Winkel α kein rechter Winkel ist. 3 shows a wiring arrangement of a strain gauge according to another embodiment of the present invention. In the 3 embodiment shown corresponds to in 1 shown form, with the difference that of the first part conductor 4 and the second sub-trace 6 included angle α is not a right angle.

Wie bereits dargelegt, führt eine Dehnung des unter der Leiterbahnanordnung liegenden Bauteils in Hauptspannungsrichtung P zu einer Stauchung des Bauteils senkrecht zur Richtung des Pfeils P. Diese Stauchung führt zu einer Verringerung des zweiten Widerstandes R2 der zweiten Teil-Leiterbahn 6. Durch geeignete Wahl des Winkels α ist dieser Effekt einstellbar. Die Verringerung des zweiten Widerstandes R2 der zweiten Teilleiterbahn 6 ist am größten, wenn der Winkel α ein rechter Winkel ist. Eine Abweichung vom rechten Winkel führt zu einer Verringerung der Widerstandsänderung im zweiten Widerstand R2 der zweiten Teilleiterbahn 6. Die Breite B1 der ersten Teil-Leiterbahn 4, die Breite B2 der zweiten Teil-Leiterbahn 6 und der Winkel α werden dabei so aufeinander abgestimmt, dass sich die Widerstandsänderungen im ersten Widerstand R1 der ersten Teil-Leiterbahn 4 und im zweiten Widerstand R2 der zweiten Teil-Leiterbahn 6 bei einer Dehnung des Bauteils entlang der Richtung des Pfeils P gerade gegenseitig kompensieren.As already stated, an expansion of the lying under the track assembly component in the main voltage direction P to a compression of the component perpendicular to the direction of the arrow P. This compression leads to a reduction of the second resistor R2 of the second sub-trace 6 , By suitable choice of the angle α, this effect is adjustable. The reduction of the second resistor R2 of the second sub-trace 6 is greatest when the angle α is a right angle. A deviation from the right angle leads to a reduction of the resistance change in the second resistor R2 of the second partial conductor track 6 , The width B1 of the first sub-trace 4 , the width B2 of the second sub-trace 6 and the angle α are matched to one another in such a way that the changes in resistance in the first resistor R1 of the first partial conductor track 4 and in the second resistor R2 of the second sub-trace 6 at a stretch of the component along the direction of the arrow P just compensate each other.

4 zeigt eine Dehnungsmessvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die in 4 gezeigte Leiterbahnanordnung verfügt über vier Temperatursensoren 30, 32, 34, 36, die jeweils aus zwei Teil-Leiterbahnen bestehen, von denen die breitere sich entlang der Richtung des Pfeils P erstreckt, der wieder die Dehnungsrichtung eines unter der Anordnung liegenden Bauteils andeutet. Durch die Verwendung von vier Temperatursensoren 30, 32, 34, 36, wird die Messgenauigkeit deutlich erhöht. 4 shows a strain gauge according to another embodiment of the present invention. In the 4 shown trace arrangement has four temperature sensors 30 . 32 . 34 . 36 , each consisting of two sub-tracks, of which the wider extends along the direction of the arrow P, which again indicates the direction of elongation of an underlying device assembly. By using four temperature sensors 30 . 32 . 34 . 36 , the measurement accuracy is significantly increased.

Zudem weist die in 4 gezeigte Ausführungsform drei Leiterbahnen 40, 42, 44 auf, die jeweils aus fünf Teil-Leiterbahnen bestehen. Die jeweils breiteren dieser Teil-Leiterbahnen erstrecken sich senkrecht zur Richtung des Pfeils P. Die Leiterbahnen 40, 42, 44 wirken folglich als Dehnungssensor. Die Leiterbahnen 40, 42, 44 weisen gemeinsame Enden 46, 48 auf. Wie oben bereits dargelegt, wird eine Änderung des zwischen den Enden 46, 48 gemessenen Widerstandes durch die Änderung der Teilwiderstände in den schmaleren Teil-Leiterbahnen der Leiterbahnen 40, 42, 44 bestimmt. Durch die große Breite der breiten Teil-Leiterbahnen der Leiterbahnen 40, 42, 44 weisen diese einen geringen Widerstand und somit auch eine geringe Widerstandsänderung auf. Die eigentliche Dehnung des Bauteils in Richtung des Pfeils P wird folglich entlang der schmaleren Teil-Leiterbahnen der Leiterbahnen 40, 42, 44 gemessen.In addition, the in 4 embodiment shown three tracks 40 . 42 . 44 on, each consisting of five sub-tracks. The respective wider of these partial printed conductors extend perpendicular to the direction of the arrow P. The printed conductors 40 . 42 . 44 thus act as a strain sensor. The tracks 40 . 42 . 44 share common ends 46 . 48 on. As stated above, there is a change in between the ends 46 . 48 measured resistance due to the change of the partial resistances in the narrower partial printed conductors of the printed conductors 40 . 42 . 44 certainly. Due to the large width of the wide part-tracks of the tracks 40 . 42 . 44 these have a low resistance and thus also a small change in resistance. The actual elongation of the component in the direction of the arrow P is consequently along the narrower partial printed conductors of the printed conductors 40 . 42 . 44 measured.

Durch die in 4 gezeigte Anordnung der Leiterbahnen wird eine Dehnung des unter der Leiterbahnanordnung liegenden Bauteils in Richtung des Pfeils P an den sechs schmaleren Teil-Leiterbahnen der Leiterbahnen 40, 42, 44 gemessen. Diese liegen um die Temperatursensoren 30, 32, 34, 36 herum. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass der Bereich auf der Oberseite des Bauteiles, in dem die Dehnung des Bauteils gemessen wird, mit dem Bereich, in dem die Temperatur des Bauteils gemessen wird, weitgehend übereinstimmt. Dies hat eine erhöhte Messgenauigkeit sowie eine weitere Verringerung von Phasenverschiebungen zwischen Temperatur- und Dehnungssignal zur Folge.By the in 4 shown arrangement of the interconnects is an extension of the lying under the interconnect component in the direction of the arrow P to the six narrower part-tracks of the interconnects 40 . 42 . 44 measured. These are around the temperature sensors 30 . 32 . 34 . 36 around. In this way it is ensured that the area on the upper side of the component, in which the elongation of the component is measured, with the area in which the temperature of the component is measured, largely coincident. This results in an increased measurement accuracy and a further reduction of phase shifts between the temperature and strain signal result.

5 zeigt die in 1 gezeigte Leiterbahnanordnung, die auf ein Bauteil 50 aufgebracht ist. Ein Pfeil P deutet wie in den vorangegangenen Figuren die Hauptspannungsrichtung des Bauteils 50 an. Die Leiterbahnen 2, 8 werden in Form eines metallischen Dünnfilms, beispielsweise Konstantan, strukturiert aufgebracht. Sie haben beispielsweise eine Dicke von cirka 100 nm. Solche Schichtdicken sind mit hinreichender Geschwindigkeit beispielsweise im Kathodenstrahlzerstäubungsverfahren in einem Prozessschritt aufzubringen. 5 shows the in 1 shown trace arrangement, which is based on a component 50 is applied. An arrow P indicates, as in the previous figures, the main stress direction of the component 50 at. The tracks 2 . 8th are applied in a structured manner in the form of a metallic thin film, for example Konstantan. They have, for example, a thickness of approximately 100 nm. Such layer thicknesses can be applied at a sufficient rate, for example in the cathode jet sputtering process, in one process step.

Für den Aufnehmerbau werden für die Sensoren Applikationsstellen ausgesucht, die einen einachsigen Spannungszustand und demzufolge eine Dehnung nur entlang der durch den Pfeil P angedeuteten Richtung, aufweist. Auf eine hinreichend glatte, beispielsweise geläppte oder diamantgedrehte, Oberfläche wird eine Isolatorschicht aufgebracht, die beispielsweise in bekannter Weise aus zwei dünnen Lagen Aluminiumoxid bestehen kann, um Poren und mangelnde elektrische Isolation zu vermeiden.For the transducer construction application sites are selected for the sensors, which has a uniaxial stress state and consequently an elongation only along the direction indicated by the arrow P direction. On an adequately smooth, for example, lapped or diamond-turned surface, an insulator layer is applied, which may for example consist of two thin layers of aluminum oxide in a known manner to avoid pores and lack of electrical insulation.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

αα: Winkelangle
PP: Pfeilarrow
AA: Abstanddistance
22: erste Leiterbahnfirst trace
2a2a: EndeThe End
2b2 B: EndeThe End
33: Bauteilcomponent
44: erste Teil-Leiterbahnfirst part-track
66: zweite Teil-Leiterbahnsecond partial track
77: TemperaturmessvorrichtungTemperature measuring device
88th: zweite Leiterbahnsecond trace
8a8a: EndeThe End
8b8b: EndeThe End
1010: dritte Teil-Leiterbahnthird part track
1212: vierte Teil-Leiterbahnfourth partial track
1414: dritte Leiterbahnthird trace
1616: fünfte Teil-Leiterbahnfifth partial track
1818: sechste Teil-Leiterbahnsixth partial track
2020: vierte Leiterbahnfourth trace
2222: siebte Teil-Leiterbahnseventh partial track
2424: achte Teil-Leiterbahneighth sub-trace
3030: Temperatursensortemperature sensor
3232: Temperatursensortemperature sensor
3434: Temperatursensortemperature sensor
3636: Temperatursensortemperature sensor
4040: Leiterbahnconductor path
4242: Leiterbahnconductor path
4444: Leiterbahnconductor path
4646: EndeThe End
4848: EndeThe End
5050: Bauteilcomponent

Claims

Device for measuring a temperature of a component ( 50 ), which - with the component ( 50 ) or - is formed on the component ( 50 ) to be arranged insoluble, with a first conductor track ( 2 ) with two ends ( 2a . 2 B ), characterized in that the first conductor track ( 2 ) from a) at least one first partial conductor track ( 4 ) with - a first width (B1) and - a first electrical resistance (R1) and b) a second partial conductor track ( 6 ) with a second width (B2) that is smaller than the width (B1) of the first part-track ( 4 ), and - a second electrical resistance (R2) connected to the first sub-trace ( 4 ) includes an angle (α), c) wherein the first width (B1) of the first sub-track ( 4 ), the second width (B2) of the second sub-track ( 6 ) and the angle (α) are matched to one another in such a way that a mechanical expansion of the component occurring along a direction of elongation (P) ( 50 ) results in a change in the first resistance (R1) and a change in the second resistance (R2) that substantially cancel each other out.

Device according to claim 1, characterized in that the angle (α) is a right angle.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the first conductor track ( 2 ) consists of a material whose electrical resistance does not depend substantially on the temperature.

Strain gauge for measuring an elongation of the component ( 50 ), with (a) at least one strain sensor having a second trace ( 8th ) with two ends ( 8a . 8b ), characterized by (b) at least one device according to one of claims 1 to 3.

Strain gauge according to claim 4, characterized in that the second conductor track ( 8th ) of at least one third sub-track ( 10 ) with a third width (B3) and - a fourth sub-trace ( 12 ) having a fourth width (B4) which is greater than the third width (B3) of the third sub-track ( 10 ), consists.

Strain-measuring device according to claim 5, characterized in that the first part-track ( 4 ) parallel to the third sub-track ( 10 ) or the fourth sub-track ( 12 ) runs.

Strain-measuring device according to claim 5 or 6, characterized in that a distance between the first conductor track ( 2 ) and the second conductor track ( 8th ) less than three times the width (B1) of the first sub-track ( 4 ) is.

Strain-measuring device according to claim 5, 6 or 7, characterized in that the first conductor track ( 2 ) and the second conductor track ( 8th ) consist of the same material.

Strain-measuring device according to one of claims 5 to 8, characterized in that the partial printed conductors ( 4 . 6 . 10 . 12 ) run straight.

Strain-measuring device according to one of claims 5 to 9, characterized in that the first conductor track ( 2 ) and the second conductor track ( 8th ) Are thin-film tracks having a thickness of less than 1 micron.

Strain-measuring device according to one of claims 5 to 10, characterized by two strain sensors and two devices according to one of claims 1 to 3, which are arranged in the form of a Wheatstone bridge.

Strain-measuring device according to one of claims 5 to 11, characterized by an electrical control, which is arranged, of an electrical resistance, which between the ends ( 2a . 2 B ) of the first track ( 2 ) is measurable, the temperature of the component ( 50 ).

Strain-measuring device according to claim 12, characterized in that the electrical control is set up from the temperature of the component ( 50 ) and an electrical resistance between the ends ( 8a . 8b ) of the second conductor track ( 8th ), a temperature-compensated mechanical expansion of the component ( 50 ).

Component ( 50 ) with a device according to one of claims 5 to 13.

Component ( 50 ) according to claim 14, characterized in that the first conductor track ( 2 ) and the second conductor track ( 8th ) have been applied in thin-film technology, in particular by PVD, by CVD or by a galvanic process.

Component ( 50 ) according to claim 15, characterized in that the first conductor track ( 2 ) and the second conductor track ( 8th ) on one on the component ( 50 ) are applied vapor-deposited electrically insulating layer.