DE4132111A1 - Measurement pick=up for strain gauge - detects change in separation of electrodes fixed to elastic support, pref. in strips, by measurement of capacitance effect - Google Patents

Measurement pick=up for strain gauge - detects change in separation of electrodes fixed to elastic support, pref. in strips, by measurement of capacitance effect

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DE4132111A1 DE19914132111 DE4132111A DE4132111A1 DE 4132111 A1 DE4132111 A1 DE 4132111A1 DE 19914132111 DE19914132111 DE 19914132111 DE 4132111 A DE4132111 A DE 4132111A DE 4132111 A1 DE4132111 A1 DE 4132111A1
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    • G01B7/14—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures

Abstract

Strain is measured with two electrode structures each incorporating a number of adjacent strips (1) fixed to an elastic support. Electrically conductive layers (4) on the edges only of the quartz, glass or ceramic electrodes (1) are arranged so as to form capacitors. Voltages of opposite polarity are connected to alternate edges (4), and slip zones (5) beneath them avoid excessive mechanical stresses in the electrodes (1). The strain is magnified in the ratio of inter-electrode spacing (x). ADVANTAGE - Easily applicable device, mechanically insensitive and does not require complex adjustments at point of installation.

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßaufnehmer für Längen- oder Abstandsänderungen mit mechanisch-elektrischer Meßgrößen­ umformung durch eine Kondensatoranordnung nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.The invention relates to a sensor for length or Distance changes with mechanical-electrical parameters Forming by a capacitor arrangement according to the upper Concept of claim 1.

Aus der EP 03 54 386 A1 ist bekannt, Längen- oder Abstandsänderungen zu messen, indem eine Kondensatoranordnung mit zwei parallel zueinander verstellbaren Elektrodenstrukturen als Meßaufnehmer mit mechanisch-elektrischer Meßgrößenumformung eingesetzt wird. Die beiden Elektrodenstrukturen bestehen jeweils aus mehreren ebenen, kammförmig hintereinander ange­ ordneten Elektroden und greifen derart ineinander, daß sich eine Parallelschaltung mehrerer Elektrodenpaare ergibt. Eine Parallelogrammführung sorgt dafür, daß eine Längen- oder Ab­ standsänderung sich lediglich auf den Abstand zwischen den Elektroden eines Elektrodenpaares auswirkt und die Elektroden nicht gegeneinander gekippt werden. Zur Messung von Längen- oder Abstandsänderungen zwischen zwei Punkten wird jeweils eine der beiden Elektrodenstrukturen an einem der beiden Punkte befestigt. Als Meßgröße dient die durch den variablen Elektrodenabstand der Elektrodenpaare hervorgerufene Kapazi­ tätsänderung. Dieser Meßaufnehmer ist mechanisch sehr empfind­ lich und erfordert eine aufwendige Justage an den Befesti­ gungspunkten, um den Meßbereich an die auftretenden Längen- oder Abstandsänderungen anzupassen.EP 03 54 386 A1 discloses changes in length or distance to measure by using a capacitor array with two Electrode structures adjustable parallel to each other as Sensor with mechanical-electrical measurement variable conversion is used. The two electrode structures exist each made up of several levels, one behind the other in a comb shape arranged electrodes and interlock in such a way that a parallel connection of several pairs of electrodes results. A Parallelogram guidance ensures that a length or Ab change in position only on the distance between the Electrodes of a pair of electrodes and the electrodes not be tilted against each other. For measuring length or changes in distance between two points each one of the two electrode structures on one of the two Dots attached. The variable used by the variable Capacitance caused by the electrode spacing of the electrode pairs change of state. This sensor is mechanically very sensitive Lich and requires a complex adjustment on the fasteners points in order to match the measuring range to the length or adapt distance changes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßaufnehmer für Längen- oder Abstandsänderungen zu schaffen, der mecha­ nisch unempfindlich und leicht applizierbar ist.The invention has for its object a sensor to create changes in length or distance, the mecha nisch insensitive and easy to apply.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die Elektroden eines Meßaufnehmers der eingangs genannten Art auf einem elastischen Träger befestigt, dessen Form den zu messenden Längen- oder Abstandsänderungen entsprechend gedehnt oder gestaucht wird. The electrodes of a sensor are used to solve this problem of the type mentioned on an elastic Carrier attached, the shape of which to be measured length or Distance changes are stretched or compressed accordingly.  

Als Elektroden können nach Anspruch 2 bis 4 Metallstreifen oder ein streifenförmiger Isolator mit einer elektrisch leitenden Schicht in den Randbereichen verwendet werden. In den Ansprüchen 5 bis 12 werden vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung angegeben.According to claims 2 to 4 metal strips can be used as electrodes or a strip-shaped insulator with an electrical conductive layer in the edge areas are used. In Claims 5 to 12 are advantageous embodiments specified the invention.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die Verwendung eines elastischen Trägers für die Elektrodenstrukturen eine Dehnung oder Stauchung des Meßaufnehmers über seinen zulässigen Bereich hinaus nicht unmittelbar zu seiner Zerstörung führt. Mit dem erfindungsgemäßen Meßaufnehmer sind nicht nur Längen- oder Abstandsänderungen erfaßbar, sondern er kann auch nach Art eines resistiven Dehnungsmeßstreifens appliziert werden und so Dehnungen oder Stauchungen in eine Änderung seiner Kapazität umwandeln. Die Empfindlichkeit des Meßaufnehmers ist auf einfache Weise durch geeignete Wahl der Geometrie­ daten einstellbar. Sie kann zudem erheblich höher als bei resistiven Dehnungsmeßstreifen gewählt werden, bei welchen die relative Widerstandsänderung etwa das Zweifache der Dehnung beträgt. Ist bei dem erfindungsgemäßen Meßaufnehmer das Verhältnis zwischen Elektrodenabstand und Elektrodenbreite 2%, so wird bei einer zu messenden Stauchung um 1% die Kapazität des Meßaufnehmers bereits näherungsweise verdoppelt. Die elektronische Auswertung der Kapazitätsänderung kann ent­ weder in einer Meßbrücke oder in einem Schwingkreis erfolgen. Bei der Auswertung in einem Schwingkreis wird direkt ein frequenzproportionales Signal geliefert, so daß keine auf­ wendige A/D-Wandlung erforderlich ist. Besonders vorteilhaft sind die erfindungsgemäßen Meßaufnehmer in explosionsgefähr­ deten Bereichen einsetzbar, da ihre Leistungsaufnahme sehr gering ist. Demgegenüber müssen resistive Dehnungsmeßstreifen mit einigen Milliampere gespeist werden. Elektrostatische Kräfte zwischen den Elektrodenpaaren und die Eigensteifigkeit des kapazitiven Meßaufnehmers sind vernachlässigbar klein, so daß praktisch keine zusätzlichen Rückstellkräfte verursacht werden. Ein weiterer Vorteil ist die weitgehende Unabhängig­ keit der Meßwerte von den verwendeten Werkstoffen, da vor allem die geometrischen Abmessungen kapazitätsbestimmend sind.The invention has the advantage that by using a elastic support for the electrode structures or upsetting the sensor above its permissible Area does not immediately lead to its destruction. With the sensor according to the invention, not only length or changes in distance can be detected, but it can also after Type of a resistive strain gauge can be applied and so stretching or compressing into a change in it Convert capacity. The sensitivity of the sensor is easy by suitable choice of geometry data adjustable. It can also be considerably higher than at resistive strain gauges are selected, in which the relative change in resistance is about twice the Elongation is. Is with the sensor according to the invention the relationship between electrode spacing and electrode width 2%, so for a compression to be measured by 1% The capacity of the sensor has almost doubled. The electronic evaluation of the change in capacity can ent neither in a measuring bridge nor in an oscillating circuit. When evaluating in a resonant circuit, a frequency-proportional signal delivered so that none on agile A / D conversion is required. Particularly advantageous the sensors according to the invention are at risk of explosion areas because their power consumption is very high is low. In contrast, resistive strain gauges be fed with a few milliamps. Electrostatic Forces between the electrode pairs and the inherent rigidity the capacitive sensor are negligible, so that practically causes no additional restoring forces will. Another advantage is the extensive independence speed of the measured values of the materials used, because before all the geometric dimensions are capacity-determining.

Anhand der Figuren, in denen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.Using the figures, in which two embodiments of the Invention are shown below, the invention as well as configurations and advantages explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen Meßaufnehmer mit beschichteten Elektroden und Fig. 1 shows a sensor with coated electrodes and

Fig. 2 einen Meßaufnehmer mit Streifenelektroden. Fig. 2 shows a sensor with strip electrodes.

Der Meßaufnehmer in Fig. 1 besteht im wesentlichen aus Elek­ troden 1, die auf einen elastischen Träger 2 aufgebracht sind. Der elastische Träger 2 ist elektrisch isolierend und stellt die mechanische Verbindung zu einem Körper 3 her, dessen Län­ genänderung, auch Dehnung genannt, mit dem Meßaufnehmer erfaßt werden soll. Die Elektroden 1 sind als senkrecht zur Darstel­ lungsebene verlaufende Streifen aus einem isolierenden Mate­ rial mit hohem Elastizitätsmodul, z. B. Quarz, Glas oder Keramik, ausgebildet, die lediglich im Randbereich mit elek­ trisch leitenden Schichten 4 überzogen sind, die paarweise je einen Kondensator bilden. Der Mittenabstand L zwischen den Elektroden 1 ist erheblich größer gewählt als der Abstand x zwischen den einzelnen Elektroden 1. Die Schichten 4 sind miteinander so elektrisch verschaltet, daß jeweils einander gegenüberliegende unterschiedliche Polarität aufweisen. Über­ höhte mechanische Spannungen in den Elektroden 1 werden bei dieser Anordnung vermieden, indem zwischen den Elektroden 1 und dem elastischen Träger 2 in den Randbereichen Gleitzonen 5 vorgesehen sind. Durch eine Nase, die in eine Ausnehmung des elastischen Trägers 2 eingreift, werden die Elektroden gegen seitliches Verschieben gesichert und sind so in einem mitt­ leren Bereich 6 mit dem elastischen Träger 2 fest verbunden. Diese Anordnung hat die Eigenschaft eines "Dehnungstransfor­ mators", d. h., eine geringe Dehnung des Mittenabstands L zwischen zwei Elektroden führt zu einer um den Faktor größeren relativen Dehnung des Abstands x zwischen den beiden Elektroden. Wie daraus leicht ersichtlich ist, führen bereits kleine Dehnungen des Körpers 3 zu einer erheblichen Kapazi­ tätsänderung des Meßaufnehmers. Durch die Wahl der Geometrie­ daten kann daher die Empfindlichkeit des Meßaufnehmers auf Dehnungen vorgegeben werden. The sensor in Fig. 1 consists essentially of elec trodes 1 , which are applied to an elastic support 2 . The elastic support 2 is electrically insulating and establishes the mechanical connection to a body 3 , the Län gene change, also called elongation, to be detected with the sensor. The electrodes 1 are as perpendicular to the presen- tation level strips made of an insulating material with a high modulus of elasticity, for. B. quartz, glass or ceramic, which are only coated in the edge area with elec trically conductive layers 4 , which each form a capacitor in pairs. The center distance L between the electrodes 1 is chosen to be considerably larger than the distance x between the individual electrodes 1 . The layers 4 are electrically connected to one another in such a way that each have opposite polarity. In this arrangement, excessive mechanical stresses in the electrodes 1 are avoided by providing sliding zones 5 between the electrodes 1 and the elastic support 2 in the edge regions. By a nose, which engages in a recess of the elastic support 2 , the electrodes are secured against lateral displacement and are thus firmly connected in a central area 6 with the elastic support 2 . This arrangement has the property of a "strain transformer", that is, a slight stretch of the center distance L between two electrodes leads to a relative stretch of the distance x between the two electrodes which is larger by a factor. As can easily be seen from this, even small expansions of the body 3 lead to a considerable change in the capacitance of the sensor. By selecting the geometry data, the sensitivity of the sensor to strains can be specified.

In Fig. 2 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung gezeigt. Die Elektroden 7, 8, 9 und 10 sind Metall­ streifen, die jeweils von einer Isolierschicht 11 abgedeckt werden. Ober einen elastischen Träger 2 sind sie mit einem Körper 3 verbunden, so daß Dehnungen des Körpers 3 zu einer Änderung der Elektrodenabstände führen. Ausnehmungen 12, die im elastischen Träger 2 jeweils unter den Randbereichen zweier gegenüberliegender Elektroden angebracht sind, verhindern, daß bei Dehnungen oder Stauchungen zu hohe Spannungen an den Rand­ bereichen der Elektroden 7, 8, 9 und 10 entstehen. Die Elek­ troden 7 und 9 sind höher angeordnet als die Elektroden 8 und 10. Dadurch können sie sich bei hohen Stauchungen des Körpers 3 an den Kanten übereinanderschieben, und es kommt nicht zur Zerstörung des Meßaufnehmers. Wenn die Elektroden 7 und 9 sowie die Elektroden 8 und 10 jeweils miteinander elek­ trisch verbunden sind, bilden die Elektroden einen Konden­ sator, dessen Kapazität die Summe der Einzelkapazitäten zwischen den Elektroden 7 und 8, 8 und 9 sowie 9 und 10 ist. Zur Messung der Dehnungen des Körpers 3 wird die Änderung der Gesamtkapazität des Meßaufnehmers auf z. B. aus der EP 03 54 386 A1 bekannte Weise erfaßt und ausgewertet. Die vielfachen Möglichkeiten hierzu sind an sich bekannt.In Fig. 2, another embodiment of the inven tion is shown. The electrodes 7 , 8 , 9 and 10 are metal strips, each of which is covered by an insulating layer 11 . They are connected to a body 3 via an elastic carrier 2 , so that expansions of the body 3 lead to a change in the electrode spacings. Recesses 12 , which are provided in the elastic support 2 in each case under the edge regions of two opposite electrodes, prevent stresses at the edges of the electrodes 7 , 8 , 9 and 10 from being too high in the event of expansion or compression. The electrodes 7 and 9 are arranged higher than the electrodes 8 and 10 . As a result, they can slide over one another at the edges in the case of high upsets of the body 3 , and the sensor is not destroyed. If the electrodes 7 and 9 and the electrodes 8 and 10 are each electrically connected to one another, the electrodes form a capacitor, the capacitance of which is the sum of the individual capacitances between the electrodes 7 and 8 , 8 and 9, and 9 and 10 . To measure the strains of the body 3 , the change in the total capacitance of the sensor to z. B. from EP 03 54 386 A1 known manner detected and evaluated. The multiple possibilities for this are known per se.

Claims (12)

1. Meßaufnehmer für Längen- oder Abstandsänderungen, insbeson­ dere Dehnungen, mit einer Kondensatoranordnung mit in Abhän­ gigkeit von der Längen- oder Abstandsänderung zueinander ver­ stellbaren Elektroden, dadurch gekenn­ zeichnet,
  • - daß die Elektroden (1) auf einem elastischen Träger (2) befestigt sind, dessen Form den zu messenden Längen- oder Abstandsänderungen entsprechend gedehnt oder gestaucht wird.
1. Sensor for changes in length or distance, in particular expansions, with a capacitor arrangement with electrodes which are adjustable as a function of the change in length or distance, characterized in that
  • - That the electrodes ( 1 ) are attached to an elastic carrier ( 2 ), the shape of which is stretched or compressed in accordance with the changes in length or distance to be measured.
2. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet,
  • - daß die Elektroden (1) streifenförmig ausgebildet sind und nebeneinanderliegen.
2. Sensor according to claim 1, characterized in
  • - That the electrodes ( 1 ) are strip-shaped and lie next to each other.
3. Meßaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Elektroden (1) Metallstreifen sind, die mit ihrer flachen Seite auf dem elastischen Träger (2) aufliegen.
3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in
  • - That the electrodes ( 1 ) are metal strips which rest with their flat side on the elastic support ( 2 ).
4. Meßaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Elektroden (1) streifenförmig und aus einem Isolator mit hohem Elastizitätsmodul gebildet sind, der mindestens in den Randbereichen, die einer anderen Elektrode (1) gegen­ überliegen, mit einer elektrisch leitenden Schicht (4) versehen ist.
4. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that
  • - That the electrodes ( 1 ) are strip-shaped and are formed from an insulator with a high modulus of elasticity, which is provided with an electrically conductive layer ( 4 ) at least in the edge regions which are opposite another electrode ( 1 ).
5. Meßaufnehmer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Elektroden (1) mit dem elastischen Träger (2) in einem in Dehnungsrichtung relativ kleinen Bereich fest verbunden sind und im übrigen gegenüber dem elastischen Träger (2) verschiebbar sind.
5. Sensor according to claim 2 or 3, characterized in
  • - That the electrodes ( 1 ) with the elastic support ( 2 ) are firmly connected in a relatively small area in the direction of expansion and are otherwise displaceable relative to the elastic support ( 2 ).
6. Meßaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet,
  • - daß der relativ kleine Bereich in der Elektrodenmitte liegt.
6. Sensor according to claim 5, characterized in
  • - That the relatively small area is in the middle of the electrode.
7. Meßaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der elastische Träger (2) jeweils im Bereich zwischen den Elektroden (1) eine Ausnehmung (12) aufweist.
7. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that
  • - That the elastic carrier ( 2 ) each has a recess ( 12 ) in the area between the electrodes ( 1 ).
8. Meßaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Elektroden (7, 8, 9, 10) mit einer Isolationsschicht (11) überdeckt sind.
8. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that
  • - That the electrodes ( 7 , 8 , 9 , 10 ) are covered with an insulation layer ( 11 ).
9. Meßaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß einander gegenüberliegende Kanten verschiedener Elek­ troden (7, 9; 8, 10) höhenversetzt sind.
9. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in
  • - That opposite edges of different elec trodes ( 7 , 9 ; 8 , 10 ) are offset in height.
10. Meßaufnehmer nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet,
  • - daß nebeneinanderliegende Elektroden (7, 8, 9, 10) höhen­ versetzt sind.
10. Sensor according to claim 8, characterized in
  • - That adjacent electrodes ( 7 , 8 , 9 , 10 ) are offset in height.
11. Meßaufnehmer nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet,
  • - daß die Elektroden (1) jeweils geneigt und schuppenartig übereinanderschiebbar sind.
11. Sensor according to claim 8, characterized in
  • - That the electrodes ( 1 ) are inclined and can be pushed over one another like scales.
12. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet,
  • - daß die Elektroden (1) in einem Abstand (x) hintereinander liegen, der mindestens so groß ist, daß sie sich bei der maximalen Längen- oder Abstandsverkürzung noch nicht be­ rühren.
12. Sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that
  • - That the electrodes ( 1 ) are at a distance (x) one behind the other, which is at least so large that they do not touch the maximum length or distance reduction.
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