專利名稱：用于測(cè)量?jī)?nèi)應(yīng)力的應(yīng)變片花的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1和10的前序部分所述的用于根據(jù)鉆孔方法測(cè)量工 件上的內(nèi)應(yīng)力的應(yīng)變片花。
背景技術(shù)：
對(duì)于確定的工件或者構(gòu)件通常有必要確定在其中是否存在內(nèi)應(yīng)力及其大小和方 向。在此，構(gòu)件中的在沒(méi)有外部的機(jī)械載荷的情況下起作用并且處于空間上均勻的并且時(shí) 間上恒定不變的溫度場(chǎng)下的應(yīng)力理解為內(nèi)應(yīng)力。為了測(cè)量這樣的內(nèi)應(yīng)力給出了不同的檢驗(yàn)方法，通過(guò)這些檢驗(yàn)方法可以求出在表 面上和在材料內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力狀況。在表面附近直到幾毫米深度的區(qū)域中通常使用鉆孔方 法。在此，構(gòu)件的應(yīng)確定內(nèi)應(yīng)力的確定位置上鉆出一個(gè)孔，該孔的直徑和鉆孔深度取決于試 樣厚度。在材料中存在的內(nèi)應(yīng)力的一部分通過(guò)這個(gè)孔釋放，由此在鉆孔邊緣附近出現(xiàn)可測(cè) 量的變形。然后，通過(guò)測(cè)量該鉆孔區(qū)域中的變形可以推斷出作用的內(nèi)應(yīng)力。為此例如必須通 過(guò)施加三個(gè)圍繞鉆孔的成組應(yīng)變片求出在三個(gè)不同方向上的應(yīng)變。但在該方法中只能夠使 用相對(duì)小的應(yīng)變片，因?yàn)橹辉诰o靠鉆孔的周圍存在在相對(duì)伸長(zhǎng)與引起的內(nèi)應(yīng)力分量之間的 很大程度的模擬。從DE-OS 2558768已知這種方法和為此使用的應(yīng)變片花。在此，該應(yīng)變片花包括 一個(gè)載體箔，在該載體箔上圍繞一個(gè)中心的中點(diǎn)在0°、45°和90°的角度位置安置三個(gè) 測(cè)量柵。在根據(jù)鉆孔方法的內(nèi)應(yīng)力測(cè)量中存在的困難在于工件必須精確地在粘上的花的 中心進(jìn)行鉆孔。因?yàn)樵阢@孔沒(méi)有中心地設(shè)置的情況下所述以不同的徑向間距安置的應(yīng)變測(cè) 量柵檢測(cè)與間距有關(guān)的應(yīng)變，而這導(dǎo)致測(cè)量誤差。因此，應(yīng)變片花以其中點(diǎn)精確定心地粘在 印制電路板上，其中，在該電路板的中心焊上一個(gè)定心套筒。在此，在該定心套筒中設(shè)置一 個(gè)中心的鉆孔，在該鉆孔中置入一個(gè)定心銷。然后將該應(yīng)變片花粘在要被檢驗(yàn)的工件上。然后為了精確地加工鉆孔，一個(gè)由具有鉆頭導(dǎo)向裝置的U形金屬架組成的鉆孔裝 置被設(shè)置在應(yīng)變片花上并且通過(guò)在定心套筒中使用的定心銷精確地放置在應(yīng)變片花的中 心。然后，在定心后將定心銷從鉆孔裝置中取出并且將鉆機(jī)的軸插入到鉆孔裝置中，以便將 在粘上的測(cè)量柵之間將一個(gè)非常精確的中心鉆孔加工到工件中。然后，在此在鉆孔過(guò)程中 引起的應(yīng)變通過(guò)應(yīng)變片花柵轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，然后可根據(jù)這些電信號(hào)計(jì)算出內(nèi)應(yīng)力。因?yàn)橹?在鉆孔緊周圍存在在在相對(duì)伸長(zhǎng)與引起的內(nèi)應(yīng)力分量之間很大程度的模擬，因此這些圍繞 鉆孔成組的應(yīng)變片必須是相對(duì)小的。因此，這種類型的應(yīng)變片花通常只具有大約10-15mm 的直徑，因此小的偏心距就可導(dǎo)致大的測(cè)量誤差。因此即使用前面描述的非常耗費(fèi)的鉆孔 裝置通常也不能實(shí)現(xiàn)所要求的最大允許的0. 02mm的偏心距。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的任務(wù)在于，這樣地改善一種用于根據(jù)鉆孔方法測(cè)量工件內(nèi)應(yīng)力的測(cè)量方法以及為此使用的應(yīng)變片花，使得由此可實(shí)現(xiàn)非常高的測(cè)量精度并且以盡可能小的測(cè) 量技術(shù)花費(fèi)就能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。該任務(wù)通過(guò)在權(quán)利要求1和10中說(shuō)明的發(fā)明解決。本發(fā)明的擴(kuò)展構(gòu)造以及有利 的實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中給出。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)一個(gè)公共測(cè)量方向的徑向?qū)χ玫匕仓玫臏y(cè)量柵可以很 大程度地補(bǔ)償由于小的偏心距引起的測(cè)量誤差。為此僅須確定對(duì)置的測(cè)量柵對(duì)的測(cè)量信 號(hào)，由此使得能夠有利的方式以最高20倍數(shù)改善由于鉆孔偏心導(dǎo)致的測(cè)量誤差。此外，本發(fā)明還具有的優(yōu)點(diǎn)是，在此類具有一個(gè)測(cè)量方向上的兩個(gè)對(duì)置測(cè)量柵的 花中能夠借助簡(jiǎn)單的串聯(lián)連接或者并聯(lián)連接或者簡(jiǎn)單的算術(shù)平均實(shí)現(xiàn)其平均值，使得為此 不必要值得一提的測(cè)量技術(shù)或者儀器方面的花費(fèi)。此外，本發(fā)明還具有的優(yōu)點(diǎn)是，只通過(guò)倍增在其它方面相同的應(yīng)變片上的測(cè)量柵 就能夠以簡(jiǎn)單的方式多倍地改善測(cè)量精度，而不必提高用于中心地引入鉆孔的費(fèi)用。在此， 用于在所述在其它方面相同的應(yīng)變片上倍增測(cè)量柵的額外花費(fèi)是相對(duì)小的，因?yàn)檫@些測(cè)量 柵通過(guò)一個(gè)公共的腐蝕工藝在所述在其它方面相同的載體箔上制造。因此，用這樣的成本 有利地制造的應(yīng)變片花可有利地實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度的提高，盡管定心精度的花費(fèi)能夠減少。


本發(fā)明根據(jù)在圖中示出的實(shí)施例更詳細(xì)地描述。附圖示出圖1六測(cè)量柵-鉆孔花，圖2用于六測(cè)量柵_(tái)鉆孔花的布線箔，圖3八測(cè)量柵鉆孔花。
具體實(shí)施例方式在附圖的圖1中示出應(yīng)變片花1作為鉆孔花，在該應(yīng)變片花上，三個(gè)相同類型的測(cè) 量柵3，4，5以相同的徑向間距圍繞鉆孔中心2以45°的角間距安置，關(guān)于鉆孔中心2對(duì)稱 地在上述測(cè)量柵對(duì)面分別配置一個(gè)相同類型的測(cè)量柵6，7，8。在此，該應(yīng)變片花1包括塑料載體層9，在該塑料載體層上設(shè)置了六個(gè)常規(guī)的蜿蜒 形的測(cè)量柵3，4，5，6，7，8。在此，所有的測(cè)量柵3，4，5，6，7，8同心地繞著一個(gè)中間的鉆孔標(biāo) 記2安置。在此，三個(gè)左側(cè)的測(cè)量柵3，4，5或者右側(cè)的測(cè)量柵6，7，8如通常的三柵鉆孔花 一樣繞著鉆孔標(biāo)記2設(shè)置，其中，所有的測(cè)量柵3，4，5，6，7，8距離鉆孔標(biāo)記2具有相同的徑 向間距。在此，該三個(gè)左側(cè)的測(cè)量柵3，4，5在三個(gè)不同的方向上在0到90°之間定向。在 測(cè)量柵3，4，5之間設(shè)置相同的45°的角度，使得三個(gè)左側(cè)的測(cè)量柵3，4，5覆蓋90°的角度 范圍。通過(guò)作用在工件上的內(nèi)力或者外力會(huì)在工件或者構(gòu)件上產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。由力導(dǎo)致的 形狀改變通過(guò)縱向位移或者橫向位移來(lái)表征。三個(gè)涉及單位面積的應(yīng)力相應(yīng)于工件中的 內(nèi)力。應(yīng)力狀態(tài)可以是單軸的、雙軸的或者三軸的，其中，變形狀態(tài)始終是三軸的。因此只 要主應(yīng)變方向未知，就有必要設(shè)置三個(gè)在不同的方向上定向的測(cè)量柵3，4，5以檢測(cè)變形狀 態(tài)。因?yàn)槟軌蛴蓹z測(cè)到的應(yīng)變變化通過(guò)計(jì)算得出內(nèi)應(yīng)力，所以基本上所述測(cè)量柵3，4，5的 各自的定向是不重要的，因此也存在0°，90°和135°或者0°，60°和120°的布置。當(dāng)然該三個(gè)測(cè)量柵3，4，5必須總是在不同的方向上定向，因此到目前為止對(duì)于鉆孔花沒(méi)有公 開(kāi)過(guò)一個(gè)花的兩個(gè)測(cè)量柵3，4，5之間的180°的角度錯(cuò)位。對(duì)于特殊情況，例如已知在主應(yīng)力方向之一上的內(nèi)應(yīng)力，也能夠例外地僅以兩個(gè) 繞著鉆孔以不同的方向定向的測(cè)量柵來(lái)檢測(cè)該內(nèi)應(yīng)力測(cè)量。但這實(shí)際上是意義不大的，因 此到目前為止鉆孔花具有至少三個(gè)測(cè)量柵，這些測(cè)量柵的角間距總是< 180°。因此通過(guò)示 出的六測(cè)量柵鉆孔花1在0°，45°和90°的三個(gè)主應(yīng)變方向上檢測(cè)應(yīng)變。這同樣地通過(guò) 三個(gè)左側(cè)的測(cè)量柵3，4，5以及也通過(guò)三個(gè)右側(cè)的測(cè)量柵6，7，8進(jìn)行，這些測(cè)量柵鏡像對(duì)稱 地對(duì)置并且因此具有到鉆孔中心點(diǎn)的相同間距以及對(duì)應(yīng)配置的對(duì)置測(cè)量柵。因?yàn)樗辛鶄€(gè) 測(cè)量柵3，4，5，6，7，8相同類型地構(gòu)成，因此分別180°對(duì)置的測(cè)量柵對(duì)3，8 ；4,7 ；5，6在鉆 孔過(guò)程中基本上必須檢測(cè)到相同的應(yīng)變，因?yàn)樗鼈冊(cè)谕恢鲬?yīng)變方向上定向?，F(xiàn)在本發(fā)明利用這樣的事實(shí)，以便通過(guò)偏心的鉆孔布置修正不可避免的鉆孔誤差 以及測(cè)量偏差。因?yàn)閷?duì)于當(dāng)前所要求的測(cè)量精度來(lái)說(shuō)，部分地最大容忍的許可偏心距為 0. 02mm，用常規(guī)的鉆孔定心方法只能在大的測(cè)量技術(shù)耗費(fèi)的情況下實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。由于對(duì)要 檢測(cè)的內(nèi)應(yīng)力有影響，機(jī)械式的鉆孔定心如沖眼等是不被許可的，因此在實(shí)踐中大多只可 實(shí)現(xiàn)> 0. 02mm的偏心距。因此本發(fā)明提出，在一個(gè)應(yīng)變片花上至少對(duì)每個(gè)要檢測(cè)的主應(yīng)變方向設(shè)置兩個(gè) 180°對(duì)置的相同類型的測(cè)量柵3，8;4，7;5，6，其由于鉆孔的偏心而導(dǎo)致的偏差可通過(guò)形 成平均值很大程度地被補(bǔ)償。但是為此也必要的是使一個(gè)檢測(cè)到的主應(yīng)變方向的應(yīng)變測(cè) 量值平均化，以便使由此引起的誤差最小化。雖然這不是完全成功的，因?yàn)榭捎?jì)算的內(nèi)應(yīng)力 與鉆孔的間距不是成比例地變化，從而留有剩余誤差。但是在實(shí)際的試驗(yàn)中，在最有可能的 例如0. 02mm的偏心精度的情況下得到測(cè)量精度的20倍的改善。在費(fèi)用減小的情況下用簡(jiǎn) 單的鉆孔定心方法還可實(shí)現(xiàn)例如0. Imm的偏心距，在本發(fā)明的鉆孔花中，與具有僅三個(gè)可 比較的測(cè)量柵的簡(jiǎn)單鉆孔花的盡可能最大允許的偏心相比得到測(cè)量精度的8倍數(shù)的改善。為了相應(yīng)地形成兩個(gè)180°對(duì)置地安置的測(cè)量柵3，8 ；4,7 ；5,6的平均值，本發(fā)明 提出三種不同的方法。優(yōu)選能夠通過(guò)分別對(duì)置且對(duì)應(yīng)的兩個(gè)測(cè)量柵3，8 ；4，7 ;5，6的串聯(lián)實(shí) 現(xiàn)平均值的形成。在附圖的圖2中示出了一個(gè)這種類型的單獨(dú)的布線箔18。在此，該布線 箔18與應(yīng)變片花的通往連接點(diǎn)11的連接印制導(dǎo)線10通過(guò)例如銅線12相互連接。在此， 該布線箔18包括已經(jīng)固定地接線的印制導(dǎo)線橋13，通過(guò)所述印制導(dǎo)線橋使一個(gè)主應(yīng)變方 向的180°對(duì)置地安置的測(cè)量柵對(duì)3，8;4，7;5，6串聯(lián)連接。于是在輸出端僅還存在六個(gè)測(cè) 量導(dǎo)線點(diǎn)14，如對(duì)于常規(guī)的、具有三個(gè)測(cè)量柵的鉆孔花一樣。當(dāng)然這六個(gè)測(cè)量柵3，4，5，6，7，8也能夠以常規(guī)的方式借助六測(cè)量柵鉆孔花1的 十二個(gè)連接點(diǎn)11串聯(lián)連接，以便分別獲得一個(gè)應(yīng)變方向的平均值作為輸出信號(hào)。但這種類型的固定接線也可以直接設(shè)置在鉆孔花1的載體箔9上。然而因?yàn)樵诖?印制導(dǎo)線10會(huì)交叉，因此只能通過(guò)疊堆地構(gòu)造的鉆孔花1才能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。但也可以通過(guò)一個(gè)應(yīng)變方向的對(duì)應(yīng)配置的180°對(duì)置地安置的測(cè)量柵對(duì)3，8 ；4， 7 ；5，6的并聯(lián)連接實(shí)現(xiàn)平均值的形成。因?yàn)槊總€(gè)測(cè)量柵3，8 ；4，7 ;5，6的測(cè)量信號(hào)通常在 放大后還被供應(yīng)給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所以這也可以隨后借助簡(jiǎn)單的計(jì)算電路通過(guò)計(jì)算實(shí)施。為 此于是在較大的偏心距時(shí)也能夠設(shè)置校正因數(shù)，這些校正因數(shù)補(bǔ)償相對(duì)于鉆孔偏差的非線 性。
在附圖的圖3中作為八測(cè)量柵鉆孔花示出應(yīng)變片花的另一實(shí)施方式。其與六測(cè) 量柵鉆孔花1的不同之處僅在于另一對(duì)相同類型的測(cè)量柵，通過(guò)它們可檢測(cè)材料的一個(gè)附 加的應(yīng)變方向。在此，該附加的測(cè)量柵對(duì)16，17相對(duì)于相鄰的測(cè)量柵對(duì)以45°的角間距安 置。由此優(yōu)選在偏心時(shí)實(shí)現(xiàn)精度的改善，該偏心在六測(cè)量柵鉆孔花1中在無(wú)柵的方向上延 伸。另外，該測(cè)量精度也已通過(guò)提高可分析處理的測(cè)量信號(hào)而提高，特別是當(dāng)主應(yīng)變方向在 之前未設(shè)置測(cè)量柵的方向上延伸時(shí)。此外，也還可構(gòu)造具有另外的測(cè)量柵對(duì)的鉆孔花，只要 在密集地在鉆孔上安置測(cè)量對(duì)時(shí)在載體箔9上的位置情況允許。因?yàn)樵谇懊婷枋龅膶?shí)施例 中這兩個(gè)鉆孔花1，15只具有一個(gè)優(yōu)選12mm的直徑或者棱邊長(zhǎng)度。因此優(yōu)選僅在較大的鉆 孔直徑的情況下使測(cè)量柵數(shù)量提高超過(guò)八個(gè)。因?yàn)樵阢@孔方法中鉆孔直徑及其鉆孔深度首 先取決于分析深度，因此只有小的鉆孔直徑不總是足夠的。
權(quán)利要求
一種用于根據(jù)鉆孔方法測(cè)量工件上的內(nèi)應(yīng)力的應(yīng)變片花，該應(yīng)變片花在0到＞180°的角度范圍內(nèi)以相同的間距和不同的方向徑向圍繞定心標(biāo)記(2)地包括至少三個(gè)測(cè)量柵(3，4，5)，其特征在于，對(duì)所述至少三個(gè)測(cè)量柵(3，4，5)的每一個(gè)分別配置一個(gè)對(duì)置的、在相同方向上定向的、相同類型的測(cè)量柵(6，7，8)，所述測(cè)量柵到定心標(biāo)記(2)與對(duì)置的測(cè)量柵到定心標(biāo)記(2)的徑向間距相同，其中，一個(gè)應(yīng)變方向的對(duì)置的測(cè)量柵對(duì)(3，8；4，7；5，6)如此相互連接或者耦合，使得所述應(yīng)變片對(duì)的測(cè)量值被平均。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的應(yīng)變片花，其特征在于，該應(yīng)變片花構(gòu)造為六測(cè)量柵鉆孔花(1)， 其中，三個(gè)相同類型的測(cè)量柵(3，4，5)徑向地以45°的間距圍繞作為定心標(biāo)記的鉆孔標(biāo)記 (2)設(shè)置，與所述測(cè)量柵分別180°對(duì)置地設(shè)置三個(gè)另外的、相同類型的測(cè)量柵(6，7，8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的應(yīng)變片花，其特征在于，該應(yīng)變片花構(gòu)造為八測(cè)量柵鉆孔花(15)， 其中，四個(gè)相同類型的測(cè)量柵(3，4，6，16)徑向地以45°的間距圍繞作為定心標(biāo)記的鉆孔 標(biāo)記(2)設(shè)置，在一個(gè)公共的載體箔(9)上與所述測(cè)量柵分別180°對(duì)置地設(shè)置四個(gè)另外 的、相同類型的測(cè)量柵(6，7，8，17)。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的應(yīng)變片花，其特征在于，測(cè)量柵(3，4，5，6，7，8，16，17)被 安置在一個(gè)公共的圓形或者有角的載體箔(9)上并且每個(gè)測(cè)量柵包括兩個(gè)引出的連接點(diǎn) (11)或者焊接點(diǎn)。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的應(yīng)變片花，其特征在于，測(cè)量柵(3,4,5,6,7,8,16,17)至 少借助12個(gè)連接印制導(dǎo)線(10)引出到載體箔(9)的一個(gè)縱側(cè)的至少十二個(gè)連接點(diǎn)(11)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的應(yīng)變片花，其特征在于，所述連接印制導(dǎo)線(10)在一個(gè)公 共的或者單獨(dú)的作為布線箔(18)的載體箔(9)上被如此導(dǎo)向或者布線，使得以成對(duì)方式對(duì) 置的測(cè)量柵(3，8;4，7;5，6;16，17)為了形成平均值而串聯(lián)地或者并聯(lián)地連接。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的應(yīng)變片花，其特征在于，測(cè)量柵(3，4，5，6，7，8，16，17)的 布線通過(guò)印制導(dǎo)線橋(13)或者交叉堆疊的印制導(dǎo)線進(jìn)行。
8.一種用于根據(jù)鉆孔方法測(cè)量工件中的內(nèi)應(yīng)力的測(cè)量裝置，具有根據(jù)權(quán)利要求1至7 之一的應(yīng)變片花(1，15)，其特征在于，該應(yīng)變片花(1，15)與一個(gè)設(shè)置的計(jì)算電路連接，該 計(jì)算電路由應(yīng)變測(cè)量值分別計(jì)算出180°對(duì)置的測(cè)量柵對(duì)(3，8 ；4，7 ;5，6 ；16，17)的平均 值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的測(cè)量裝置，其特征在于，為了用應(yīng)變片花(1，15)測(cè)量?jī)?nèi)應(yīng)力，其連 接點(diǎn)(11)與一個(gè)單獨(dú)的布線箔(18)連接，其中，該布線箔(18)包括印制導(dǎo)線(10)，所述印 制導(dǎo)線設(shè)有印制導(dǎo)線橋(13)并且引出到六個(gè)或者八個(gè)測(cè)量導(dǎo)線點(diǎn)，所述印制導(dǎo)線橋用于 使所述對(duì)置的測(cè)量柵對(duì)(3，8 ；4，7 ;5，6 ；16，17)串聯(lián)連接或者并聯(lián)連接。
10.一種用于根據(jù)鉆孔方法測(cè)量工件中的內(nèi)應(yīng)力的方法，該方法利用根據(jù)權(quán)利要求1 至7的應(yīng)變片花之一，其測(cè)量導(dǎo)線點(diǎn)(14)或者連接點(diǎn)(11)與一個(gè)分析處理裝置的電子計(jì) 算電路連接并且在工件在中心的鉆孔標(biāo)記⑵處鉆孔之后該計(jì)算電路根據(jù)已知的計(jì)算算 法從然后檢測(cè)到的應(yīng)變測(cè)量值計(jì)算出內(nèi)應(yīng)力，其特征在于，事先由對(duì)置的測(cè)量柵(3，8 ；4， 7 ；5,6 ；16，17)的測(cè)量值計(jì)算其平均值，該平均值用作用于計(jì)算內(nèi)應(yīng)力的應(yīng)變測(cè)量值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于根據(jù)鉆孔方法測(cè)量工件上的內(nèi)應(yīng)力的應(yīng)變片花，該應(yīng)變片花在0到＜180°的角度范圍內(nèi)以相同的間距和不同的方向徑向地圍繞定心標(biāo)記(2)具有至少三個(gè)測(cè)量柵(3，4，5)。本發(fā)明的特點(diǎn)在于，對(duì)所述至少三個(gè)測(cè)量柵(3，4，5)的每一個(gè)分別配置一個(gè)對(duì)置的、在相同方向上定向的、相同類型的測(cè)量柵(6，7，8)。在此，所有測(cè)量柵(3，4，5，6，7，8，16，17)到定心標(biāo)記(2)具有相同的徑向間距，其中，一個(gè)應(yīng)變方向的對(duì)置的測(cè)量柵對(duì)(3，8；4，7；5，6；16，17)如此相互連接或者耦合，使得其測(cè)量信號(hào)被平均。
文檔編號(hào)G01L5/00GK101965506SQ200880124930
公開(kāi)日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2008年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月23日
發(fā)明者S·克萊因, T·克萊克爾斯 申請(qǐng)人:霍廷格-鮑德溫測(cè)量技術(shù)設(shè)備公司