Die vorliegende Erfindung betrifft das Messen von mechanischen Veränderungen. Hierzu stellt die Erfindung eine Vorrichtung, eine Anordnung, eine Verwendung und ein Verfahren bereit.

Aus dem Stand der Technik ist es bereits bekannt, Dehnmessstreifen (oder Dehnungsmessstreifen, abgekürzt DMS) zum Messen von mechanischen Veränderungen, beispielsweise eines Bauteils, zu verwenden. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, DMS in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung verschaltet zu benutzen. Beispielsweise in einer Vollbrücke würde man je zwei gegenüberliegende DMS verwenden, deren Widerstandsänderungen (aufgrund von mechanischen Veränderungen) mit positivem Vorzeichen in das Messergebnis eingehen, und je zwei gegenüberliegende DMS, deren Widerstandsänderungen mit negativem Vorzeichen in das Messergebnis eingehen.

Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat erkannt, dass solche Schaltungen für verschiedene Anwendungen von begrenztem Nutzen sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Messen von mechanischen Veränderungen zu verbessern und/oder flexibler zu gestalten.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 15, 18 und 19 stellen eine Anordnung, eine Verwendung und ein Verfahren unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen. Weiterbildungen, die explizit beispielsweise nur für die Vorrichtung beansprucht oder beschrieben sind, gelten entsprechend auch für die Anordnung, die Verwendung und das Verfahren.

Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Messen von mechanischen Veränderungen bereitgestellt, aufweisend

mindestens einen ersten Widerstand, der dazu eingerichtet ist, eine mechanische Veränderung in eine Änderung seines Widerstandswertes umzusetzen; und

mindestens einen Operationsverstärker,

wobei der mindestens erste Widerstand und der Operationsverstärker so geschaltet sind, dass der mindestens erste Widerstand dem Operationsverstärker als Eingangswiderstand dient und der Operationsverstärker an einem Ausgang ein Messergebnis liefert oder liefern kann.

Obwohl bei der Benutzung von bereits bekannten Wheatstoneschen Brückenschaltungen zur Messung von mechanischen Veränderungen oft auch ein Operationsverstärker benutzt wird, dient der Widerstand, der bei solchen bereits bekannten Schaltungen eine mechanische Veränderung in eine Änderung seines Widerstandswertes umsetzt, nicht als Eingangswiderstand für den Operationsverstärker. Stattdessen werden bei solchen Schaltungen die Eingänge des Operationsverstärkers an die sogenannte Messdiagonale geschaltet.

Durch die oben vorgeschlagene Ausführung der Erfindung lässt sich eine große Anzahl an Schaltungsmöglichkeiten realisieren, die mit einer herkömmlichen Brückenschaltung nicht möglich wären. Diese werden im folgenden Text näher erläutert.

In einer Ausführung ist der erste Widerstand ein Dehnmessstreifen. Wie dem Fachmann bekannt ist, ändern DMS ihren ohmschen Widerstand, wenn sie gedehnt werden, beispielsweise bei einer mechanischen Veränderung, die ein Bauteil, an dem sie befestigt sind, erfährt. Alternativ kann der erste Widerstand aber auch ein induktiver Widerstand oder ein kapazitiver Widerstand sein. Während Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nachfolgend hauptsächlich anhand eines DMS erläutert werden, ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von DMS beschränkt.

Nach einer Ausführung ist der erste Widerstand so an einem Bauteil befestigt oder befestigbar, dass eine mechanische Veränderung des Bauteils die Änderung des Widerstandswertes des mindestens ersten Widerstands bewirkt bzw. bewirken kann.

Insbesondere bei der Benutzung eines DMS würde typischerweise der DMS so auf einer Oberfläche des Bauteils befestigt, dass sich die Länge des DMS bei einer mechanischen Veränderung des Bauteils ändert.

In einer Ausführung weist die mechanische Veränderung des Bauteils eine Änderung einer Abmessung in mindestens einer Dimension und/oder eine Biegung und/oder eine Torsion des Bauteils auf. Unter einer Änderung einer Abmessung in mindestens einer Dimension ist hier insbesondere zu verstehen, dass sich beispielsweise die Länge des Bauteils (beispielsweise ein Stab) ändert, an dem der erste Widerstand befestigt ist. Dieser wird dadurch gedehnt. Auch bei einer Biegung oder Torsion (wiederum beispielsweise bei einem Stab) kann sich, je nach Befestigung des ersten Widerstands an dem Bauteil, eine Dehnung des ersten Widerstands ergeben.

Insbesondere im Falle einer Torsion handelt es sich vorzugsweise um eine Torsion um eine Achse. Zur Detektion einer solchen Torsion kann der erste Widerstand in einer bestimmten Weise an dem Bauteil befestigt werden: Zumindest ein Abschnitt des ersten Widerstands reagiert mit einer Änderung des Widerstandswertes auf eine mechanische Veränderung dieses Abschnitts in einer ersten Richtung (z.B. Dehnungsrichtung). Der erste Widerstand ist dann vorzugsweise so an dem Bauteil befestigt, dass diese erste Richtung einen Winkel x mit einer Parallelen zu der Achse der Torsion einschließt, wobei gilt: 0 < x < 90 Grad, vorzugsweise 10 Grad < x, weiter vorzugsweise 30 Grad < x, weiter vorzugsweise 40 Grad < x und/oder vorzugsweise x < 80 Grad, weiter vorzugsweise x < 60 Grad, weiter vorzugsweise x < 50 Grad.

In einer Ausführung ist ein erster elektrischer Anschluss des ersten Widerstands (bzw. bei der Verwendung von mehreren Widerständen jeweils ein erster elektrischer Anschluss der Widerstände) mit einem Eingang des Operationsverstärkers gekoppelt. Ein zweiter elektrischer Anschluss des ersten Widerstands (oder der Widerstände) ist vorgesehen, um elektrisch (jeweils) mit einer elektrischen Eingangsspannung gekoppelt zu werden. Durch das Anlegen von einer geeigneten Eingangsspannung/geeigneten Eingangsspannungen kann der/jeder Widerstand individuell „eingeschaltet“ oder „ausgeschaltet“ werden. Auch können durch geeignete Eingangsspannungen die verschiedenen Widerstände unterschiedlich gewichtet werden.

In einer Ausführung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, durch eine Veränderung der jeweiligen Eingangsspannung für den mindestens ersten Widerstand verschiedene, insbesondere verschiedenartige, mechanische Veränderungen des Bauteils zu messen.

In dieser Weise können - insbesondere bei Verwendung von mehreren Widerständen - verschiedene mechanische Veränderungen des Bauteils gemessen werden, also beispielsweise eine Biegung nicht nur um eine Achse, sondern um verschiedene Achsen, oder eine Längenänderung nicht nur in einer Dimension, sondern in mehreren Dimensionen, oder eine Torsion nicht nur um eine Achse/in eine Richtung, sondern um mehrere Achsen und/oder in mehreren Richtungen. Ebenso können verschiedenartige mechanische Veränderungen des Bauteils gemessen werden, also nicht nur einzeln beispielsweise eine Längenänderung oder eine Biegung oder eine Torsion, sondern mehrere dieser Arten von mechanischen Veränderungen.

In einer Ausführung kann die Eingangsspannung für den mindestens ersten Widerstand zurückgeführt werden, um aus dem Wert der angelegten Eingangsspannung und dem Wert der zurückgeführten Spannung auf die tatsächlich an dem mindestens ersten Widerstand anliegende Spannung zu schließen. Dadurch können genauere Messungen ermöglicht werden. Dies wird sich insbesondere dann bemerkbar machen, wenn relativ lange Kabel (z.B. mit Längen von mehreren Metern, mehreren zig Metern oder über 100 Meter) zur Verbindung des ersten Widerstands mit seiner Eingangsspannung verwendet werden.

Nach einer Ausführung weist die Vorrichtung einen DA-Wandler zum Bereitstellen der jeweiligen Eingangsspannung für den mindestens ersten Widerstand auf. Dies ermöglicht eine besonders benutzerfreundliche Wahl der Eingangsspannung für jeden Widerstand.

Nach einer Ausführung weist die Vorrichtung einen Shuntwiderstand auf, der parallel zu dem mindestens ersten Widerstand geschaltet ist oder geschaltet werden kann. Dies kann zum Kalibrieren der Schaltung benutzt werden.

Nach einer Ausführung weist die Vorrichtung mindestens 2, vorzugsweise mindestens 3, weiter vorzugsweise mindestens 4, weiter vorzugsweise mindestens 8, 12 oder 16 Widerstände auf, wobei die Widerstände parallel zueinander geschaltet sind und als Eingangswiderstände für den Operationsverstärker dienen. Im Prinzip ist es möglich, eine beliebig große Anzahl von Widerständen als Eingangswiderstände für den Operationsverstärker zu benutzen.

Durch die Verwendung von mehreren Widerständen können verschiedene mechanische Veränderungen (fast) gleichzeitig gemessen werden.

In einer Ausführung ist die Vorrichtung dafür eingerichtet, in einem Messbetrieb betrieben zu werden, wobei im Messbetrieb an jeweils zwei der Widerstände paarweise Eingangsspannungen anliegen, die betragsmäßig im Wesentlichen gleich, aber von entgegengesetzter Polarität sind. Hierdurch können manche Störeinflüsse, wie zum Beispiel Temperaturänderungen, weitgehend eliminiert werden.

In einer Ausführung ist die Vorrichtung dafür eingerichtet, in einem ersten Testbetrieb betrieben zu werden, wobei in dem ersten Testbetrieb nur an einem der Widerstände eine von Masse verschiedene Eingangsspannung anliegt und an allen anderen Widerständen die Eingangsspannung auf Masse liegt.

Hierdurch kann getestet werden, ob dieser eine Widerstand vorhanden/funktionsfähig ist. Ein solcher Test kann nacheinander für alle Widerstände durchgeführt werden.

In einer Ausführung weist die Vorrichtung einen zusätzlichen Testwiderstand auf, der parallel zu dem mindestens ersten Widerstand geschaltet ist oder geschaltet werden kann, wobei die Vorrichtung dafür eingerichtet ist, in einem zweiten Testbetrieb betrieben zu werden, wobei in dem zweiten Testbetrieb eine von Masse verschiedene Eingangsspannung nur an dem Testwiderstand anliegt und an allen anderen Widerständen die Eingangsspannung auf Masse liegt, und wobei im Messbetrieb die Eingangsspannung für den Testwiderstand auf Masse liegt.

In diesem zweiten Testbetrieb kann beispielsweise die Funktionsfähigkeit des Operationsverstärkers überprüft werden. Im normalen Messbetrieb würde der Testwiderstand keinen wesentlichen Einfluss auf das Messergebnis haben, weil durch das Anlegen von Masse als Eingangsspannung für den Testwiderstand dieser„ausgeschaltet“ wird.

In einer Ausführung weist die Vorrichtung mindestens zwei Widerstände und in einer ersten (Verstärkungs-)Stufe zwei Operationsverstärker auf, wobei jeweils mindestens einer der mindestens zwei Widerstände den zwei Operationsverstärkern als Eingangswiderstand dient und wobei die Ausgänge der zwei Operationsverstärker der ersten Stufe elektrisch jeweils mit Eingängen eines dritten Operationsverstärkers gekoppelt sind, wobei der dritte Operationsverstärker eine zweite (Verstärkungs-)Stufe darstellt und an einem Ausgang ein Messergebnis liefert oder liefern kann.

Hierdurch können manche Störeinflüsse, wie zum Beispiel Gleichtaktspannungen an den Eingängen (z.B. Netzbrummen), unterdrückt werden. Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung zum Messen von mechanischen Veränderungen bereitgestellt, aufweisend: ein Bauteil; und eine der oben beschriebenen Vorrichtungen, wobei der mindestens erste Widerstand an dem Bauteil befestigt ist, vorzugsweise verklebt ist.

Um eine verlässliche mechanische Verbindung zwischen dem Bauteil und dem Widerstand zu erreichen, wird der Widerstand vorzugsweise flächig an einer Oberfläche des Bauteils befestigt, beispielsweise verklebt. Somit verteilen sich die Kräfte, die bei einer mechanischen Veränderung des Bauteils entstehen und auf den Widerstand übertragen werden, auf die gesamte Kontaktfläche zwischen Bauteil und Widerstand.

In einer Anwendung weist das Bauteil einen 6D Kraft-Momentensensor mit mehreren Messspeichen auf, wobei jede Messspeiche mit mehreren Widerständen der Messvorrichtung versehen ist.

In einem anderen Anwendungsbeispiel weist das Bauteil ein Flexspline eines Harmonie Drive-Getriebes auf.

Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung eines Widerstands, der dazu eingerichtet ist, eine mechanische Veränderung in eine Änderung seines Widerstandswertes umzusetzen, als Eingangswiderstand für einen Operationsverstärker.

Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen von mechanischen Veränderungen, aufweisend:

Bereitstellen einer der oben beschriebenen Anordnungen;

Versorgen des mindestens ersten Widerstands mit einer Eingangsspannung; und

Ausgeben eines Messergebnisses an dem Ausgang des Operationsverstärkers.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert: Fig. 1 : eine Schaltung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2: eine Anordnung von Widerständen an einem Bauteil nach einer

Ausführung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3: eine Schaltung zur Verwendung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4: eine Anordnung von Widerständen an einem Bauteil nach einer

Ausführung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5: eine Anordnung von Widerständen an einem Bauteil nach einer

Ausführung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6: eine Schaltung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7: eine Schaltung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8: eine Schaltung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9: eine Schaltung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10: eine Schaltung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 1 1 : eine Anordnung von Widerständen an einem Bauteil nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 12: eine Anordnung von Widerständen an einem Bauteil nach einer

Ausführung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 1 zeigt eine Schaltung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die Messschaltung 10 weist einen bipolar gespeisten Operationsverstärker 1 mit einem invertierenden Eingang 2, einem nicht-invertierenden Eingang 3 und einem Ausgang 4 auf. Der nicht-invertierende Eingang 3 liegt auf Masse (0V). Ein Knotenpunkt 7 der Schaltung 10 ist (direkt) an den invertierenden Eingang 2 gekoppelt. An dem Ausgang 4 kann die Ausgangsspannung U_aus abgenommen werden. Ein Widerstand RO ist elektrisch (direkt) mit dem Ausgang 4 und dem Knotenpunkt 7 gekoppelt. Auch mit dem Knotenpunkt 7 gekoppelt ist mindestens ein Eingangswiderstand - im gezeigten Beispiel vier Eingangswiderstände R1 , R2, R3 und R4. Für den ersten Eingangswiderstand R1 ist ein erster elektrischer Anschluss 5 angedeutet, der in elektrischer Hinsicht (direkt) mit dem Knotenpunkt 7 gekoppelt ist. Die Eingangswiderstände sind jeweils elektrisch (direkt) mit einer Eingangsspannung U1 , U2, U3 und U4 verbunden. Für den ersten Eingangswiderstand R1 ist ein zweiter elektrischer Anschluss 6 angedeutet, der in elektrischer Hinsicht (direkt) mit der Eingangsspannung U1 gekoppelt ist. Weitere Eingangswiderstände könnten in entsprechender Weise parallel zu den dargestellten Widerständen R1 bis R4 geschaltet sein.

Die Schaltung der Figur 1 mit nur einem Operationsverstärker 1 kann als einstufige Verstärkerschaltung angesehen werden. Der Wert des Gegenkopplungswiderstands R0 im Verhältnis zu den Eingangswiderständen R1 bis R4 bestimmt die Verstärkung.

Es gilt: U_aus = - U1 (R0/R1) - U2 (R0/R2) - U3 (R0/R3) - U4 (R0/R4)

Die Schaltung summiert also das Verhältnis von R0 zu Ri (i=1 ,2...), jeweils gewichtet durch die entsprechende Eingangsspannung.

In dieser Ausführung der Erfindung sind die Widerstände R1 bis R4 keine Festwiderstände, sondern DMS. Somit kann die Schaltung dazu benutzt werden, mechanische Veränderungen, die Widerstandsänderungen der DMS bewirken, zu erfassen, denn eine Änderung der Widerstandswerte der Widerstände R1 bis R4 wirkt sich auf die Ausgangsspannung U_aus aus.

Die Eingangsspannungen können beispielsweise durch einen DA-Wandler bereitgestellt werden.

In durch den Erfinder durchgeführten Versuchen konnten gute Ergebnisse erzielt werden, wenn DMS für die Widerstände R1 bis R4 gewählt werden, deren Widerstandswerte ungefähr gleich groß sind, z.B. 350 W. Gleichwohl kann man aber auch unterschiedliche DMS mischen. Durch den Betrag und das Vorzeichen der Eingangsspannungen LH bis U4 kann die Gewichtung und das Vorzeichen der Änderung der Widerstände R1 bis R4 dabei individuell gesteuert werden. Durch das Hinzufügen von DMS kann die Auswirkung der Widerstandsänderung der benutzten DMS auf das Ausgangssignal beliebig gesteigert werden. Bei einer Wheatstoneschen Brücke ist dies über die vier grundsätzlich vorhandenen Brückenwiderstände hinaus nicht möglich. Schaltet man z.B. in einer Wheatstoneschen Brücke jeweils zwei DMS je Brückenzweig in Reihe, so hat man zwar bei gleicher Dehnung der beiden DMS in einem Brückenzweig die Widerstandsänderung verdoppelt, da aber auch der Gesamtwiderstand verdoppelt ist, ergibt sich der gleiche Einfluss auf die Ausgangsspannung der Brücke wie mit einzelnen DMS im Brückenzweig. Bei einer Parallelschaltung von DMS im Brückenzweig ergeben sich ähnliche Verhältnisse.

Besonders gute Ergebnisse können mit der Messschaltung 10 der Fig. 1 erzielt werden, wenn zumindest manche, und vorzugsweise alle DMS einen„Gegenspieler“ haben. Unter einem Gegenspieler zu einem ersten DMS ist vorzugsweise ein zweiter DMS zu verstehen, der an eine entgegengesetzte, etwa gleich große Eingangsspannung wie der erste DMS angeschlossen ist. Dies kann insbesondere dafür verwendet werden, um thermische Driften gering zu halten: Widerstandsänderungen eines ersten DMS aufgrund von Temperaturänderungen werden durch entsprechende Widerstandsänderungen eines zweiten DMS kompensiert.

Die Drahtlängen zweier als Gegenspieler verdrahteter DMS sind vorzugsweise etwa gleich zu wählen, so dass Temperaturänderungen keinen Offset der Ausgangsspannung hervorrufen. Die Rolle des Gegenspielers ist nicht fest vorgegeben, sondern kann bei aufeinanderfolgenden Messungen durch Ändern der Polarität der Eingangsspannungen zwischen den beteiligten DMS jeweils neu verteilt werden. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 kann beispielsweise in einer ersten Messung der R1 der Gegenspieler des R2 sein und der R3 der Gegenspieler des R4 sein. In einer zweiten Messung kann durch Ändern der Eingangsspannungen der R1 die Rolle des Gegenspielers des R3 annehmen und der R2 die des Gegenspielers des R4.

Als Variante des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 könnte man auch einen Festwiderstand als Gegenspieler eines DMS benutzen. Vorzugsweise wird dabei aber berücksichtigt, dass Festwiderstände ihren Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur unter Umständen anders ändern, insbesondere deutlich anders ändern, als DMS, die man in ihrer Scheindehnung auf einen Werkstoff (also das Material des Bauteils, an dem der DMS befestigt ist) abgleichen kann. Insgesamt gesehen ist mit einem Festwiderstand als Gegenspieler zu einem DMS mit größeren Driften zu rechnen.

Durch die individuell einstellbaren Eingangsspannungen können die DMS generell individuell gewichtet werden. Als Variante zu einer gleichen (aber entgegengesetzten) Gewichtung eines DMS und seines Gegenspielers wäre es möglich, durch verschieden große Eingangsspannungen eine ungleiche Gewichtung zu wählen. Dies kann dazu benutzt werden, bestimmte Effekte zu erzielen, z.B. um unsymmetrische Geometrien eines Bauteils zu berücksichtigen. Wenn beispielsweise eine Längenänderung eines Rohres, das in Umfangsrichtung unterschiedliche Wandstärken aufweist, durch eine Anordnung gemäß Figur 1 gemessen werden soll, kann es nützlich sein, einen ersten DMS, der an einem ersten Rohrabschnitt mit einer ersten Wandstärke befestigt ist, durch eine geeignete Eingangsspannung anders zu gewichten als einen zweiten DMS, der an einem zweiten Rohrabschnitt mit einer zweiten (zur ersten Wandstärke unterschiedlichen) Wandstärke befestigt ist. Vorzugsweise sind aber auch hier die Gewichtungen ähnlich, beispielsweise mit einer Abweichung von maximal 3 %, 5 % oder 10 %, um thermische Driften auf ein akzeptables Maß zu beschränken.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung von Widerständen (DMS) an einem Bauteil nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. An einem runden Stab (oder Rohr) 15, der im Querschnitt angedeutet ist, sind vier DMS (DMS 1 bis DMS 4) gleichmäßig am Umfang des Stabes verteilt befestigt. In diesem Beispiel sind die DMS in Längsrichtung an einer Oberfläche des Stabes befestigt. Dabei sind die DMS vorzugsweise flächig mit der Oberfläche des Stabs verbunden, beispielsweise auf den Stab geklebt. Eine Längenänderung des Abschnitts des Stabes, an dem ein DMS befestigt ist, bewirkt eine Längenänderung des entsprechenden DMS und somit eine Änderung des Widerstandswertes des DMS, die gemäß der Figur 1 ausgewertet werden kann.

Durch gestrichelte Linien sind in Figur 2 auch zwei Achsen 20, 21 angedeutet, um die sich der Stab 15 biegen kann. Schaltet man die DMS 1 und 4 mit positiver Gewichtung und die DMS 2 und 3 mit negativer Gewichtung misst man das Biegemoment um die Achse 20. Im Gegenzug misst man das Biegemoment und die Achse 21 , wenn man die DMS 3 und 4 positiv wichtet und die DMS 1 und 2 negativ. Dieser Wechsel der Gewichtung kann durch einfachen Wechsel des Vorzeichens der an den jeweiligen DMS anliegenden Eingangsspannungen geschehen. In einer Variante (nicht dargestellt) könnte man die DMS ähnlich wie in Figur 2 befestigen, jedoch abwechselnd schräg unter einem Winkel von 45° bis ca. 80° zur Längsachse des Stabes. Somit kann man bei entsprechenden Eingangsspannungen nicht nur die Biegung um die Achsen 20 und 21 messen, sondern auch noch die Torsion um die Längsachse des Stabes. Durch einen Winkel größer 45° kann man die Aussteuerung des Messverstärkers bei der Torsionsmessung im Verhältnis zur Aussteuerung bei der Biegungsmessung verringern. Man könnte dafür aber auch alternativ den Betrag der Eingangsspannungen je nach Messgröße variieren.

Im Prinzip sind Winkel zwischen 0° und 90° wählbar. Sinnvolle Winkelwerte können für jede Anwendung empirisch bestimmt werden. In vielen Fällen werden die Winkel zwischen 10° und 80° betragen, oder zwischen 30° und 60° betragen oder zwischen 40° und 50° betragen. Beispielsweise kann der Winkel im Wesentlichen 45° betragen.

Für die Vorzeichen der Eingangsspannungen könnte die folgende Tabelle benutzt werden:

Bei sukzessiver Umschaltung der Eingangsspannungen U1 bis U4 würde man am Ausgang 4 des Verstärkers 1 nacheinander elektrische Spannungen proportional zu den gewünschten Messgrößen erhalten.

Je nach verwendeten Komponenten können für die Umschaltung der Eingangsspannungen beispielsweise bilaterale CMOS Schalter benutzt werden. Vorzugsweise werden diese mit nachgeschalteten Impedanzwandlern benutzt. Ein Beispiel eines solchen Impedanzwandlers ist in Figur 3 gezeigt, wobei der CMOS Schalter durch das Bezugszeichen 17 angedeutet ist. Zwei verschiedene Eingangsspannungen U1 a und U1 b liegen an den Eingängen des CMOS Schalters an. Ein Ausgang des CMOS Schalters ist mit einem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärker 18 gekoppelt (dieser Operationsverstärker 18 ist nicht mit dem Operationsverstärker 1 aus der Fig. 1 zu verwechseln). Ein Ausgang 19 des Operationsverstärkers 18 ist in an sich bekannter Weise an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 18 rückgekoppelt. Außerdem dient der Ausgang 19 als Eingangsspannung U1 für den DMS 1 (bzw. R1 ) der Fig. 1.

Die in Fig. 3 angedeutete Umschaltung kann beispielsweise mit einer Frequenz von mehreren zig Kilohertz vorgenommen werden, was für die quasi gleichzeitige Messung von mechanischen Größen in vielen Fällen ausreichend ist.

Die Trennung der Messgrößen am Ausgang 4 (Fig. 1 ) kann durch AD - Wandlung der Ausgangsspannung U_aus des Messverstärkers erfolgen, gegebenenfalls nach einer gewissen Einschwingzeit jeweils nach Umschaltung der Eingangsspannungen der DMS. Die Steuerung der CMOS Schalter, des AD - Wandlers und einer digitalen Ausgangsschnittstelle (nicht dargestellt) sowie eine Aufbereitung der Messdaten in physikalischen Einheiten kann über einen im Sensor integrierten Mikrocontroller (nicht dargestellt) erfolgen. Im Allgemeinen würde der Anwender von der schnellen Umschaltung der Eingangsspannungen der DMS im praktischen Messbetrieb nichts merken. Mit anderen Worten, der Anwender hätte typischerweise den Eindruck, dass die verschiedenen Messungen (Biegung um verschiedene Achsen, Torsion usw.) im Wesentlichen zeitgleich erfolgen und gleichzeitig ausgegeben/angezeigt werden.

Figur 4 zeigt ein weiteres Beispiel, das sich an das Beispiel der Figur 2 anlehnt. Ein Abschnitt der Oberfläche des Stabes 15 ist als Fläche dargestellt, auf der zwei DMS 30, 31 senkrecht zueinander angeordnet sind. DMS 30 ist entlang der Längsrichtung des Stabes 15 („linear“) angeordnet. DMS 31 ist quer zur Längsrichtung des Stabes 15 angeordnet.

Die Anordnung der Figur 4 kann für die Messung der Biegemomente und der Zug- /Druckkraft auf den runden Stab 15 benutzt werden. Dabei ist es sinnvoll, drei oder vier solcher Gruppen zu verwenden, die unter 120° bzw. 90° am Umfang des Stabes verteilt angeordnet werden. Für die Messung von Zug/Druck bzw. Biegung linear/quer zu verschiedenen Ebenen können die Vorzeichen (Eingangsspannung) für die Gewichtung der DMS beispielsweise wie folgt gewählt werden:

Eine weitere Variante ist in Figur 5 dargestellt. Figur 5 zeigt die Oberfläche (bzw. einen Abschnitt der Oberfläche) des Stabes 15, an der vier Paare von DMS angeordnet sind. Jedes Paar weist jeweils einen DMS 33, 35, 37, 39 quer zur Längsrichtung des Stabes 15 und jeweils einen DMS 32, 34, 36, 38 auf, der bezüglich der Längsrichtung des Stabes 15 um einen Winkel zwischen 0 ° und 90 ° geneigt ist, beispielsweise ca. 45° (siehe auch die Variante zur Figur 2 bezüglich der möglichen Winkel). Dabei sind die geneigten DMS abwechselnd in die eine oder andere Richtung geneigt, also DMS 32 und 36 nach rechts und DMS 34 und 38 nach links.

Mit einer solchen Anordnung können die Biegemomente in zwei Ebenen, die Zug- /Druckkraft sowie das Torsionsmoment, welches auf den Stab 15 einwirkt, messen. Die Gewichtungen der DMS können dabei wie folgt gewählt werden:

Es wird nun die Auswertung von Messergebnissen unter Verwendung einer Schaltung gemäß Figur 1 näher betrachtet. Mit beispielsweise vier Eingangswiderständen R1 bis R4 gilt, wie bereits erwähnt:

U_aus = - U1 (R0/R1 ) - U2 (R0/R2) - U3 (R0/R3) - U4 (R0/R4) Wenn man beispielsweise R3 als Gegenspieler zu R1 benutzen möchte und R4 als Gegenspieler zu R2 benutzen möchte, und wenn weiterhin die Eingangsspannungen betragsmäßig alle gleich, aber für Gegenspieler von entgegengesetzter Polarität sind, könnte man schreiben: U1 = U2 = U ein und U3 = U4 = -U ein

Außerdem betrachten wir einen Fall, in dem alle Widerstände den gleichen Widerstandswert R im Grundzustand (also ohne Dehnung) haben. In dem Fall gilt: Ri = R + ARi (i = 1..4)

Wobei ARi die durch Dehnung hervorgerufene Änderung des Widerstandswertes des Widerstands Ri ist. Daraus ergibt sich

U_aus/U_ein = - R0/(R + AR1 ) - R0/(R + AR2) + R0/(R + AR3) + R0/(R + AR4).

Wählt man für den in Fig. 1 gezeigten Gegenkopplungswiderstand RO = R, so kann man näherungsweise schreiben:

U_aus/U_ein = + AR1/R + AR2/R - AR3/R - AR4/R

Dabei ist anzumerken, dass die durch die Näherung verursachte Abweichung zu einer exakten Berechnung nur ca. 0,0008 % bei DMS mit 350 W und einer durch die Dehnung verursachten Verstimmung von 1 W beträgt. Diese Abweichung ist in der Regel deutlich kleiner als die zu erwartende Messgenauigkeit.

Durch die Wahl von RO kann die Gesamtverstärkung gewählt werden. Wählt man statt RO = R beispielsweise RO = 35 kD für den Gegenkopplungswiderstand und R = 350 W als Widerstandswert des DMS, so ergäbe sich eine Verstärkung um einen Faktor von 100.

Statt (zeitweise) konstanter Eingangsspannungen und ohmschen Eingangswiderständen kann man auch Wechselspannungen als Eingangsspannungen an z.B. induktiven oder kapazitiven Eingangswiderständen aufschalten. Bei einem induktiven Widerstand würde sich typischerweise eine mechanische Veränderung so auf den induktiven Widerstand auswirken, dass ein ferromagnetischer Kern sich in eine Spule des induktiven Widerstands schiebt oder aus dieser zumindest teilweise herausgezogen wird, wodurch sich eine Änderung seines Widerstandswertes ergibt. Bei einem kapazitiven Widerstand würde eine Änderung seines Widerstandswertes typischerweise dadurch hervorgerufen, dass sich aufgrund von mechanischen Veränderungen der Abstand von zwei Platten eines Kondensators des kapazitiven Widerstands ändert.

Bei der Verwendung von induktiven oder kapazitiven Eingangswiderständen kann allerdings ein Zielkonflikt zwischen der Wechselspannungsfrequenz und der Umschaltfrequenz der Gewichtungen der Eingangsspannungen entstehen. Au ßerdem benötigen die Phasenverschiebungen bei einem Vorzeichenwechsel der Gewichtungen eine gewisse Zeit, da induktive oder kapazitive Messwiderstände mehr zum Schwingen neigen als ohmsche DMS Widerstände, die man im Rahmen der möglichen Anstiegsraten der Impedanzwandler beispielsweise innerhalb weniger Mikrosekunden umschalten kann.

Bei der Schaltung gemäß Figur 1 kommt ein weiterer Vorteil der Schaltung zum Tragen. Es ist nämlich möglich, in einem Testbetrieb (also in der Regel ohne mechanische Veränderung der DMS) einzelne DMS (beispielsweise nur einen DMS) durch Anlegen einer von Masse (0V) verschiedenen Eingangsspannung einzuschalten und alle anderen abzuschalten (OV). Durch Messen der tatsächlich am Ausgang 4 des Operationsverstärkers 1 anliegenden Spannung U_aus und Vergleichen mit der zu erwartenden Ausgangsspannung kann ermittelt werden, ob der eingeschaltete Eingangswiderstand funktionsfähig bzw. korrekt angeschlossen ist. Ergibt sich eine Abweichung außerhalb einer festgelegten oder festzulegenden Toleranz, kann daraus geschlossen werden, dass der eingeschaltete Eingangswiderstand nicht funktionsfähig bzw. nicht korrekt angeschlossen ist. Dieser Test kann sukzessive für andere Widerstände der Schaltung durchgeführt werden. Damit kann die Integrität der Messanordnung geprüft werden. Weil die Eingangswiderstände gegebenenfalls relativ schnell ein- und ausgeschaltet werden können, kann dieser Test in relativ kurzer Zeit durchgeführt werden. Dies ist insbesondere bei einer großen Anzahl angeschlossener DMS von Vorteil.

Weiterbildungen der in Figur 1 vorgestellten Schaltung werden nun anhand der Fig. 6 bis 10 beschrieben.

Die einstufige Schaltung der Figur 1 stellt eine Grundschaltung dar, die Gleichtaktspannungen an den Eingängen (z.B. Netzbrummen) nicht unterdrückt. Um eine Gleichtaktunterdrückung zu ermöglichen, kann eine zweistufige Schaltung gemäß Figur 6 benutzt werden. Diese Schaltung weist in einer ersten (Verstärkungs-)Stufe wiederum einen Operationsverstärker 1 mit einem Gegenkopplungswiderstand ROa und Eingangswiderständen auf. In dem gezeigten Beispiel sind nur zwei Eingangswiderstände R1 und R2 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 und entsprechenden Eingangsspannungen U1 und U2 verbunden. Die Schaltung kann aber auch weitere Eingangswiderstände aufweisen. In entsprechender Weise weist die Schaltung einen zweiten Operationsverstärker 100 auf, an den wiederum ein Gegenkopplungswiderstand ROa und Eingangswiderstände R3 und R4 angeschlossen sind. Der zweite Operationsverstärker 100 ist auch Teil der ersten (Verstärkungs-)Stufe. Die Ausgänge der Operationsverstärker 1 und 100 sind jeweils über Widerstände R5 an den invertierenden bzw. den nicht-invertierenden Eingang eines dritten Operationsverstärkers 200, der eine zweite (Verstärkungs-)Stufe darstellt, angeschlossen. Dessen Ausgang ist über einen weiteren Gegenkopplungswiderstand ROb mit dem invertierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers 200 verbunden. Der nicht invertierende Eingang des dritten Operationsverstärkers 200 ist über einen weiteren Widerstand ROb mit Masse (0V) verbunden. An dem Ausgang des dritten Operationsverstärkers 200 kann die Ausgangsspannung U_aus abgenommen werden.

In der Schaltung der Figur 6 werden also zwei Eingangsverstärker 1 , 100 für zwei DMS Gruppen benutzt. Die Differenz der Ausgangssignale wird dann in einer weiteren Stufe gebildet und verstärkt.

Statt des in Fig. 6 gezeigten Differenzverstärkers 200 kann die Verstärkung der zweiten Stufe auch durch einen fertig integriert erhältlichen Instrumentenverstärker, dessen Verstärkung nur mit einem einzelnen externen Widerstand festgelegt wird, realisiert werden.

Figur 7 zeigt eine Variante der Schaltung der Figur 1 . Die Eingangsspannungen U1 bis U4 werden über Sensorleitungen zurückgeführt und können dann als rückgeführte Spannungen U1 S bis U4S gemessen werden. Eine solche Schaltung kann insbesondere bei relativ langen Kabeln zwischen der Spannungsquelle / den Spannungsquellen, die die Eingangsspannungen U1 bis U4 bereitstellt / bereitstellen, und den Eingangswiderständen R1 bis R4 benutzt werden. Ebenso findet diese Schaltung bei erhöhten Anforderungen an die Messgenauigkeit Anwendung. Bei dieser Schaltung wird angenommen, dass die Spannungsverluste in dem Kabel von einer Eingangs- Spannungsquelle (Ui) zu dem entsprechenden Eingangswiderstand (Ri) etwa so groß sind wie die Spannungsverluste in der entsprechenden rückführenden Sensorleitung. Dementsprechend kann der Mittelwert zwischen der (angelegten) Eingangsspannung Ui und der rückgeführten Sensorspannung UiS als tatsächlich am (in der Figur linken) Eingang 6 eines Eingangswiderstands Ri anliegende Spannung angenommen werden. Die Messwertanzeige des Messverstärkers kann entsprechend korrigiert werden.

Figur 8 zeigt eine weitere Schaltungsvariante basierend auf der Schaltung der Figur 1 . In Figur 8 wird zusätzlich ein Shuntwiderstand 40 benutzt, der durch einen Schalter 41 zu einem DMS (hier R1 ) parallel geschaltet werden kann. Bei geschlossenem Schalter 41 ergibt sich eine definierte Verstimmung der Messschaltung, d.h. beim Zuschalten des Shuntwiderstands 40 macht die Ausgangsspannung U_aus einen Sprung. Anhand des gemessenen) Wertes dieses Sprungs und des (im Voraus bekannten) Widerstandswertes des Shuntwiderstands 40 kann eine Kalibrierung des Messverstärkers bzw. eine Prüfung der Schaltung auf korrekte Funktion durchgeführt werden.

Die Figuren 9 und 10 zeigen eine weitere Schaltungsvariante basierend auf der Schaltung der Figur 1. In den Figuren 9 und 10 ist zusätzlich ein Testwiderstand 42 (R test) vorhanden. Dieser kann über einen Schalter 43 mit einer Eingangsspannung versorgt werden. Der Schalter 43 verbindet den Testwiderstand 42 entweder mit einer Testspannung U_test (Fig. 9) oder mit Masse (0V, Fig. 10). Der Testwiderstand 42 ist auch mit dem Knotenpunkt 7 und somit auch mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 verbunden.

In einem Testbetrieb, der in Figur 9 dargestellt ist, ist (nur) der Testwiderstand 42 mit einer von Masse verschiedenen Eingangsspannung verbunden. Alle anderen Eingangswiderstände R1 bis R4 liegen mit ihren Eingängen auf Masse. In diesem Testbetrieb kann insbesondere die korrekte Funktion des Operationsverstärkers 1 überprüft werden.

Um die Schaltung für den normalen Messbetrieb zu benutzen, wird, wie in Figur 10 gezeigt, der Eingang des Testwiderstands 42 durch den Schalter 43 auf Masse gelegt. Die anderen Eingangswiderstände R1 bis R4 können dann mit ihren entsprechenden, von Masse verschiedenen Eingangsspannungen verbunden werden. Der Testwiderstand beeinflusst die Messung dann (im Wesentlichen) nicht, so dass sich die Schaltung wie in Figur 1 verhält.

Figur 1 1 zeigt ein Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der 6D Kraft- Momentensensor 50 hat eine mittlere Werkzeugnabe 54, die mit vier Messspeichen 56 verbunden ist. An ihren äußeren Enden sind die Messspeichen 56 jeweils mit einem zentralen Bereich einer Blattfeder 58 verbunden. Der Sensor weist auch vier Gehäuseanschraubpunkte 52 auf. Die vier Blattfedern 58 erstrecken sich zwischen den Gehäuseanschraubpunkten 52. An jeder Messspeiche 56 sind mehrere DMS 60 angeordnet. In dem gezeigten Beispiel befinden sich auf der sichtbaren Seite der Anordnung jeweils zwei DMS 60 auf jeder Messspeiche 56, wobei jeder DMS 60 um ca. 45° zu einer Mittellinie der Messspeiche 56 geneigt ist. Auf jeder Messspeiche 56 ist ein DMS 60 nach rechts geneigt und ein DMS 60 nach links. Insgesamt sind also auf der sichtbaren Seite der Anordnung acht DMS 60 angeordnet. Zusätzlich befinden sich auf der nicht sichtbaren, dem Beobachter abgewandten Seite weitere acht DMS 60 in einer entsprechenden oder ähnlichen Anordnung, insgesamt also sechzehn DMS 60.

Die DMS 60 von jeweils zwei benachbarten Messspeichen bilden jeweils einen eigenen 6D Sensor. Dabei entstehen zwei redundante 6D Sensoren.

Mit der in Figur 1 1 gezeigten Anordnung können durch die DMS 60 Kräfte und/oder Momente in den Messspeichen gemessen werden, wenn sich die mittlere Werkzeugnabe 54 gegenüber den Gehäuseanschraubpunkten 52 bewegt. Die Messungen können durch die vorangehend beschriebenen Schaltungen ausgewertet werden.

Mit dem Sensor 50 können jeweils die Biegemomente in zwei Ebenen, das Torsionsmoment sowie die Kräfte in drei Koordinatenrichtungen gemessen werden.

Figur 12 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Figur 12 zeigt in vereinfachter Darstellung ein Harmonie Drive Getriebe 70 bzw. einen Teil davon. Unmittelbar auf dem Flexspline 72 des Getriebes 70 sind vier DMS 74 in zwei DMS Gruppen befestigt, die zur Drehmomentmessung benutzt werden können. Innerhalb von einer Gruppe sind die zwei DMS 74 um 90° gegeneinander gedreht. Im vorliegenden Beispiel sind die DMS 74 einer Gruppe über Kreuz angeordnet. Die zwei Gruppen sind gegeneinander um 90° in Umfangsrichtung des Flexspline 72 versetzt. Zwei DMS 74 (einer von jeder Gruppe) sind also in Umfangsrichtung gleich ausgerichtet. Diese stehen in Umfangsrichtung senkrecht zu den beiden anderen DMS 74.

Je zwei in Umfangsrichtung gleich ausgerichtete DMS 74 können durch entsprechende Eingangsspannungen mit entgegengesetztem Vorzeichen zu den jeweils senkrecht dazu stehenden beiden anderen DMS ausgewertet werden. Durch die komplexe Verformung des Flexspline können dabei jedoch Störharmonische mit der doppelten und der vierfachen Umlauffrequenz des Wavegenerators des Harmonie Drive Getriebes entstehen. Um diese Störharmonischen zu kompensieren, kann man die DMS 74 in einer festen zeitlichen Abfolge unterschiedlich gewichten. Die Stärke der Kompensation kann man dabei durch die zeitliche Dauer der Gewichtung und/oder durch die Größe des Betrages der Gewichtung einstellen. Beispielsweise:

Durch die Gewichtung mit entgegengesetztem Vorzeichen der DMS 1 und 2 sowie der DMS 3 und 4 (erste Zeile der Tabelle) entstehen Messsignale, die für einen festen Zeitraum primär zum anliegenden Drehmoment proportional sind.

Durch die Gewichtung mit gleichem Vorzeichen der DMS 1 und 2 bzw. 3 und 4 (zweite und dritte Zeile der Tabelle) entstehen Messsignale, die für einen einstellbar kurzen Zeitraum primär zu den Störanteilen proportional sind.

Durch die Wahl der zeitlichen Dauer der beiden Kompensationsanteile können im Mittelwert des zeitlichen Gesamtsignalverlaufs die Störharmonischen weitgehend entfernt werden bzw. deutlich reduziert werden.

Neben dieser Kompensation durch Mittelwertbildung ist eine Kompensation nach einer Digitalisierung der gemessenen Nutz- und Störanteile auf rechnerischem Wege möglich.

Vorzugsweise erfolgt dabei die Umschaltung im Verhältnis zur gewünschten Bandbreite des Nutzsignals und zur Motordrehfrequenz schnell, z.B. im Bereich mehrerer Kilohertz. Weiter empfiehlt es sich, auf den Werkstoff des Flexspline abgestimmte scheindehnungskompensierte DMS für dieses Verfahren zu benutzen.

Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.

Bezuaszeichenliste

1 Operationsverstärker

2 invertierender Eingang des Operationsverstärkers

3 nicht-invertierender Eingang des Operationsverstärkers

4 Ausgang des Operationsverstärkers

5 erster elektrischer Anschluss eines Eingangswiderstands

6 zweiter elektrischer Anschluss eines Eingangswiderstands

7 Knotenpunkt

10 Messschaltung

15 Stab / Rohr / Bauteil

17 CMOS-Schalter

18 Operationsverstärker eines Impedanzwandlers

19 Ausgang des Operationsverstärkers des Impedanzwandlers 20, 21 erste und zweite Achse (Biegung)

30-39 Dehnmessstreifen (DMS)

40 Shuntwiderstand

41 Schalter

42 Testwiderstand

43 Schalter

50 Sensor

52 Gehäuseanschraubpunkte

54 Werkzeugnabe

56 Messspeiche

58 Blattfeder

60 DMS

70 Harmonie Drive Getriebe

72 Flexspline

74 DMS

100 Operationsverstärker (erste Stufe)

200 Operationsverstärker (zweite Stufe)