DE102006034041A1 - Wireless strain gauge measuring system for use in e.g. mechanical engineering, has strain gauge implemented as single strip, where system is implemented to permit application of strip, so that data and energy are exchanged for operation - Google Patents

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Abstract

The system has a signal processing and telemetry electronic transponder, and a strain gauge (1) that is implemented as single strips or as measuring bridge, where the overall system is implemented by a structural-design technology. The technology is implemented to permit application of the strip, so that measured values, control data and energy are exchanged for an operation of the system without galvanic connection by accessible positions over radio communications. The transponder is adapted to both signal transmission and power supply.

Description

Stand der TechnikState of the art

Zur Messung von Dehnungen an Bauteilen werden üblicherweise Dehnungsmessstreifen (DMS) als Sensoren eingesetzt. Die DMS (1) werden dabei im allgemeinen mit speziellen Klebstoffen am Messkörper angebracht, ggf. mit einem schützenden Abdeckmittel versehen, anschließend verdrahtet und über ein Kabel (2) mit einem Signalverarbeitungsgerät nebst Anzeige (3) verbunden (1). Bevorzugtes Anwendungsgebiet der DMS-Technik ist dabei die experimentelle Spannungsanalyse und der Bau von Messgrößenaufnehmern, die zum Erfassen unterschiedlicher mechanischer Größen, wie z.B. Kraft, Drehmoment, Druck, benötigt werden. Durch die Möglichkeit mittels der DMS-Technik Messgrößenaufnehmer unabhängig vom eigentlichen Messobjekt zu bauen, wurde ein breiter Einsatz dieser Technik ermöglicht.Strain gages (strain gauges) are usually used as sensors for measuring strains on components. The DMS ( 1 ) are in general attached with special adhesives on the measuring body, possibly provided with a protective cover, then wired and a cable ( 2 ) with a signal processing device and display ( 3 ) connected ( 1 ). The preferred field of application of the DMS technique is the experimental stress analysis and the construction of Meßgrößenaufnehmer, which are required for detecting different mechanical parameters, such as force, torque, pressure. Due to the possibility of using DMS technology to build measuring sensors independently of the actual measuring object, a broad use of this technology was made possible.

Werden die unter mechanischer Beanspruchung hervorgerufenen Dehnungen an bestimmten Bereichen eines Bauteils als Messwert benötigt, um z.B. Biege- oder Torsionsspannungen zu ermitteln, so müssen die DMS direkt am interessierenden Bereich des Bauteils appliziert werden. Ist dabei eine kabelgebundene Ankopplung des DMS mit einem Signalverarbeitungsgerät nicht möglich oder unerwünscht, wie z.B. bei der Applikation an rotierenden Bauteilen oder an Implantaten, kann diese durch eine Funkverbindung (5) ersetzt werden (2). Hierbei ist eine entsprechende Signalverarbeitungs- und Datenübertragungselektronik (4) sensorseitig sowie eine Sende-/Empfangseinheit (6) notwendig. Oftmals sind dabei eine hinreichende Miniaturisierung der sensorseitigen Signalverarbeitungs- und Datenübertragungselektronik (Telemetrieelektronik) (4) sowie die Übertragungsreichweite der Funkverbindung (5) wesentliche Randbedingungen an das Meßsystem. Die Energieversorgung der sensorseitigen Elektronik (4) erfolgt dabei in der Regel durch eine Batterie (7) oder induktiv über die Sende-/Empfangseinheit (Lesegerät).If the strains caused under mechanical stress are required as measured values at certain areas of a component in order, for example, to determine bending or torsional stresses, the strain gauges must be applied directly to the region of interest of the component. If a wired coupling of the strain gage with a signal processing device is not possible or undesirable, as for example in the case of application to rotating components or to implants, this can be achieved by a radio link ( 5 ) be replaced ( 2 ). In this case, a corresponding signal processing and data transmission electronics ( 4 ) sensor side and a transmitting / receiving unit ( 6 ) necessary. Often, a sufficient miniaturization of the sensor-side signal processing and data transmission electronics (telemetry electronics) ( 4 ) as well as the transmission range of the radio connection ( 5 ) essential boundary conditions to the measuring system. The power supply of the sensor-side electronics ( 4 ) is usually carried out by a battery ( 7 ) or inductively via the transmitting / receiving unit (reading device).

Die zur Signalverarbeitung und -übertragung erforderliche Telemetrieelektronik (4) wird dabei erst nach Applikation des DMS (1) an das Bauteil mit allen für dessen Applikation notwendigen Arbeitsschritten an den DMS angekoppelt. Abschließend muss dieses am Bauteil aufgebaute Meßsystem im allgemeinen noch hinreichend gegen äußere Einflüsse, z.B. Staub oder Flüssigkeit, gekapselt werden. Da hierbei der Aufbau eines solches Meßsystems vor-Ort bzw. am Objekt vorgenommen werden muss, bleibt dieses Verfahren oftmals Einzelanwendungen telemetrischer Beanspruchungsmessungen vorbehalten. Insbesondere wenn höhere Losgrößen auf dieser Weise ausgestatteter Bauteile benötigt werden bzw. Objekte an unterschiedlichen Orten mit einem solchen Meßsystem ausgestattet werden sollen, ist dieses Verfahren zu aufwendig.The telemetry electronics required for signal processing and transmission ( 4 ) is only displayed after application of the DMS ( 1 ) is coupled to the component with all the steps necessary for its application to the DMS. Finally, this built on the component measuring system must be generally still sufficiently encapsulated against external influences, such as dust or liquid. Since the construction of such a measuring system must be carried out on site or on the object, this method is often reserved for individual applications of telemetric load measurements. In particular, when higher batch sizes are required in this way equipped components or objects are to be equipped at different locations with such a measuring system, this method is too expensive.

Zudem kann eine Funktionsprüfung des Systems erst nach endgültiger Applikation vorgenommen werden. Handelt es sich bei dem zu vermessenden Bauteil um ein z.B. teures Bauteil (z.B. Implantat für die Knochenbruchbehandlung), so wäre eine vorgeschaltete Funktionsprüfung des Messsystems vor Applikation am Bauteil wünschenswert, um einen möglichen kostenintensiven Ausschuss bei Nicht-Funktion zu vermeiden.moreover can be a functional test of the system only after definitive Application be made. Is it the one to be measured Component around a e.g. expensive component (e.g., implant for bone fracture treatment), that would be an upstream functional test of the measuring system before application on the component desirable to a possible to avoid costly rejects in case of non-function.

Aufgabenstellungtask

Der Erfindung liegt Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Dehnungs-Messsystemen zur Anwendung an nicht optimal zugänglichen Stellen zu vereinfachen sowie die Anwendung von Dehnungsmessstreifen durch Vermeidung von nach dem Aufkleben anzulötenden und in der Regel empfindlichen Kabeln (2) zu vereinfachen.The invention has for its object to simplify the production of strain gauges for use in places not optimally accessible and the application of strain gauges by avoiding after gluing to be soldered and usually sensitive cables ( 2 ).

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst. Die angegebene Lösung besteht darin, dass im Gegensatz zum bisherigen Anwendungsverfahren die Dehnungsmessstreifen (1) nicht primär auf das zu untersuchende Bauteil aufgeklebt und danach über ein Kabel (2) an die Messelektronik (3 oder 4) angeschlossen werden, sondern eine Integration von Messstreifen mit einer (Miniatur-) Telemetrie-Elektronik nebst Antenne erfolgt (3) und dadurch nach dem Aufkleben dieses so modifizierten Messstreifens kein Kabelanschluss mehr erforderlich ist, da die Messwerte kabellos abgerufen werden können.The object is solved by the features of the claims. The stated solution is that, in contrast to the previous application method, the strain gauges ( 1 ) not primarily adhered to the component to be examined and then via a cable ( 2 ) to the measuring electronics ( 3 or 4 ), but an integration of gauges with (miniature) telemetry electronics and antenna takes place ( 3 ) and thus after the gluing of this so modified measuring strip no cable connection is necessary, since the measured values can be called up wirelessly.

Ausführungsbeispielembodiment

Das hier beschriebene telemetrische Sensormodul (11) besteht aus den Hauptelementen Dehnungsmessstreifen (1) und Telemetrieelektronik bzw. Telemetriechip (4) sowie einer Antenne oder Spule (8), die unabhängig vom eigentlichen Messobjekt/Bauteil (12) zu einem System (10) verbunden und mit einem nichtleitenden, elastischen Material (13) verkapselt bzw. vergossen sind (3, 4a und 4b).The telemetric sensor module described here ( 11 ) consists of the main elements strain gauges ( 1 ) and telemetry electronics or telemetry chip ( 4 ) and an antenna or coil ( 8th ), which are independent of the actual test object / component ( 12 ) to a system ( 10 ) and with a non-conductive, elastic material ( 13 ) are encapsulated or potted ( 3 . 4a and 4b ).

Der DMS sollte hierbei möglichst nahe der oder direkt an der Oberfläche des Moduls, die später am Bauteil angebracht wird, flächig angeordnet sein.Of the DMS should be as possible near or directly on the surface of the module, which later on the component is attached, flat be arranged.

Die Telemetrieelektronik (4), die alle für die Signalverarbeitung und -übertragung benötigten Komponenten enthält, kann über eine zusätzlich im Modul untergebrachte Batterie oder induktiv versorgt werden (3). Im zweiten Fall ist eine Induktionsspule notwendig, die im Fall der Verwendung eines Telemetriechips auch direkt als Mikrospule auf diesem Chip integriert sein kann.The telemetry electronics ( 4 ), which contains all the components required for the signal processing and transmission, can be supplied via an additionally accommodated in the module battery or inductively ( 3 ). In the second case, an induction coil is necessary, which in the case of using a Telemetry chips can also be integrated directly as a microcoil on this chip.

Als Verkapselungsmaterial können z.B. Kunststoffe (z.B. Epoxid) verwendet werden, mit denen der mit der Elektronik verbundene Dehnungsmessstreifen zu einem Modul (4a) vergossen wird Eine typische Anwendung können messende Implantate zur Bestimmung der mechanischen Implantatbelastung für die Behandlung von Knochenbrüchen sein. Mit einem solchen Implantat kann der Verlauf der Knochenbruchheilung ohne Anwendung von Röntgenstrahlen kontrolliert und optimiert werden [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Hier ist ein Kabel wegen des Infektrisikos an den Durchtrittstellen durch die Haut ungünstig und somit die Anwendung eines telemetrischen Verfahrens erforderlich. Die bisher erfolgende Herstellung eines derartigen Systems ist aufwändig. Es müssen zunächst Dehnungsmessstreifen auf die Platte geklebt werden und danach über empfindliche Kabel an eine elektronische Platine angeschlossen werden. Diese muss temporär an der Implantatplatte befestigt werden. Anschließend muss das ganze System biokompatibel verkapselt werden. Auf diese Weise hergestellte Implantate sind in der Literatur beschrieben. Aufgrund der hohen Herstellungskosten ist eine Routineanwendung ausgeblieben. Für eine Routineanwendung ist ein einfacher herzustellendes System erforderlich.For example, plastics (eg epoxy) can be used as the encapsulation material with which the strain gauges connected to the electronics can be converted into a module ( 4a A typical application may be measuring implants for determining the mechanical implant load for the treatment of bone fractures. With such an implant, the course of bone fracture healing can be controlled and optimized without the use of X-rays [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Here a cable is unfavorable because of the infectivity at the passages through the skin and thus the application of a telemetric method required. The previous production of such a system is expensive. First strain gauges must be glued to the plate and then connected via sensitive cables to an electronic board. This must be temporarily attached to the implant plate. Then the whole system has to be encapsulated biocompatible. Implants made in this way are described in the literature. Due to the high production costs, a routine application has failed. A routine application requires a simpler system to build.

Eine Lösung wird in diesem Patent beschrieben. Der Dehnungsmessstreifen (1) wird zunächst mit der Telemetrieelektronik (4) sowie einer Antenne (8) oder Spule (9) zu einem System (10) verbunden und anschließend wird dieses verbundene System (10) verkapselt, so dass ein die Dehnung messendes Modul entsteht (4a). Die Messstreifen befinden sich dabei an einer Randfläche des Moduls. Es entstehen leicht zu handhabende und auf sichere Funktion zu testende Module. Die Herstellung des endgültigen Implantats beschränkt sich dann lediglich auf den einen Schritt des Aufklebens dieses Moduls auf das Implantat in gleicher Weise wie die Applikation der Dehnungsmessstreifen im herkömmlichen Verfahren. Durch die Testmöglichkeit des Messsystems vor Applikation auf das in der Regel teure Implantat ist darüber hinaus eine erhebliche Reduzierung eines möglichen kostenintensiven Ausschusses gegeben.A solution is described in this patent. The strain gauge ( 1 ) is first with the telemetry electronics ( 4 ) and an antenna ( 8th ) or coil ( 9 ) to a system ( 10 ) and then this connected system ( 10 ) encapsulates to form a strain measuring module ( 4a ). The measuring strips are located on an edge surface of the module. The result is easy-to-use modules for safe operation. The preparation of the final implant is then limited to only one step of adhering this module to the implant in the same way as the application of the strain gauges in the conventional method. By the possibility of testing the measuring system before application to the usually expensive implant is also given a significant reduction of a possible costly Committee.

Weitere Anwendungen sind denkbar an aus verschieden Gründen schlecht zugänglichen Bauteilen, z.B. in Maschinen oder Fahrzeugen. Auch hier erfordert die Applikation von Dehnungsmessstreifen und das anschließende Anlöten der Kabel hohen Aufwand, welcher durch das vorgefertigte Modul verringert werden kann.Further Applications are conceivable for various reasons difficult to access Components, e.g. in machines or vehicles. Again required the application of strain gauges and the subsequent soldering of the Cable high effort, which is reduced by the prefabricated module can be.

Eine hochgradige Miniaturisierung des Systems ist technisch möglich und ebenfalls vorteilhaft. Durch Kombination der Dehnungsmessstreifen mit einer Subminiaturelektronik und Antenne auf einem Träger (14) ähnlich der bisherigen Dehnungsmessstreifen-Trägerfolie entsteht ein kabellos auszulesender Dehnungsmessstreifen (4b). Die Anwendung erfolgt durch Aufkleben des Streifens in herkömmlicher Weise. Statt der empfindlichen Kabelverbindungen wird in einem wesentlich einfacheren Schritt eine (Miniatur-)Telemetrieantenne (9) mit einem abführenden Kabel an günstiger Stelle in der Nähe dieses Dehnungsmessstreifen-Systems angebracht.A high degree of miniaturization of the system is technically possible and also advantageous. By combining the strain gages with a subminiature electronics and antenna on a support ( 14 ) similar to the previous strain gage carrier foil results in a wirelessly read strain gauges ( 4b ). The application is carried out by sticking the strip in a conventional manner. Instead of delicate cable connections, a (miniature) telemetry antenna (in a much simpler 9 ) with a laxative cable at a convenient location near this strain gauge system.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten beispiele verdeutlicht. Darin zeigen:The Invention will be with reference to the examples shown in the drawing clarified. Show:

1 Herkömmliche (drahtgebundene) DMS-Messkette 1 Conventional (wired) DMS measuring chain

2 Herkömmliche (drahtlose) DMS-Messkette 2 Conventional (wireless) DMS measuring chain

3 Kabelloses Dehnungsmessstreifensystem 3 Wireless strain gauge system

4a Kabelloses Dehnungsmessstreifensystem auf Prüfkörper 4a Wireless strain gauge system on test specimen

4b Kabellos auszulesender Dehnungsmessstreifen auf Prüfkörper 4b Wireless strain gauges to be read out on test specimen

Literaturliterature

  • 1. N. Weinrich, K. Seide, C. Jürgens, D. Wolter, M. Azeem, K. Dembowski, D. Rieck, J. Müller: Mikrocontroller basiertes Telemetriesystem zur Messung der Belastung von Fixateur interne Systemen in vivo. Beiträge der Informationstagung Mikroelektronik 2001 (ME'01), ÖVE Schriftenreihe Nr. 26, Wien (2001) 435–4411. N. Weinrich, K. Silk, C. Jürgens, D. Wolter, M. Azeem, K. Dembowski, D. Rieck, J. Müller: Microcontroller Based Telemetry system for measuring the load of internal fixator Systems in vivo. posts the Information Conference Microelectronics 2001 (ME'01), ÖVE Series No. 26, Vienna (2001) 435-441
  • 2. K. Seide, N. Weinrich, C. Jürgens, J. Müller: „Intelligent" External and Internal Fixator Systems for Fracture Treatment. 2nd European Medical and Biological Engineering Conference EMBEC'02. IFMBE Proceedings Vol. 3(2) (2002) 980–9812. K. Seide, N. Weinrich, C. Jürgens, J. Miiller: "Intelligent" External and Internal Fixator Systems for Fracture Treatment. 2nd European Medical and Biological Engineering Conference EMBEC'02. IFMBE Proceedings Vol. 3 (2) (2002) 980-981
  • 3. N. Weinrich, K. Seide, C. Jürgens, J. Müller: Transponder with Sensor-Interface for In Vivo Load Measurements an Internal Fixator Systems. Proc. Sensor '03, Vol. 2 (2003) 461–4653. N. Weinrich, K. Seide, C. Jürgens, J. Müller: Transponder with Sensor Interface for In Vivo Load Measurements to Internal Fixator Systems. Proc. Sensor '03, Vol. 2 (2003) 461-465
  • 4. N. Weinrich, K. Seide, C. Jürgens, J. Müller: Telemetric System for Load Measurements an Internal Fixator Systems. Beiträge zur 38. Jahrestagung der DGBMT (BMT 2004), Biomed. Technik 49(2) (2004) 448–4494. N. Weinrich, K. Seide, C. Jürgens, J. Müller: Telemetric System for Load Measurements to Internal Fixator Systems. Contributions to the 38th Annual Meeting of the DGBMT (BMT 2004), Biomed. Technique 49 (2) (2004) 448-449
  • 5. N. Weinrich, K. Seide, R. Wendlandt, U. Schümann, M. Faschingbauer, D. Wolter, C. Jürgens, J. Müller: A System for Wireless Monitoring of Loads Acting an Internal Fixators In Vivo. Biomed. Technik 50(1) (2005) 1535–15365. N. Weinrich, K. Seide, R. Wendlandt, U. Schümann, M. Fasching farmer, D. Wolter, C. Jürgens, J. Müller: A System for Wireless Monitoring of Loads Acting on Internal Fixators In vivo. Biomed. Technology 50 (1) (2005) 1535-1536
  • 6. M. Faschingbauer, K. Seide, N. Weinrich, D. Wolter, J. Müller, C. Jürgens: Elektronisch instrumentierte ("intelligente") Implanate für die Osteosynthese. Z Orthop Ihre Grenzg 143(5) (2005) 489–4916. M. Faschingbauer, K. Seide, N. Weinrich, D. Wol ter, J. Müller, C. Jürgens: Electronically instrumented ("intelligent") implants for osteosynthesis. Z Orthop your Grenzg 143 (5) (2005) 489-491

Claims (12)

Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich zu einem Dehnungsmessstreifen ausgeführt als Einzelstreifen oder als Messbrücke eine Signalaufbereitung sowie eine Telemetrieelektronik/-chip (Transponder) umfasst und dass dieses Gesamtsystem durch eine geeignet gewählte Aufbautechnik so ausgeführt ist, dass es sich wie ein DMS-Folienstreifen applizieren lässt, so dass die Messwerte und Steuerdaten sowie Energie zum Betrieb des Systems ohne galvanische Verbindung insbesondere auch von schwer zugänglichen Positionen über eine Funkverbindungen ausgetauscht werden können.Wireless strain gages measuring system characterized in that it is performed in addition to a strain gauge as a single strip or as a measuring bridge comprises a signal conditioning and telemetry electronics / chip (transponder) and that this overall system is carried out by a suitably chosen construction technique so that it is like a strain gauge foil strip can be applied so that the measured values and control data and energy to operate the system without electrical connection especially from hard to reach positions can be replaced via a radio link. Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass diese Aufbautechnik so ausgeführt wird, dass der Messwandler für eine optimale Signalwandlung eine Außenfläche vorzugsweise einer Polymerverkapselung des Systems bildet.Wireless strain gauge measuring system according to claim 1, characterized in that this construction technique is carried out that the transducer for optimal signal conversion an outer surface, preferably a polymer encapsulation of the system. Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitung Vorverstärkung und Digitalisierung des DMS-Signals durchführt.Wireless strain gauge measuring system according to claim 1 characterized in that the signal conditioning preamplification and Digitizing the DMS signal performs. Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitung durch einen Mikroprozessor oder -controller erfolgt.Wireless strain gauge measuring system according to claim 1 and 3, characterized in that the signal processing by a microprocessor or controller takes place. Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder sowohl zur Signalübertragung wie zur Energieversorgung dient.Wireless strain gauge measuring system according to claim 1 and 3, characterized in that the transponder both to Signal transmission as serves for energy supply. Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 und 3 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das System für eine sichere Energieversorgung zusätzlich einen Energiespeicher enthält.Wireless strain gauge measuring system according to claim 1 and 3 to 5, characterized in that the system for a secure Additional energy supply contains an energy store. Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 und 3 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass dieser Energiespeicher ein Kondensator oder ein Akkumulator ist.Wireless strain gauge measuring system according to claim 1 and 3 to 6, characterized in that this energy storage a capacitor or an accumulator. Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz in metallisch abgeschirmten Umgebungen eine gegenüber dem System nicht abgeschirmte Antenne für Daten- und Energieübertragung in seine Nähe gebracht wird.Wireless strain gauge measuring system according to claim 1 and 3, characterized in that when used in metallic shielded Environments one opposite the system unshielded antenna for data and energy transmission in his proximity is brought. Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Verkapselung biokompatibel ist und somit auch auf Implantaten eingesetzt werden kann.Wireless strain gauge measuring system according to claim 1 and 2 characterized in that the encapsulation biocompatible and thus can also be used on implants. Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1, 2 und 9 dadurch gekennzeichnet, dass es auf handelsüblichen Implantate zur Knochenbruchbehandlung eingesetzt werden kann.Wireless strain gauge measuring system according to claim 1, 2 and 9, characterized in that it is commercially available Implants for bone fracture treatment can be used. Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Verkapselung chemisch und thermisch stabil ist und somit insbesondere in komplexen Produktionssystemen und Prozessen insbesondere des Maschinenbaus und der Verfahrenstechnik eingesetzt werden kann.Wireless strain gauge measuring system according to claim 1 and 2, characterized in that the encapsulation chemically and is thermally stable and thus especially in complex production systems and processes, in particular mechanical engineering and process engineering can be used. Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass es aufgrund seiner vollständigen Funktionalität vor der Applikation hinsichtlich Funktion geprüft werden kann.Wireless strain gauge measuring system according to claim 1 and 2 characterized in that it due to its full functionality before the Application can be tested for function.
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