LageraufStandskraft einer rotierenden Welle

Die Erfindung betrifft eine Lagerungseinrichtung mit einem Sensor zur Messung der LageraufStandskraft einer rotierenden Welle. Insbesondere betrifft die Erfindung eine

Lagerungseinrichtung mit einem Sensor, mit dem die

Aufstandskraft des Lagers elektrisch abgreifbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Rotorsystem mit einer

Lagerungseinrichtung, die den Sensor aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum

Ermitteln der statischen und/oder dynamischen

LageraufStandkräfte der Welle, ein entsprechendes

Steuerungssystem, sowie die Verwendung des Sensors zum

Bestimmen der LageraufStandskraft eines Wellenlagers.

Ein mehrfach gelagertes Rotorsystem ist einfach oder mehrfach statisch überbestimmt. Das bedeutet, dass eine Änderung der geometrischen Lage eines Lagers relativ zur Welle (oder umgekehrt) - im Folgenden Ausrichtung genannt - eine Änderung der LageraufStandskräfte zur Folge hat. Je nach geometrischer Ausprägung des Welle-Lager-Systems bedingen bereits geringe Ausrichtungsänderungen große Kraftänderungen an den Lagern und in der Folge auch große Änderungen der Biegespannungen im Wellenschaftsystem. Bedingt durch die lastabhängigen

dynamischen Eigenschaften von Gleitlagern ändern sich mit der AufStandskraftverteilung ebenfalls die dynamischen

Eigenschaften des derartigen Rotorsystems. Umgekehrt ermöglicht die Kenntnis der statischen

Aufstandskräfte des mehrfach gelagerten Rotorsystems die Bewertung der Ausrichtung der Lager relativ zum Wellensystem. Die Kenntnis der dynamischen Aufstandskräfte ermöglicht die Bewertung des Schwingungszustands des mehrfach gelagerten Rotorsystems. Ausrichtfehler können zu erhöhten Biegespannungsbelastungen der Welle sowie zu übermäßigen Schwingungen und Lagerschäden führen. Hohe dynamische Aufstandskräfte können ebenfalls zu Lagerschäden oder Folgeschäden an benachbarten oder

angeschlossenen Komponenten, wie zum Beispiel Ölleitungen, führen. Die maximal zulässige Schwingungsintensität ist häufig von einem Betreiber spezifiziert. Merkmal der

statischen und dynamischen Aufstandskräfte ist es, dass diese sich im Betrieb sowohl kurzzeitig als auch langzeitig

verändern können. Kurzzeitige Änderungen sind zum Beispiel durch Aufwärmvorgänge und Laständerungen bedingt. Langzeitige Änderungen werden zum Beispiel durch Kriechverformungen und Setzerscheinungen verursacht. Ferner sind Änderungen der statischen Aufstandskräfte nicht ohne weiteres erkennbar, da sie sich durch unterschiedliche, oft nicht eindeutige

Veränderungen des betrieblichen Verhaltens bemerkbar machen. Die dynamischen Aufstandskräfte werden in der Regel durch Schwingungsmessungen ermittelt, deren quantitative Bewertung jedoch nur bei gleichzeitiger Kenntnis der

Systemsteifigkeiten möglich und daher mit erheblichen

Unsicherheiten behaftet ist.

Die Bestimmung der statischen LageraufStandskräfte bzw. der Wellenschaftausrichtung relativ zu den Lagern wurde bisher dadurch gelöst, dass die Kupplungen mit keiner oder mit nur einer begrenzten Fehlstellung zueinander gekoppelt werden. Dabei werden die betrieblichen Änderungen jedoch nicht direkt erfasst. Es werden vielmehr indirekte Messungen, wie zum Beispiel Lagertemperaturmessungen, Anhebeöldrücke und

Schwingungen gemessen, die einen indirekten Aufschluss über mögliche betriebliche Änderungen der Wellenschaftausrichtung relativ zu den Lagern erlauben. Im Rahmen von Stillständen werden Kupplungen "gebrochen" und die Ausrichtung wird durch Messung der Kupplungsfehlstellung ermittelt. Im Betrieb durchgeführte Verlagerungsmessungen an Maschinenfundamenten bzw. an stehenden Komponenten geben ebenfalls einen Hinweis auf lang- und kurzzeitig auftretende unzulässig hohe

Änderungen der LageraufStandskräfte .

Die dynamischen LageraufStandskräfte werden durch

Schwingungsmessungen ermittelt. Hierzu werden sowohl Relativ- als auch Absolutschwingungsmessungen durchgeführt. Bei einer Relativschwingungsmessung wird in der Regel die Schwingung der Welle relativ zur Bewegung eines Aufnehmers gemessen. Der Aufnehmer ist am Lager oder am Lagergehäuse befestigt. Bei einer Absolutschwingungsmessung wird die absolute Bewegung im Raum gemessen. Dabei ist der Geber, d.h. ein Sensor bzw. eine Messsonde zur Bestimmung der absoluten Bewegung, in der Regel am Lager oder am Lagergehäuse befestigt. Mittels dieser

Messungen und weiteren Annahmen bezüglich der Steifigkeit der Abstützung können Abschätzungen bezüglich der

Aufstandsabschätzungen erfolgen.

Den oben erwähnten Methoden ist jedoch gemein, dass sie mit zum Teil erheblichen Unsicherheiten behaftet sind und

lediglich Abschätzungen der zu bestimmenden

LageraufStandskraft liefern.

In FR 2 852 089 AI ist ein Lager mit einem Sensor

beschrieben . Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lagerungseinrichtung, ein Rotorsystem mit der Lagerungseinrichtungen, sowie ein Verfahren zum Messen von statischen und dynamischen

LageraufStandskräften in der Lagerungseinrichtung

bereitzustellen, wobei eine genaue Bestimmung der statischen und dynamischen LageraufStandskräfte ermöglicht ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Lagerungseinrichtung, wie sie in dem unabhängigen Anspruch 1 beschrieben wird, sowie durch eine Rotorsystem, ein Verfahren zur Bestimmung der LageraufStandskraft , und die Verwendung eines Sensors gemäß den nebengeordneten Ansprüchen 6, 8 und 10.

Gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 wird eine

Lagerungseinrichtung zum Lagern einer Welle geschaffen, wobei die Lagerungseinrichtung ein Lager, eine Abstützstruktur zum Abstützen des Lagers, und mindestens einen in die

Abstützstruktur integriert eingebrachten piezoresistiven Sensor aufweist, der im Kraftflussbereich der

Lagerungseinrichtung angeordnet ist. Mit der auf den Sensor einwirkenden Aufstandskraft des Lagers wird der elektrische Widerstand des Sensors derart beeinflusst, dass am Sensor die Aufstandskraft des Lagers elektrisch abgreifbar ist. Die erfindungsgemäße Lagerungseinrichtung hat den Vorteil, dass die Aufstandskraft des Lagers durch direkte Messung bestimmt werden kann. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass der Sensor in die Abstützstruktur im Kraftfluss

integriert eingebracht ist und die zu messende Aufstandskraft somit direkt auf den Sensor einwirkt, der wiederum aufgrund seines druckabhängigen elektrischen Widerstandsverhaltens die auf ihn einwirkende Kraft gemäß seiner druckabhängigen

Widerstandscharakteristik elektrisch abgreifbar macht. Bei piezoresistiven Sensoren, d.h. bei Sensoren mit

druckabhängigen elektrischen Widerstandsverhalten, treten keine oder nur geringe Verformungen, beispielsweise im

Nanometerbereich, bei Krafteinwirkung auf den Sensor auf. Gleichzeitig wird bei einer Krafteinwirkung auf den Sensor durch eine Änderung des im Sensormaterial herrschenden Drucks bereits eine messbare Änderung des elektrischen Widerstands erzeugt .

Dies bedeutet unter anderem, dass, als ein Vorteil der

Erfindung, der Sensor in der Lagerungseinrichtung die

Funktion eines tragenden Teils im Kraftflussbereich innerhalb b der Abstützstruktur ausübt. Der Sensor ist im

Kraftflussbereich angeordnet. Es treten bei der

erfindungsgemäßen Lagerungseinrichtung keine strukturellen Einbußen durch das Vorsehen des Sensors auf, da der Sensor in b der Abstützstruktur integriert angeordnet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Lagerungseinrichtung können

vorteilhaft sowohl die statischen als auch die dynamischen LageraufStandskräfte direkt bestimmt werden. Daraus ergibt sich, im Vergleich zu einer indirekten Messung, eine

10 Verringerung von Unsicherheiten und von Fehleinschätzungen, insbesondere auch im Rahmen der Schwingungsdiagnose. So liefert eine indirekte Messung im Unterschied zur direkten Messung in der Regel nur Anhaltspunkte zur Bestimmung der LageraufStandskräfte bzw. erlaubt nur ungenaue Aussagen, da lb der Zusammenhang zwischen den tatsächlichen

LageraufStandskräften und den durch die indirekte Messung gelieferten Messwerten oft nur unvollkommen bekannt ist.

Die Messung kann sowohl im Betrieb als auch bei Stillstand 20 der die Lagerungseinrichtung aufweisenden Maschine erfolgen.

Dies ist ein Vorteil insbesondere gegenüber einer Messung mittels eines Dehnungsmessstreifens, denn bei Verwendung eines Dehnungsmessstreifens ist eine Deformation der

Messstelle erforderlich, was, falls die Maschine im Betrieb 2b ist, nicht praktikabel bzw. nicht durchführbar wäre.

Da die Erfindung auf einem elektrischen Messprinzip beruht, können Standardauswerte- und Diagnoseverfahren angewandt werden. Der Messwert kann mit Alarm- und Warnwerten verknüpft

30 werden, eine automatisierte Überwachung wird ermöglicht. Eine langzeitige Auswertung der statischen Anteile ermöglicht auch die Erkennung von langzeitigen Ausrichtungsänderungen. Ferner ist die erfindungsgemäße Lösung einsetzbar für alle

Maschinentypen und kann einfach umgesetzt werden, da nur

3b stationäre, nicht drehende Komponenten betroffen sind. Die Genauigkeit der Analyse zu allen bekannten Echtzeitverfahren wird wesentlich erhöht.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der Sensor eine oder mehrere piezoresistive Dünnschichten auf. Ein Vorteil der Dünnschichten in dem Sensor ist, dass die

Lagerungseinrichtung bei geringem Materialverbrauch und

Volumen mit dem großflächigen Sensor versehen werden kann, bei dem eine relativ große Fläche senkrecht zum Kraftfluss angeordnet ist, so dass eine möglichst sensitive und genaue Druckmessung bzw. AufStandskraftmessung geliefert wird.

Jedoch ist die Erfindung nicht auf Sensoren mit dünnen

Schichten, d.h. auf sogenannte Dünnfilmsensoren beschränkt, gegebenenfalls können auch dickere Schichen verwendet werden, was insbesondere auch von der Art des verwendeten

Sensormaterials abhängen kann.

Bevorzugt weisen die eine oder mehreren piezoresistiven

Dünnschichten eine Schicht aus Diamond Like Carbon (DLC) auf, der amorphen Kohlenstoff aufweist. Dadurch wird eine hohe

Sensitivität der Sensoren erreicht. Jedoch ist die Erfindung nicht auf DLC als Sensormaterial beschränkt, und insbesondere nicht auf DLC-Dünnschichtsensoren . Alternativ können auch andere piezoresistive Materialien verwendet werden.

Beispielsweise kann auch Silizium verwendet werden.

Bevorzugt weist der Sensor eine oder mehrere Sensorplatten oder Sensorscheiben auf, wobei die piezoresistiven

Dünnschichten auf die Sensorplatten bzw. auf die

Sensorscheiben aufgebracht sind. Ein Vorteil von

Sensorscheiben oder Sensorplatten ist, dass der

piezoresistive Sensor mit geringen Toleranzen gefertigt werden kann. Beispielsweise kann zunächst eine Einheit aus einer Sensorscheibe und einer darauf aufgebrachten

piezoresistiven Schicht hergestellt werden, wobei die

Oberfläche der piezoresistiven Schicht nachbearbeitet werden kann, um eine glatte Kontaktfläche bereitzustellen. Die

Einheit aus der Sensorscheibe und der piezoresistiven Schicht wird in eine dafür vorgesehene Aussparung der Abstützstruktur der Lagereinrichtung eingebracht. Ferner können

erfindungsgemäß die Dicken der Sensorscheiben derart gewählt werden, dass bei der Lagereinrichtung eine mechanische

Vorspannung der piezoresistiven Sensoren erzielt wird. Durch das Vorsehen einer mechanischen Vorspannung kann die

Messcharakteristik des Sensors verbessert werden,

beispielsweise kann eine lineare Messcharakteristik des eingebauten Sensors erreicht werden.

Bevorzugt ist die Aufstandskraft mittels mindestens einer an den piezoresistiven Dünnschichten anliegenden

Kontaktelektrode abgreifbar. Ein Vorteil des Abgreifens durch eine Kontaktelektrode ist, dass die Auswertung der

Widerstandsmessung bzw. der Widerstandsänderung, die in dem piezoresistiven Sensor auftritt, genauer bestimmbar ist, da der Einfluss von elektrischen Strömen, die nicht eine

piezoresistive Schicht des Sensors durchlaufen und die die piezoresistive Schicht „umgehen", minimiert wird. Jedoch ist die Erfindung nicht auf eine solche direkt anliegende

Kontaktelektrode beschränkt. Alternativ kann die

Widerstandsänderung des Sensors auch ausschließlich durch nicht direkt an einer piezoresistiven Schicht anliegenden Elektroden bestimmt werden, beispielsweise indem lediglich elektrische Anschlüsse an den Rückseiten, d.h. an den nicht ^¬ beschichteten Flächen der Sensorscheiben vorgesehen sind. Jedoch besteht bei einer solchen alternativen

Ausführungsform, wie bereits erwähnt, in erhöhtem Maße die Gefahr, dass eine leitende Verbindung zwischen den

elektrischen Anschlüssen auftritt, durch die die beabsichtige Widerstandsmessung der piezoelektrischen Schicht verfälscht wird. Bei einem Ausführungsbeispiel wird dieses Problem dadurch gelöst, dass statt dem Vorsehen der direkt

anliegenden Kontaktelektrode der Sensor in eine Aussparung mit nicht-leitenden Oberflächen integriert wird. Bevorzugt ist der piezoresistive Sensor temperaturüberwacht. Der temperaturüberwachte Sensor hat den Vorteil, dass durch eine Änderung der Temperatur der Lagerungseinrichtung

bedingte Widerstandsänderung des Sensors bei einer Auswertung der Sensorsignale besser kompensierbar ist. Beispielsweise kann zu diesem Zweck eine Eichkurve für einen Sensor

verwendet werden, welche für einen festen Wert der

LageraufStandskraft den Widerstandswert des Sensors in

Abhängigkeit der Sensortemperatur angibt.

Gemäß der Erfindung wird auch ein Rotorsystem mit einem Rotor und mehreren Lagerungseinrichtungen zum Lagern der Rotorwelle des Rotors geschaffen, wobei die Rotorwelle statisch

überbestimmt gelagert ist und mindestens eine der

Lagerungseinrichtungen eine der oben beschriebenen

erfindungsgemäßen Lagerungseinrichtungen ist.

Ferner wird ein Verfahren geschaffen zum Ermitteln der statischen und/oder dynamischen LageraufStandskräfte der

Wellenlager einer statisch überbestimmt gelagerten Welle, die mittels einer oder mehrerer der erfindungsgemäßen

Lagerungseinrichtungen gelagert ist, wobei bei dem Verfahren die LageraufStandskraft mittels mindestens eines der

piezoresistiven Sensoren, der in der Abstützstruktur einer der Wellenlager im Kraftflussbereich integriert eingebracht ist, elektrisch abgegriffen wird. Gemäß einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Verfahren

angewandt bei einem mehrfach gelagerten Rotorsystem mit einem Rotor und einer Rotorwelle zum Antreiben des Rotors.

Ferner wird ein Steuerungssystem zum Überwachen der

statischen und/oder dynamischen LageraufStandskräfte der Wellenlager einer einfach oder mehrfach statisch überbestimmt gelagerten Welle geschaffen, wobei die Welle mittels einer oder mehrerer der erfindungsgemäßen Lagerungseinrichtung gelagert ist. Das Steuerungssystem weist auf eine Ausleseeinheit zum Auslesen der Signale aus mindestens einem piezoresistiven Sensor, der in die Abstützstruktur eines der Wellenlager integriert im Kraftflussbereich eingebracht ist, und eine elektronische Weiterverarbeitungseinheit zum

Berechnen der LageraufStandskräfte aus den von dem mindestens einem piezoresistiven Sensor erhaltenen Signalen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist das Steuerungssystem eine Ausgabeeinheit zum Darstellen der berechneten

LageraufStandkräfte für einen Benutzer auf. Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Steuerungssystem mit einem mehrfach

gelagerten Rotorsystem koppelbar und ist ferner dazu

eingerichtet, die Drehzahl eines Rotors des Rotorsystems in Antwort auf die aus den Sensorsignalen berechneten

LageraufStandskräfte zu steuern. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist das erfindungsgemäße Steuerungssystem eine Alarmeinheit auf zum Alarmieren eines Benutzers und zum Feststellen anhand der aus den Sensorsignalen berechneten LageraufStandskräfte, ob ein kritischer Schwellenwert einer LageraufStandskraft überschritten wird.

Ferner wird gemäß der Erfindung die Verwendung eines

piezoresistiven Sensors zum Bestimmen der

LageraufStandskräfte eines Wellenlagers bereitgestellt, wobei der Sensor in die Abstützstruktur eines Wellenlagers einer Lagerungseinrichtung, wie sie oben beschrieben ist,

integriert eingebracht ist. Bevorzugt weist der verwendete Sensor mehrere Sensorplatten oder Sensorscheiben mit

mindestens einer auf die Sensorplatten oder -Scheiben

aufgebrachten Schicht aus amorphen Kohlenstoff (DLC) und eine Kontaktelektrode zwischen den Sensorplatten oder -Scheiben zum elektrischen Kontaktieren der mindestens einen Schicht aus amorphen Kohlenstoff auf. In Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten schematischen Figuren erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer

Lagerungseinrichtung gemäß dem erfindungsgemäßen

Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Figur 2 eine Detailansicht von Komponenten der

Lagerungseinrichtung aus dem in Figur 1 gezeigten

Ausführungsbeispiel der Erfindung; Figur 3 eine schematische Ansicht von Komponenten eines piezoresistiven Sensors aus Figur 2;

Figur 4 eine schematische Schnittansicht des Aufbaus des piezoresistiven Sensors aus Figur 2;

Figur 5 eine schematische Ansicht von Komponenten eines piezoresistiven Sensors aus Figur 2;

Figur 6 eine schematische Schnittansicht des Aufbaus des piezoresistiven Sensors aus Figur 2; und

Figur 7 einen Schaltplan einer elektrische Verschaltung eines piezoresistiven Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung .

In der folgenden Figurenbeschreibung bezeichnen gleiche

Bezugszeichen gleiche Elemente. In den Figuren 1 und 2 wird beispielhaft der Einbau dreier Sensoren in eine

Abstützstruktur einer in einem Kraftwerk eingesetzten

Hochdruckteilturbine gezeigt. In Figur 1 wird eine

perspektivische Ansicht einer Lagerungseinrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Eine

Lagerkonstruktion 11 weist ein Lager 15 auf, das in einer Lageraufnahme 14 gehalten wird. Die Lageraufnahme 14 sitzt auf einer Halterung bzw. einem Lagerstuhl 12, der auf einer Stuhlplatte 13 befestigt ist. Die Lageraufnahme 14, der

Lagerstuhl 12 und die Stuhlplatte 13 bilden die

Abstützstruktur 16 für das Lager 15 der Lagerungseinrichtung 10. Wie in Figur 1 gezeigt ist, enthält die Stuhlplatte 13 Bohrungen 17, wobei die Bohrungen 17 für piezoresistive

Sensoren 24 vorgesehen sind, um die Sensoren 24 integral in die Abstützstruktur 16, hier in die Stuhlplatte 13,

einzubringen .

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die in Figur 1 gezeigte Lagerkonstruktion 11 bzw. auf eine Lagerkonstruktion mit einem Gleitlager beschränkt, sondern kann auch auf beliebige andere Lagerarten und Lagerkonstruktionen angewandt werden, die für eine Lagerung von rotierenden Wellen geeignet sind.

In Figur 2 wird eine Detailansicht von Komponenten der

Lagerungseinrichtung des in Figur 1 beschriebenen

Ausführungsbeispiels der Erfindung gezeigt. Gemäß dem in Figur 2 und in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel haben die piezoresistiven Sensoren 24 eine zylindrische Form und werden passgenau in die in der Stuhlplatte 13 vorhandenen Bohrungen 17 eingeführt. Dabei sollte die Höhe der

piezoresistiven Sensoren 24 im Vergleich zur Tiefe der

Bohrungen 17 derart gewählt werden, dass bei zusammengebauter Abstützstruktur ein genügend hoher statischer Druck im

Sensormaterial aufgebaut wird. Bevorzugt wird die auf die Sensoren einwirkende Kraft, welche im Betrieb auf die

Lagerungseinrichtung einwirkt, derart eingestellt, dass eine genügend hohe mechanische Vorspannung besteht. Wie in Figur 2 gezeigt ist, weist der Lagerstuhl 26 eine Nut 26 auf für eine Zuführung der Leitungen 25 für die elektrischen Anschlüsse zu den piezoresistiven Sensoren 24. Die Leitungen 25 dienen zur Widerstandsmessung. Zusätzlich können Zuführungen (nicht gezeigt) für eine Temperaturmessung vorgesehen sein. Da die piezoresistiven Sensoren 24 integral in die Stuhlplatte 13 eingepasst sind, üben sie innerhalb der

Abstützstruktur 16 eine tragende Funktion aus. Die

erfindungsgemäße Abstützstruktur 16 weist daher gegenüber einer herkömmlichen Abstützstruktur ohne integrierte Sensoren im Wesentlichen keine strukturellen Änderungen bzw. Einbußen hinsichtlich der Statik und Dynamik aus, da beispielsweise auch keine zusätzlichen unausgefüllten Hohlräume in der

Abstützstruktur 16 der zusammengebauten Lagerungseinrichtung 10 auftreten.

Die Form der Sensoren 24 ist nicht auf die in Figur 2

gezeigte zylindrische Form beschränkt. Beispielsweise sind gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel längliche rechteckige bzw. streifenförmige Sensoren vorgesehen, die im

Kraftflussbereich der Lagerungseinrichtung senkrecht zur Kraftflussrichtung integral in die Abstützstruktur

eingebracht sind. Gemäß dem Ausführungsbeispiel in den Figuren 1 und 2 sind die Sensoren im eingebauten Zustand vollumfänglich vom Material der Stuhlplatte 13 umgeben, was der Anordnung der Sensoren eine gute Stabilität verleiht. Gemäß einem anderen

Ausführungsbeispiel jedoch sind rechteckige piezoelektrische Sensoren zur Bestimmung der Aufstandskraft im Randbereich der Stuhlplatte in einer Bohrung oder einer Aussparung der

Stuhlplatte eingesetzt, wobei der Rand der Sensoren und der Rand der Stuhlplatte bündig aneinander ausgerichtet sind. Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel sind die

Sensoren ohne Sensorscheiben ausgeführt und sind die

piezoresistive Dünnschichten direkt auf die Stuhlplatte aufgebracht, so dass keine tiefen Bohrungen notwendig sind, in denen Sensorscheiben eingebracht werden können, sondern höchstens flache Vertiefungen vorgesehen sind, in denen die Dünnschichten angeordnet sind. Die Dünnschichten sind dabei senkrecht zur Kraftflussrichtung angeordnet.

Obgleich in dem in Figur 1 und 2 gezeigten

Ausführungsbeispiel drei Sensoren 24 verwendet werden, kann auch eine höhere oder niedrigere Zahl von Sensoren verwendet werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird lediglich ein einziger Sensor verwendet, um kritische Überschreitungen eines Kraftflussschwellenwertes zu detektieren. Ferner sind in noch einem anderen Ausführungsbeispiel zur Erhöhung der Detektionsgenauigkeit mehr als drei Sensoren vorgesehen.

In Figur 3 ist beispielhaft eine schematische Ansicht von Komponenten eines piezoresistiven Sensors 30 gezeigt. Der in Figur 3 gezeigte Sensor 30 entspricht den Sensoren 24 aus

Figur 2 und weist kreisrunde Sensorscheiben 32, 33 auf. Wie durch die schraffierte Fläche der Darstellung der

Sensorscheiben 32, 33 angedeutet wird, sind die

Sensorscheiben 32, 33 mit einem piezoresistiven Material beschichtet, beispielsweise mit Diamond Like Carbon (DLC) . Das piezoresistive Material wird elektrisch kontaktiert mit einer Kontaktelektrode 31, die zwischen die beiden

Sensorscheiben 32, 33 gelegt wird, so dass die

Kontaktelektrode das piezoresistive Material auf den

Sensorscheiben 32, 33 berührt.

In Figur 4 wird eine schematische Schnittansicht des Aufbaus des piezoresistiven Sensors gemäß Figur 3 gezeigt. Wie in Figur 4 gezeigt wird, liegt die Kontaktelektrode 31

sandwichartig zwischen den Sensorscheiben 32, 33. Die auf den Sensorscheiben 32, 33 aufgebrachten piezoresistiven Schichten 44 berühren die Kontaktelektrode 31. Die Kontaktelektrode 31 hat eine folienartige Struktur. Gemäß einem bevorzugten

Ausführungsbeispiel ist die Kontaktelektrode 31 eine

Stahlfolie. Mit den elektrischen Anschlüssen 45 und 46 kann ein elektrischer Widerstand des Sensors 30 gemessen werden. Dabei wird in der in Figur 4 gezeigten Konfiguration der Widerstand der unteren, auf der Sensorscheibe 33

aufgebrachten piezoresistiven Schicht 44 gemessen. Wird der Anschluss 45 anstatt auf die untere Sensorscheibe 33, wie in Figur 4 gezeigt ist, an die obere Sensorscheibe 32 angelegt, kann der Widerstand der auf die oberen der beiden Schichten 44 gemessen werden.

Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel wird auf die Kontaktelektrode 31 verzichtet, und die elektrischen

Anschlüsse sind an die obere und an die unter Sensorscheibe 32, 33 angelegt.

In Figur 5 wird beispielhaft eine schematische Ansicht von Komponenten eines piezoresistiven Sensors 50 gezeigt. Der in Figur 5 gezeigte Sensor 50 entspricht den Sensoren 24 aus Figur 2, wobei jedoch im Unterschied zu dem in Figur 3 beispielhaft gezeigten Sensor 30 der Sensor 50 nur auf einer Sensorscheibe 51 eine Beschichtung eines Materials mit druckabhängigen elektrischen Widerstand hat, wohingegen die zweite Sensorscheibe 52 nicht mit einer solchen

piezoresistiven Schicht versehen ist. Zur elektrischen

Kontaktierung der piezoresistiven Schicht sind Elektroden 53 und 54 vorgesehen, die auf einem Elektrodenträger 55

aufgebracht sind. Der Elektrodenträger 55 ist im Unterschied zu der Elektrode 31 aus dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 und 4 nicht aus elektrisch leitendem sondern aus elektrisch isolierendem Material gefertigt. Beispielsweise ist der

Elektrodenträger 55 eine Polyamidfolie. Die

Elektrodenstruktur des Sensors der erfindungsgemäßen

Lagerungseinrichtung ist aber nicht auf die in Figur 5 gezeigte, die Elektroden 53 und 54 aufweisende

Elektrodenstruktur beschränkt. Stattdessen können je nach Anforderungen auch andere Elektrodengeometrien verwendet werden, beispielsweise um die Genauigkeit der Messung

hinsichtlich der Ortsabhängigkeit weiter zu optimieren. l b

In Figur 6 wird eine schematische Schnittansicht des Aufbaus des piezoresistiven Sensors aus Figur 5 gezeigt. Wie in Figur 6 gezeigt wird, wird die auf die Sensorscheibe 51

aufgebrachte piezoresistive Schicht 60, in diesem

Ausführungsbeispiel eine DCL-Schicht, mit der

Elektrodenträger 55 in Kontakt gebracht. Dabei sind die

Elektroden 53, 54 der piezoresistiven Schicht 60 zugewandt, wie aus der in Figur 6 dargestellten Anordnung, bei der die elektrischen Anschlüsse 62, 63 von der Unterseite des

Elektrodenträgers bzw. den Elektroden wegführen, ersichtlich ist. Die Sensorscheibe 51 ist mit einem elektrischen

Anschluss 61 versehen, um eine Widerstandsmessung der

piezoresistiven Schicht 60 zu ermöglichen.

In Figur 7 wird die elektrische Verschaltung eines

piezoresistiven Sensors 70 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Der Sensor 70 weist zwei mit

piezoresistiven Schichten beschichtete Sensorplatten 74, 75 auf. Die Sensorplatten 74, 75 bzw. deren piezoresistive

Schichten sind mit einer Elektrode 76 elektrisch kontaktiert. Die Elektrode 76 und die Sensorplatten 74 und 75 sind

elektrisch miteinander verschaltet gemäß der in Figur 7 gezeigten Anordnung. Die Verschaltung gemäß Figur 7 erlaubt zwei alternative Widerstandsmessungen.

Ein erster Stromkreis, dargestellt mit durchgezogenen Linien, enthält eine Spannungsquelle U, einen Vorwiderstand bzw.

Referenzwiderstand 71, und ein Spannungsmessgerät 72. Wenn der erste Stromkreis geschlossen ist, kann mit dem

Spannungsmessgerät 72 der elektrische Widerstand R _Sen sor der piezoresistiven Schicht auf der Sensorplatte 74 bzw. der elektrische Widerstand über die Sensorplatte 74 inklusive der darauf aufgebrachten Schicht bestimmt werden nach der Formel:

R-Sensor ⁼ ( Usensor ^* R-Ref ) / ( UsQ ^_ Usensor ) r wobei Usensor der elektrische Spannungsabfall über die

Widerstandsschicht der oberen Sensorscheibe 74 ist, R _Ref der elektrische Widerstand des Referenzwiderstands 71 ist, und U _S Q die von der Spannungsquelle 76 gelieferte elektrische Spannung ist.

In einem zweiten Stromkreis ist der elektrische Kontakt zur oberen Sensorscheibe 74 unterbrochen (in Figur 7 nicht gezeigt) , wobei der Stromkreis durch den in Figur 7

gestrichelt gezeigten Schaltungsteil geschlossen wird. In analoger Anwendung der oberen Formel kann nunmehr mittels des Spannungsmessgeräts 73 der Widerstand der piezoelektrischen Schicht der unteren Sensorplatte 75 bestimmt werden. Durch Messung des Spannungsabfalls über sowohl die untere als auch die obere Schicht kann die Genauigkeit der Messungen erhöht werden .