DE102006044692B4 - Angle-measuring arrangement - Google Patents

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Abstract

Winkel-Messanordnung (10) zur Bestimmung des Winkels α zwischen zwei zueinander beweglichen Elementen (12, 14) unabhängig von Ihrem Achsversatz und einer Verschiebung der Tangentialebenen der Elemente (12, 14), mit einem elastisch biegsamen Biegestreifen (20), dessen zwei Längsenden (26, 28) jeweils an den Elementen (12, 14) fixierbar sind, gekennzeichnet durch jeweils einen in Biegestreifen-Längsrichtung messenden und sich über die gesamte Länge des Biegestreifens (20) erstreckenden Dehnungssensor (30 bis 33) auf jeder Biegestreifen-Flachseite (201, 202), wobei an den Biegestreifen-Längsenden (26, 28) jeweils eine starre Endplatte (22, 24) zur Fixierung an den Elementen (12, 14) vorgesehen ist.Angular measuring arrangement (10) for determining the angle α between two mutually movable elements (12, 14) regardless of their axial offset and a displacement of the tangential planes of the elements (12, 14), with an elastically flexible bending strip (20), the two longitudinal ends (26, 28) in each case on the elements (12, 14) are fixable, characterized by in each case a bending strip longitudinally measuring and over the entire length of the bending strip (20) extending strain sensor (30 to 33) on each bending strip flat side ( 201, 202), wherein at the bending strip longitudinal ends (26, 28) each have a rigid end plate (22, 24) for fixing to the elements (12, 14) is provided.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Winkel-Messanordnung zur Bestimmung des Winkels zwischen zwei zueinander beweglichen Elementen.The invention relates to an angle measuring arrangement for determining the angle between two mutually movable elements.

Winkel-Messanordnungen dienen u. a. dazu, an Greifwerkzeugen, beispielsweise an Roboterarmen, Datenhandschuhen oder (Hand-)Prothesen den Neigungswinkel zwischen zwei Roboterarmelementen oder Prothesen-Fingerelementen festzustellen. Winkel-Messanordnungen zur Montage in der Gelenk-Drehachse erfordern eine aufwendige Montage in der Drehachse und erfordern einen präzise Lagerung und Führung. Bei den o. g. Anwendungen, wie auch bei anderen technischen Anwendungen, ist es unter Umständen nicht möglich, in der Drehachse bzw. in den Drehachsen rotatorische Winkel-Messanordnungen vorzusehen. In diesen Fällen kann die Winkelmessanordnung in Form eines flexiblen Streifens ausgebildet sein, der mit seinen beiden Längsenden jeweils an den beiden zueinander beweglichen Elementen befestigt ist, um auf diese Weise den Winkel zwischen den beiden beweglichen Elementen festzustellen. Hierbei ist gewünscht, dass der Winkelversatz unabhängig vom Achsversatz der beiden zueinander beweglichen Elemente ermittelt wird.Angular measuring arrangements serve u. a. for detecting the angle of inclination between two robotic arm elements or prosthetic finger elements on gripping tools, for example on robot arms, data gloves or (hand) prostheses. Angle measuring arrangements for mounting in the joint axis of rotation require complex assembly in the axis of rotation and require precise storage and guidance. In the o. G. Applications, as well as other technical applications, it may not be possible to provide rotary angle measuring arrangements in the axis of rotation or in the axes of rotation. In these cases, the angle measuring arrangement may be designed in the form of a flexible strip, which is fastened with its two longitudinal ends respectively to the two mutually movable elements, in order to determine in this way the angle between the two movable elements. It is desired that the angular offset is determined independently of the axial offset of the two mutually movable elements.

Bekannte Winkel-Messanordnungen arbeiten entweder elektrisch, wobei der Winkel anhand einer von der Biegestreifen-Biegung abhängigen Wiederstandsänderung ermittelt wird, oder optisch, wobei in dem Biegestreifen die Gitterkonstanten holographischer Gitter dehnungsabhängig verändert werden.Known angle measuring arrangements operate either electrically, wherein the angle is determined on the basis of a bending change dependent on the bending resistance change, or optically, wherein in the bending strip the lattice constants of holographic gratings are changed in a strain-dependent manner.

Die als Biegesensoren ausgebildeten bekannten Winkel-Messanordnungen weisen eine geringe Messgenauigkeit auf. Ferner können derartige Winkel-Messanordnungen nur einachsig messen und weisen, insbesondere als optische Winkel-Messanordnungen, eine hohe Nicht-Linearität auf. Ferner versagen die bekannten Winkel-Messanordnungen bei einer Biegung des Biegestreifens in zwei entgegengesetzte Richtungen.Trained as bending sensors known angle measuring arrangements have a low accuracy of measurement. Furthermore, such angle measuring arrangements can only measure uniaxially and have, in particular as optical angle measuring arrangements, a high non-linearity. Furthermore, the known angle measuring arrangements fail in a bending of the bending strip in two opposite directions.

DE 692 19 088 T2 beschreibt eine mechanische Sonde mit einer polymeren Membran, die zur Messung der Biegung eines Gegenstands verwendet wird. Hierzu wird die Sonde am Objekt befestigt und folgt somit der Biegung dieses Objekts. Auf der konvexen Seite der Sonde ist ein leitender Bereich vorgesehen, der auf einem isolierenden Bereich auf der konkaven Seite der Sonde angeordnet ist. Durch eine Biegung des Objekts verbiegt sich die Sonde, wodurch sich der Widerstand der leitenden Schicht ändert. Diese Widerstandsänderung wird ausgewertet. DE 692 19 088 T2 describes a mechanical probe with a polymeric membrane used to measure the deflection of an article. For this purpose, the probe is attached to the object and thus follows the bending of this object. On the convex side of the probe, a conductive region is provided, which is arranged on an insulating region on the concave side of the probe. Bending of the object causes the probe to bend causing the resistance of the conductive layer to change. This resistance change is evaluated.

EP 0 848 313 A2 beschreibt ein Fahrpedal mit einem aus zwei Blattfedern gebildeten Pedalarm. Bei Betätigung des Pedals werden die Blattfedern gebogen. Der Grad der Biegung wird von auf den Blattfedern befestigten Dehnmessstreifen ermittelt und in elektrische Signale umgewandelt. Dabei ist jeweils ein Dehmessstreifen an der Außenseite jeder Blattfeder angeordnet und unmittelbar an dieser befestigt. EP 0 848 313 A2 describes an accelerator pedal with a pedal arm formed from two leaf springs. When the pedal is pressed, the leaf springs are bent. The degree of bending is determined by strain gauges mounted on the leaf springs and converted into electrical signals. In each case, a Dehmessstreifen is arranged on the outside of each leaf spring and attached directly to this.

Aufgabe der Erfindung ist es dem gegenüber, eine Winkel-Messanordnung mit erhöhter Messgenauigkeit und der Fähigkeit, den Winkel auch bei einem Achsversatz der beiden zueinander beweglichen Elemente zu bestimmen, zu schaffen.The object of the invention is the opposite, an angle measuring arrangement with increased accuracy and the ability to determine the angle even with an axial offset of the two mutually movable elements to create.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.This object is achieved according to the invention with the features of patent claim 1.

Die erfindungsgemäße Winkel-Messanordnung weist einen biegsamen Biegestreifen auf, dessen zwei Längsenden jeweils an den zueinander beweglichen Elementen fixierbar sind, deren Winkelversatz relativ zueinander festgestellt werden soll. Auf den beiden Biegestreifen-Flachseiten ist jeweils ein Dehnungssensor aufgebracht, der sich über die gesamte Länge des Biegestreifens erstreckt und in Längsrichtung des Biegestreifens misst. Beide Biegestreifen-Flachseiten weisen also über ihre Länge jeweils einen Dehnungssensor auf. Durch Auswertung der Messwerte der beiden Dehnungssensoren wird die Genauigkeit der Winkel-Messung systematisch erheblich verbessert. Dies liegt u. a. daran, dass viele bekannte Dehnungssensoren insbesondere bei ihrer Stauchung im hohen Maße nicht linear sind. Durch die Anbringung jeweils eines Dehnungssensors auf beiden Seiten des Biegungsstreifens liegt einer der beiden Biegestreifen stets auf der Streckseite, d. h. auf der Seite, auf der der Dehnungssensor gestreckt wird. Biegestreifen-Verbiegungen beider Richtungen werden auf gleiche Weise und in gleicher Gewichtung erfasst. Auf diese Weise kann der Winkelversatz zwischen den beiden zueinander beweglichen Elementen unabhängig von einer Verschiebung der beiden Elemente zueinander festgestellt werden.The angle measuring arrangement according to the invention has a flexible bending strip whose two longitudinal ends can be fixed in each case to the mutually movable elements whose angular offset is to be determined relative to each other. On the two bending strip flat sides in each case a strain sensor is applied, which extends over the entire length of the bending strip and measures in the longitudinal direction of the bending strip. Both bending strip flat sides thus each have a strain sensor over their length. By evaluating the measured values of the two strain sensors, the accuracy of the angle measurement is systematically improved considerably. This is u. a. because many known strain sensors are not linear, especially when compressed. By attaching a respective strain sensor on both sides of the bend strip one of the two bending strips is always on the stretch side, d. H. on the side on which the strain sensor is stretched. Bend strip bends of both directions are detected in the same way and with the same weighting. In this way, the angular offset between the two mutually movable elements can be determined independently of a displacement of the two elements to each other.

Damit ist eine Winkel-Messanordnung geschaffen, mit der der Relativ-Winkel zweier zueinander in einer Ebene beweglicher Elemente erfasst werden kann, die einfach aufgebaut, zuverlässig und genau ist.Thus, an angle measuring arrangement is provided, with which the relative angle of two movable elements in a plane can be detected, which is simple, reliable and accurate.

Vorzugsweise sind die Dehnungssensoren linear, d. h. der Messwert der Dehnungssensoren ist linear zu dem Winkel, in dem die beiden Längsenden des Biegestreifens bzw. des darauf befestigten Dehnungssensors zueinander geneigt sind. Hierdurch wird die Auswertung der Messsignale der Dehnungssensoren erheblich vereinfacht. Ferner kann mit linearen Dehnungsmesssensoren die Winkelbestimmung unabhängig vom Achsversatz vorgenommen werden.Preferably, the strain sensors are linear, d. H. the measured value of the strain sensors is linear to the angle at which the two longitudinal ends of the bending strip and the strain sensor mounted thereon are inclined to each other. As a result, the evaluation of the measurement signals of the strain sensors is considerably simplified. Furthermore, with linear strain gauges, the angle determination can be made independently of the axial offset.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Biegestreifen über seine Länge eine konstante Dicke auf. Nur bei einer konstanten Dicke über die gesamte Länge des Biegestreifens weisen die beiden Dehnungssensoren auf den beiden Flachseiten des Biegestreifens über die gesamte Länge einen konstanten Abstand zueinander auf. Nur auf diese Weise kann das Differenzsignal der beiden Dehnungssensoren eine genaue Aussage über den Relativ-Winkel der beiden Biegestreifen-Längsenden zueinander liefern. According to a preferred embodiment, the bending strip has a constant thickness over its length. Only at a constant thickness over the entire length of the bending strip, the two strain sensors on the two flat sides of the bending strip over the entire length at a constant distance from each other. Only in this way, the difference signal of the two strain sensors can provide an accurate statement about the relative angle of the two bending strip longitudinal ends to each other.

Vorzugsweise ist der Dehnungssensor ein Dehnungsmessstreifen. Dehnungsmessstreifen ändern ihren Wiederstand in Abhängigkeit von ihrer Dehnung bzw. Stauchung. Dehnungsmessstreifen sind relativ preiswert, robust und stellen eine bewährte Technologie dar, für die umfangreiche und teilweise konfektionierte Auswertschaltungen zu Verfügung stehen. Ferner sind Dehnungsmessstreifen über einen weiten Streckungs- und Stauchungsbereich hoch linear und liefern daher biegungs-proportionale Widerstandswerte.Preferably, the strain sensor is a strain gauge. Strain gauges change their resistance depending on their strain or compression. Strain gauges are relatively inexpensive, robust and represent a proven technology for which extensive and partially assembled evaluation circuits are available. Furthermore, strain gauges are highly linear over a wide stretch and compression range and therefore provide bend-proportional resistance values.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Winkel-Messanordnung jeweils ein starre Endplatte an den beiden Biegestreifen-Längsenden auf. Die beiden Endplatten dienen zum einen der Befestigung der Messanordnung an den beiden zueinander beweglichen Elementen. Eine unmittelbare Befestigung des biegsamen Biegestreifens an den Elementen entfällt daher. Ferner kann eine der Endplatten oder können beide Endplatten elektrische Bauelemente bzw. eine Auswerteinheit aufweisen, die Messwerte der Dehnungssensoren in großer räumlicher Nähe zu den Dehnungssensoren auswertet.According to a preferred embodiment, the angle measuring arrangement in each case a rigid end plate on the two bending strip longitudinal ends. The two end plates are used to attach the measuring arrangement to the two mutually movable elements. An immediate attachment of the flexible bending strip to the elements is therefore eliminated. Furthermore, one of the end plates or both end plates can have electrical components or an evaluation unit that evaluates the measured values of the strain sensors in a large spatial proximity to the strain sensors.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung können die Dehnungssensoren jeweils aus mindestens einer sich über die gesamte Biegestreifen-Länge erstreckenden Schleife bestehen, d. h. eine Länge von mindestens dem Zweifachen der Biegestreifen-Länge aufweisen. Hierdurch wird die Dehnungssensor-Länge verdoppelt, so dass sich auch die Empfindlichkeit und die Genauigkeit verdoppelt. Ferner lassen sich durch die Ausbildung der Dehnungssensoren als offene Schleife alle Dehnungssensor-Enden an einem einzigen Ende des Biegestreifens anordnen und anschließen.According to a preferred embodiment, the strain sensors may each consist of at least one extending over the entire bending strip length loop, d. H. have a length of at least twice the bending strip length. As a result, the strain sensor length is doubled, so that the sensitivity and accuracy doubles. Further, by forming the strain sensors as an open loop, all of the strain sensor ends can be arranged and connected to a single end of the flexure strip.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Messwerte der beiden Dehnungssensoren, die bevorzugt als Dehnungsmessstreifen ausgebildet sind, mit einer Halbbrücken-Auswertschaltung ausgewertet. Halbbrücken-Auswerteschaltungen sind einfach aufgebaut und liefern genaue Messergebnisse.According to a preferred embodiment, the measured values of the two strain sensors, which are preferably designed as strain gauges, are evaluated with a half-bridge evaluation circuit. Half-bridge evaluation circuits are simple and provide accurate measurement results.

Durch die Auswertung der Dehnungssensoren auf den beiden Flachseiten des Biegestreifens mit einer Halbbrücken-Auswertschaltung wird erreicht, dass eine Längenänderung des gesamten Biegestreifens oder eine Temperaturänderung bei jeweils linearem Einfluss auf die beiden Widerstands-Dehnungsmessstreifen keinen Einfluss auf das Messergebnis hat, weil dieses aus der Differenz der beiden Widerstands-Messwerte gebildet wird. Die differentielle Messung „linearisiert” darüber hinaus das Messergebnis bis zu einem gewissen Grad, wenn die Dehnungssensoren auf der Ober- und Unterseite des Biegestreifens kleine Abweichungen vom perfekt linearen Verhalten aufweisen.By evaluating the strain sensors on the two flat sides of the bending strip with a half-bridge evaluation circuit is achieved that a change in length of the entire bending strip or a change in temperature with each linear influence on the two resistance strain gauges has no effect on the measurement result, because this from the difference the two resistance measurements is formed. The differential measurement also "linearizes" the measurement result to some degree when the strain sensors on the top and bottom of the flexure have small deviations from perfectly linear behavior.

Dieser Effekt geht nicht soweit, dass man zwei Biegesensoren nach dem Stand der Technik, die auf Stauchung nicht empfindlich sind, zu einem differentiellen Biegstreifen kombinieren kann, der die Biegung unabhängig vom Achsversatz misst. Dies erfordert lineare Dehnungssensoren, weil sich nur hiermit negative und positive Krümmungsanteile längs des Biegestreifens ausgleichen lassen.This effect does not go so far as to combine two prior art flexure sensors that are not susceptible to compression to a differential flexure that measures the flexure independently of the axial offset. This requires linear strain sensors, because only with this negative and positive curvature components can be compensated along the bending strip.

Vorzugsweise sind auf jeder Biegestreifen-Flachseite zwei zueinander parallele Dehnungssensoren, besonders bevorzugt als Dehnungsmessstreifen ausgebildet, angeordnet. Ferner kann eine Vollbrücken-Auswerteschaltung zur Auswertung der vier Dehnungssensoren vorgesehen sein. Bei der Auswertung von vier Dehnungssensoren durch eine Vollbrücken-Auswerteschaltung können Verbiegungen des Biegestreifens um Nicht-Querachsen festgestellt und kompensiert werden. Ferner ist das Messergebnis einer Vollbrücken-Auswerteschaltung temperaturunabhängig, da temperaturbedingte Schwankungen der Messwerte der Dehnungssensoren kompensiert werden. Auch die Betriebsspannung bzw. Schwankungen der Betriebsspannung gehen bei der Vollbrücken-Auswertschaltung nicht störend in das Messergebnis ein, was ebenso für die Halbbrücken-Auswertschaltung gilt.Preferably, two mutually parallel strain sensors, particularly preferably designed as strain gauges, are arranged on each bending strip flat side. Furthermore, a full bridge evaluation circuit may be provided for evaluating the four strain sensors. In the evaluation of four strain sensors by a full bridge evaluation circuit bending of the bending strip can be detected and compensated for non-transverse axes. Furthermore, the measurement result of a full-bridge evaluation circuit is temperature-independent, since temperature-induced fluctuations of the measured values of the strain sensors are compensated. Also, the operating voltage or fluctuations of the operating voltage are not disturbing in the full-bridge evaluation circuit in the measurement result, which also applies to the half-bridge evaluation circuit.

Grundsätzlich gilt, dass die Dehnungssensoren der beiden Biegestreifen-Flachseiten sich annähernd überdecken sollten. Alternativ können die Dehnungssensoren auch in einem gleichmäßigem Raster zueinander versetzt angeordnet sein.Basically, the strain sensors of the two bending strip flat sides should almost overlap. Alternatively, the strain sensors can also be arranged offset to one another in a uniform grid.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.In the following an embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings.

Es zeigen:Show it:

1 eine Winkel-Messanordnung, mit einem biegsamen Biegestreifen mit mehreren als Dehnungsmessstreifen ausgebildeten Dehnungssensoren und zwei starren Endplatten, 1 an angle measuring arrangement, with a flexible bending strip with a plurality of strain gauges designed as strain gauges and two rigid end plates,

2 eine Vollbrücken-Auswerteschaltung zur Auswertung der Messsignale der vier Dehnungssensoren der Winkel-Messanordnung der 1, 2 a full-bridge evaluation circuit for evaluating the measurement signals of the four strain sensors of the angle measuring arrangement of 1 .

3a die Winkel-Messanordnung der in 1 in Seitenansicht, in einer ersten Konstellation, 3a the angle measuring arrangement of in 1 in side view, in a first constellation,

3b eine Seitenansicht der Winkel-Messanordnung der 1 in einer zweiten Konstellation, und 3b a side view of the angle measuring arrangement of 1 in a second constellation, and

3c eine Seitenansicht der Winkel-Messanordnung in einer dritten Konstellation. 3c a side view of the angle measuring arrangement in a third constellation.

In der 1 sowie in den 3a bis 3c ist eine Winkel-Messanordnung 10 dargestellt, die der Bestimmung des Winkels α zwischen zwei zueinander beweglichen Elementen 12, 14 dient. Die beiden zueinander schwenkbaren Elemente 12, 14 können beispielsweise Teile chirurgischer Instrumente, einer Roboterhand, einer Prothese oder eines Datenhandschuhs sein. Mit der Winkel-Messanordnung 10 kann der Winkel α zwischen den beiden Elementen 12, 14 bestimmt werden, wobei die Tangentialebenen der Elemente 12, 14 zueinander verschoben sein können.In the 1 as well as in the 3a to 3c is an angle measuring arrangement 10 shown, the determination of the angle α between two mutually movable elements 12 . 14 serves. The two mutually pivotable elements 12 . 14 may be, for example, parts of surgical instruments, a robotic hand, a prosthesis or a data glove. With the angle measuring arrangement 10 can the angle α between the two elements 12 . 14 be determined, with the tangent planes of the elements 12 . 14 can be shifted to each other.

Die Messanordnung besteht im wesentlichen aus einem biegsamen Biegestreifen 20, jeweils einer steifen Endplatte 22, 24 an den Längsenden 26, 28 des Biegestreifens 20, vier als Dehnungsmessstreifen 30, 31, 32, 33, ausgebildeten Dehnungssensoren 30–33 sowie einer Auswertschaltung 40, auf einer Endplatte 22.The measuring arrangement consists essentially of a flexible bending strip 20 , in each case a stiff end plate 22 . 24 at the longitudinal ends 26 . 28 of the bending strip 20 , four as strain gauges 30 . 31 . 32 . 33 , trained strain sensors 30 - 33 as well as an evaluation circuit 40 , on an end plate 22 ,

Der Biegestreifen 20 besteht aus einem Material, das bis zu einem gewissen Grad elastisch biegsam ist und eine möglichst geringe Wärmeausdehnung aufweist. Als Material für den Biegestreifen 20 kommt beispielsweise Keramik in Frage. Der Biegestreifen 20 weist über seine gesamte Länge eine konstante Dicke auf.The bending strip 20 consists of a material that is elastically flexible to a certain extent and has the lowest possible thermal expansion. As material for the bending strip 20 For example, ceramic comes into question. The bending strip 20 has a constant thickness over its entire length.

An den beiden Längsenden 26, 28 des Biegestreifens 20 sind nicht biegsame, steife und starre Endplatten 22, 24 vorgesehen, die auf den Elementen 12, 14 befestigbar bzw. befestigt sind. Die Dehnungssensoren 30 bis 33, bzw. die Dehnungsmessstreifen 30 bis 33, sind über ihre gesamte Länge elektrisch linear. Jeder Dehnungsmessstreifen 30 bis 33 ist in einer sich über die gesamte Länge des Biegestreifens 20 erstreckenden Schleife verlegt, wobei der Schleifenbogen 50 bis 53 jeweils auf einer einzigen Endplatte 24 angeordnet ist. Die Enden der Dehnungsmessstreifen 30 bis 33 münden auf der anderen Endplatte 22 in der Auswerteschaltung 40.At the two longitudinal ends 26 . 28 of the bending strip 20 are not flexible, rigid and rigid end plates 22 . 24 provided on the elements 12 . 14 fastened or attached. The strain sensors 30 to 33 , or the strain gauges 30 to 33 , are electrically linear over their entire length. Each strain gauge 30 to 33 is in one over the entire length of the bending strip 20 laid extending loop, the loop bow 50 to 53 each on a single end plate 24 is arranged. The ends of the strain gauges 30 to 33 lead to the other end plate 22 in the evaluation circuit 40 ,

Die Auswerteschaltung 40 ist eine Vollbrücken-Auswerteschaltung und als Schaltbild in der 2 vereinfacht dargestellt. Eine Versorgungsspannung U1 wird an zwei in Reihe hintereinander geschaltete Dehnungsmessstreifen 30, 33 bzw. 32, 31 angelegt. Zwischen den beiden in Reihe geschalteten Dehnungsmessstreifen 30, 33; 32, 31 wird zueinander die Ausgangsspannung U2 gemessen, die im Idealfall proportional zum Winkel α zwischen den beiden Elementen 12, 14 ist.The evaluation circuit 40 is a full bridge evaluation circuit and as a circuit diagram in the 2 shown in simplified form. A supply voltage U 1 is connected to two series-connected strain gauges 30 . 33 respectively. 32 . 31 created. Between the two series-connected strain gauges 30 . 33 ; 32 . 31 is measured to each other, the output voltage U 2 , which in the ideal case proportional to the angle α between the two elements 12 . 14 is.

Die Ausgangsspannung U2 entspricht dem Intergral der Krümmung längs des Biegstreifens 20. Auf diese Weise wird durch die Winkel-Messanordnung 10 der Winkel α zwischen den beiden Elementen 12, 14 unabhängig von einer Verschiebung der Tangentialebenen bestimmt. Sowohl die Dehnungsmessstreifen 30 bis 33, als auch die Auswerteschaltung 40 können im Rahmen einer automatischen Platinenfertigung hergestellt werden, so dass die Messanordnung preiswert verfügbar wird. Durch die Anordnung von Dehnungssensoren 30 bis 33 auf beiden Flachseiten des Biegestreifens 20 können Biegungen in beide Richtungen gemessen und entsprechend voneinander subtrahiert werden.The output voltage U 2 corresponds to the integral of the curvature along the bending strip 20 , In this way, by the angle measuring arrangement 10 the angle α between the two elements 12 . 14 determined independently of a shift of the tangential planes. Both the strain gauges 30 to 33 , as well as the evaluation circuit 40 can be produced in the context of an automatic board production, so that the measuring arrangement is available at low cost. By the arrangement of strain sensors 30 to 33 on both flat sides of the bending strip 20 Bends can be measured in both directions and subtracted from each other accordingly.

Durch die Vollbrücken-Auswerteschaltung 40 und die ineinander verschachtelten Anordnung der Dehnungsmessstreifen 30 bis 33 können auch Fehler durch Torsion des Biegestreifens 20 neutralisiert werden.Through the full bridge evaluation circuit 40 and the nested arrangement of the strain gauges 30 to 33 may also be errors due to torsion of the bending strip 20 be neutralized.

Optional kann in der Mitte, d. h. genau in der Axialen bzw. in der neutralen Faser des Biegestreifens 20 ein weiterer Dehnungssensor bzw. Dehnungsmessstreifen integriert sein. Mit diesem Dehnungsmessstreifen lässt sich die wärmebedingte Ausdehnung des Biegestreifens 20 ermitteln und lassen sich hiermit entsprechende Korrekturen der Messwerte vornehmen.Optionally, in the middle, ie exactly in the axial or in the neutral fiber of the bending strip 20 a further strain sensor or strain gauges be integrated. With this strain gauge can be the heat-induced expansion of the bending strip 20 determine and correct corrections of the measured values.

Alternativ oder ergänzend kann mit dem Dehnungsmessstreifen in der neutralen Faser des Biegestreifens 20 auch kapazitiv der Abstand zu den anderen Dehnungsmessstreifen 30 bis 33 gemessen werden. Auch hieraus lässt sich insbesondere eine (temperaturbedingte) Änderung der Dicke des Biegestreifens 20 ermitteln und entsprechend korrigieren.Alternatively or additionally, with the strain gauge in the neutral fiber of the bending strip 20 also capacitive the distance to the other strain gauges 30 to 33 be measured. This also makes it possible, in particular, to change the thickness of the bending strip (caused by temperature) 20 determine and correct accordingly.

Durch eine Kombination von zwei Winkel-Messanordnungen 10, die senkrecht zueinander stehen, können auch zweiachsige Messungen vorgenommen werden.By a combination of two angle measuring arrangements 10 , which are perpendicular to each other, two-axis measurements can be made.

In den 3a und 3b ist jeweils eine andere Faltung des Biegestreifens 20 dargestellt. Die Messanordnung liefert in beiden in den 3a und 3b dargestellten Faltungs-Konstellationen die gleiche Ausgangsspannung U2, die einem Winkel α = 40° entspricht. Bei der in der 3c dargestellten Faltungs-Konstellation beträgt der Winkel α zwischen den beiden Elementen 22, 24 bzw. ihren Tangentialen 0°, was zu einer Ausgangsspannung U2 = 0 V führt.In the 3a and 3b is in each case a different folding of the bending strip 20 shown. The measuring arrangement delivers in both in the 3a and 3b shown convolution constellations the same output voltage U 2 , which corresponds to an angle α = 40 °. When in the 3c shown folding constellation is the angle α between the two elements 22 . 24 or their tangents 0 °, which leads to an output voltage U 2 = 0V.

Die Winkel-Messanordnung 10 kann überall dort eingesetzt werden, wo Winkel zwischen zwei Elementen gemessen werden sollen, und insbesondere dort, wo beengte Platzverhältnisse vorliegen oder wenn ein sich ändernder Versatz zwischen den Elementen besteht und/oder eine Montage eines Winkelsensors auf der Rotationsachse nicht möglich ist.The angle measuring arrangement 10 It can be used wherever angles between two elements are to be measured, and especially where there is limited space or when there is a changing offset between the elements and / or it is not possible to mount an angle sensor on the axis of rotation.

Claims (10)

Winkel-Messanordnung (10) zur Bestimmung des Winkels α zwischen zwei zueinander beweglichen Elementen (12, 14) unabhängig von Ihrem Achsversatz und einer Verschiebung der Tangentialebenen der Elemente (12, 14), mit einem elastisch biegsamen Biegestreifen (20), dessen zwei Längsenden (26, 28) jeweils an den Elementen (12, 14) fixierbar sind, gekennzeichnet durch jeweils einen in Biegestreifen-Längsrichtung messenden und sich über die gesamte Länge des Biegestreifens (20) erstreckenden Dehnungssensor (30 bis 33) auf jeder Biegestreifen-Flachseite (20 1, 20 2), wobei an den Biegestreifen-Längsenden (26, 28) jeweils eine starre Endplatte (22, 24) zur Fixierung an den Elementen (12, 14) vorgesehen ist.Angle measuring arrangement ( 10 ) for determining the angle α between two mutually movable elements ( 12 . 14 ) regardless of their misalignment and a shift of the tangent planes of the elements ( 12 . 14 ), with an elastically flexible bending strip ( 20 ), whose two longitudinal ends ( 26 . 28 ) each on the elements ( 12 . 14 ) are fixable, characterized in each case by a bending strip in the longitudinal direction measuring and over the entire length of the bending strip ( 20 ) extending strain sensor ( 30 to 33 ) on each bending strip flat side ( 20 1 , 20 2 ), wherein at the bending strip longitudinal ends ( 26 . 28 ) each have a rigid end plate ( 22 . 24 ) for fixing to the elements ( 12 . 14 ) is provided. Winkel-Messanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungssensoren (30 bis 33) linear sind.Angle measuring arrangement ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the strain sensors ( 30 to 33 ) are linear. Winkel-Messanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegestreifen (20) über seine Länge eine konstante Dicke aufweist.Angle measuring arrangement ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the bending strip ( 20 ) has a constant thickness over its length. Winkel-Messanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungssensoren (30 bis 33) als Dehnungsmessstreifen (30 bis 33) ausgebildet sind.Angle measuring arrangement ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the strain sensors ( 30 to 33 ) as strain gauges ( 30 to 33 ) are formed. Winkel-Messanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halbbrücken-Auswertschaltung zur Auswertung der Messsignale der Dehnungssensoren (30 bis 33) vorgesehen ist.Angle measuring arrangement ( 10 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that a half-bridge evaluation circuit for evaluating the measurement signals of the strain sensors ( 30 to 33 ) is provided. Winkel-Messanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungssensoren (30 bis 33) jeweils aus einer sich über die gesamte Biegestreifen-Länge erstreckenden Schleife bestehen.Angle measuring arrangement ( 10 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the strain sensors ( 30 to 33 ) each consist of a over the entire bending strip length extending loop. Winkel-Messanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Dehnungssensoren (30 bis 33) auf jeder Flachseite (20 1, 20 2) vorgesehen sind.Angle measuring arrangement ( 10 ) according to one of claims 1 to 4 or 6, characterized in that in each case two strain sensors ( 30 to 33 ) on each flat side ( 20 1 , 20 2 ) are provided. Winkel-Messanordnung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vollbrücken-Auswertschaltung (40) zur Auswertung der vier Dehnungssensoren (30 bis 33) vorgesehen ist.Angle measuring arrangement ( 10 ) according to claim 7, characterized in that a full-bridge evaluation circuit ( 40 ) for evaluation of the four strain sensors ( 30 to 33 ) is provided. Winkel-Messanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der neutralen Faser des Biegestreifens (20) ein weiterer Dehnungssensor angeordnet ist.Angle measuring arrangement ( 10 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that in the neutral fiber of the bending strip ( 20 ) Another strain sensor is arranged. Winkel-Messanordnung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnungssensor ein Dehnungsmessstreifen ist, und dass ein Kapazitäts-Bestimmungsmodul vorgesehen ist, mit dem kapazitiv der Abstand zu den Flachseiten-Dehnungsmessstreifen (30, 31, 32, 33) ermittelt wird.Angle measuring arrangement ( 10 ) according to claim 9, characterized in that the strain sensor is a strain gauge, and in that a capacitance determination module is provided, with which capacitively the distance to the flat-side strain gauges ( 30 . 31 . 32 . 33 ) is determined.
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