DE2122924A1 - Elektrischer Auflagerkraftgeber - Google Patents

Description

• Beschreibung Titel: Elektrischer Auflagerkraftgeber Anwendungsgebiet: Die Erfindung betrifft ein Gerät, das es ermöglicht, eine in beliebiger Richtung auf eine starre Unterlage wirkende Kraft nach Größe und Richtung zu messen, es findet daher Verwendung auf allen Gebieten der experimentellen Mechanik, insbesondere der Modellstatik.
• Aufgaben und Zweck: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Größe der drei räumlichen Kraftkomponenten getrennt zu erfassen, wobei durch eine möglichst massive und starre Ausbildung des Meßgerätes (insbesondere durch Verzicht auf bewegliche, der mechanischen Komponententrennung dienende Teile) die Verschiebung des Kraftangriffspunktes auf ein äußerstes Mindestmaß reduziert werden soll. Diese Zusatzforderung ist deshalb notwendig, damit bei Messung von Auflagerkräften in der Modellstatik keine Auflagerverschiebung auftritt, die die Verteilung der Kräfte im Innern des Bauwerks merklich verändern würde.
• Stand der Technik und Kritik: Einen berblick über die bekannten Methoden, mit Hilfe von DMS Kraftkomponenten, die in einem Punkt angreifen, nach Größe und Richtung getrennt zu messen, wird in dem "handbuch für elektrisches essen mechanischer Größen" von Chr. Rohrbach, VDI-Verlag, Düsseldorf 1967, S. 507-509, gegeben. Hierbei handelt es sich um zwei eßprinzipien: 1. Mechanische Trennung der Komponenten und Messung mit getrennten Kraft gebern.
• Wie das Ausführungsbeispiel eines 4-Komponenten-Gebers (3 Kraftkomponenten, 1 Momentenkomponente) zeigt, sind solche Anordnungen mechanisch "sehr aufwendig und beanspruchen viel Raum1,.
• 2. Elektrische Trennung der Komponenten.
• Eine exakte elektrische Trennung der Komponenten erfordert besondere elektrische Schaltungen (definierte Festwiderstände).
• Anordnungen dieser Art müssen daher "sehr sorgfältig gefertigt bzw. abgeglichen" werden.
• Das unten beschriebene Prinzip einer einfachen rechnerischen Trennung der Komponenten, das auf jede besondere mechanische oder elektrische Anordnung verzichten kann, wird an dieser Stelle sowie in der anderen bekannten Literatur nicht behandelt.
• Lösung der Aufgabe: Die gestellte Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß derjenige Teil des Gebers, dessen Verformung unter der Krafteinwirkung gemessen wird, mit DMS so besetzt wird, daß 3 voneinander unabhängige temperaturkompensierte Brückenschaltungen vorliegen, entsprechend den 3 unbekannten Größen, d.h. den 3 Kraftkomponenten, die ermittelt werden sollen. Hinsichtlich des Meßprinzips beruht die Erfindung auf der Tatsache, daß die Krafteinheit 1 kp in jeder der drei Komponentenrichtungen x> y und z jeweils ein charakteristisches Tripel von Anzeigewerten der 3 DMS-Brücken("Eichvektor") ergibt und daß das Meßwertetripel ("Meßvektor") infolge einer beliebig gerichteten und beliebig großen Auflagerkraft eine Linearkombination dieser 3 "Eichvektoren" sein muß, so wie der Kraftvektor eine Linearkombination der Komponenten-Einheitsvektoren # und i # ist: Ist # = tal, a2, a3] der aus den Meßwerten als a2, a3 bestehende Eichvektor für die Krafteinheit in x-Richtung, d.h. für # [1, 0, 01, entsprechend G = [b1, b2, b3] für # = Lo, 1, ol und t = [c1, c2, c3] für # = [0, 0, 1], so gilt für den Meßvektor @ = [ml, m2, m3J, der von der beliebigen Kraft P = [x, y, z] = x # + y # + z # verursacht wird: # = x # + l e + z @ = Cxai + ybl + zc1, xa2 + yb2 + ze2, xa3 + yb3 + , d.h. ml = xal + yb1 +zc1 m2 = xa2 + yb2 + ZC2 m3 = xa3 + yb3 + zc3 oder # = # . p (1) Durch eine Eichung werden die 3 für den Geber charateristischen Eichvektoren ss, G und # , d,h. die Eichmatrix # ermittelt.
• Aus dem Meßvektor # einer unbekannten Kraft p lassen sich dann die gesuchten Komponenten x, y und z durch Auflösen der Gl. (1) ermitteln: x = d1m1 + e1m2 + f1m3 y = d2m1 + e2m2 + f2m3 oder p = # # (2) z = d3m1 + e3m2 + f3m3 wobei : OL die Kehrmatrix der Eichmatrix # ist. e wird auf Grund einer einmaligen Eichung des Gebers errechnet und gestattet an Hand von Gl. (2) die einfache und direkte Ermittlung der Komponenten jeder beliebigen Kraft f aus dem zugehörigen gemessenen Meßvektor M4.
• Voraussetzung für dieses Meßprinzip ist, daß jeder Meßwert linear von der Verformung und diese wiederum linear von der wirkenden Kraft abhängt. Die erste Forderung ist dadurch erfüllt, daß jeder DMS einen im Meßbereich hinreichend konstanten k-Faktor aufweist; die zweite Forderung ist bei jedem elastischen Körper erfüllt, wenn die Verformungen hinreichend klein sind. Hieraus geht hervor, daß die verwendeten DMS voneinander abweichende k-Faktoren aufweisen dürfen und daß die Plazierung der DMS auf dem Geberkörper grundsätzlich beliebig ist, wenn nur die 3 Eichvektoren linear unabhängig sind. Um die Meßgenauigkeit und deren Unabhängigkeit von der Richtung der zu messenden Kraft zu erhöhen, sollten die D!S so angeordnet werden, daß bei kleiner Verformung möglichst hohe Meßwerte erzielt werden und die Lichvektoren #, tt und s entsprechend den Kraft-Einheitsvektoren #, # und # angenähert betragsgleich und orthogonal zueinander sind.
• Die Zusatzforderung nach möglichst starrer Ausführung des Gerätes läßt sich auf Grund des dargestellten Meßprinzips leicht erfüllen.
• Die DMS können alle auf einem massiven Geberkörper angebracht werden; bewegliche, d.h. gelenkig zusammenwirkende Teile als Träger der DMS, wie sie bei mechanischer Kraftkomponententrennung erforderlich wären, fallen daher weg. Selbst der verformungsempfindliche mit dem DMS besetzte Bereich des Gebers kann eine sehr hohe Steifigkeit aufweisen, wenn Halbleiter-DMS verwendet werden, deren k-Faktor etwa das 50fache des k-Faktors normaler Draht- oder Folien-DMS beträgt.
• Die Temperaturkompensation bei Anordnung von Halbbrücken wird ebenfalls durch das dargestellte Meßprinzip begünstigt. Können für eine bestimmte Beanspruchungsart (etwa Vertikalkraft im gezeichneten Ausführungsbeispiel) die beiden DMS einer Halbbrücke nicht so angeordnet werden, daß sie gegensinnig arbeiten, so braucht der als TK-Streifen arbeitende DMS gegenüber rein elastischen Beanspruchungen nicht unempfindlich (d.h, nicht "inaktiv') zu sein, sondern muß nur so ausgerichtet werden, daß die Differenz zwischen seiner Widerstandsänderung und der des "aktiven" Streifens, d.h. die Anzeige der Halbbrücke, ausreichend groß bleibt. So kann der TK-Streifen unmittelbar im Bereich der aktiven Streifen senkrecht zu deren Richtung angebracht werden.
• Weitere Ausgestaltung der Erfindung: Durch Anbringen weiterer DMS auf dem Geberkörper derart, daß 6 DMS-Brücken zur Verfügung stehen, lassen sich zusätzlich zu den drei Kraftkomponenten auch die drei Komponenten eines beliebig gerichteten räumlichen Einspannmoments messen. Das Meßprinzip ist dasselbe. Die Eichung des Gebers mit Hilfe der drei Einheitskraftkomponenten und der drei Einheitsmomentenkomponenten ergibt jetzt jedoch 6 Eichvektoren, die aus je 6 Brückenmeßwerten bestehen; in entsprechender Weise ist die Eichmatrix nunmehr eine 6,6-Matrix.
• Die Auswertung der Messung einer aus Momenten und Kräften beliebig zusammengesetzten Beanspruchung erfolgt analog Gl. (2).
• Erzielbare Vorteile: Beliebige Richtung der bestimmbaren Auflagerkraft (und des Einspannmoments), Massiver Lagerkörper ohne bewegliche Teile zur mechanischen Trennung der Kraftkomponenten, Keine besondere elektrische Schaltung zur elektrischen Trennung der Kraftkomponenten, Einfacher einmaliger Eichvorgang, keine besondere Sorgfalt bei der Plazierung der DMS erforderlich, Sehr geringe Verschiebung des Auflagerpunktes, d.h. hohe Steifigkeit des Gebers, Sehr gute Temperaturkompensation, Einfache Auswertung des Meßergebnisses nach Gl. (2) von Hand; andererseits gute Eignung des Verfahrens zur Automatisierung sowohl der Messung (vollautomatische MeBanlage) als auch der Auswertung (elektronische Rechenanlage).
• Beschreibung eines Ausführungsbeispiels: In Abb. 1 ist ein Geber zur Messung von gelenkig angreifenden Auflagerkräften dargestellt, der mit 5 Halbleiter-DMS bestückt ist.
• Bedeutung der Bezeichnungen: (1) Bauteil, das die gesuchte Kraft ausübt, (2) Lagerstift, der mit seinem unteren ausgerundeten Ende in einer Bohrung des Gebers aufsitzt.
• (3) Verformungsempfindlicher zylindrischer Geberteil.
• (4) Befestigungsschrauben.
• (5) Starre Unterlage.
• In Abb. 2 sind zwei Beispiele für die Kombinationen der DMS zu Halbbrücken angegeben: 1. DMS 5 dient als TK-Streifen. In dem zweiten Zweig der Halbbrücke werden nacheinander die vier Meßstreifen DMS 1 bis DMS 4 eingeschaltet. Einer der so erhaltenen 4 Halbbrücken-Meßwerte ist überzählig und kann zur statistischen Verbesserung der Messung herangezogen werden (vier 3,3-Eichmatrizen, entsprechend den vier eßwert-Kombinationen I, II, III - I, II, IV - I, III, IV - II, III, IV, liefern vier innerhalb der Genauigkeitsgrenzen übereinstimmende Ergebnisse, die durch Ausgleichsrechnung zu einem Bestwert zusammengefaßt werden können).
• 2. Es werden folgende Meßstreifenpaare nacheinander zu unabhängigen IIalbbrücken zusammengeschaltet: DMS 1 mit DMS 3, DMS 2 mit D>IS 4 und DMS 1 mit DMS 5.
• Die beiden erstgenannten Halbbrücken bestehen aus gegensinnig arbeitenden DMS bei gegenüber Schaltung 1 etwa verdoppelter Anzeige bezüglich der Horizontalkomponenten. Zur Vertikalkomponentenermittlung liefert die Halbbrücke aus DMS l und DMS 5 den ausschlaggebenden Anteil etwa in gleicher Größe wie bei Schaltung 1. Eine statistische Verbesserung ist nicht möglich, da nur 3 unabhängige Halbbrücken vorliegen.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   lektrischer Auflagerkraftgeber, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung lediglich linear arbeitender elektrischer Dehnmeßeleraente bei äußerst geringer Verschiebung des Auflagerpunktes beliebig gerichtete Auflagerkräfte nach Größe und Richtung riit Hilfe einer Eichrnatrix eindeutig bestimmt werden können.
2. 2. Elektrischer Auflagerkraftgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Erhöhung der Anzahl der Dehnmeßelemente und entsprechender Erweiterung der Eichmatrix nicht nur beliebig gerichtete Auflagerkräfte, sondern auch zusätzlich wirkende Einspannmomente nach Größe und Richtung (3 Momentenkomponenten) eindeutig bestimmt werden können.