BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft einen Lastsensor mit auf einem Träger mit Biegezonen angeordnetem Dehnungsmessstreifen-Wandler, der eine temperaturkompensierte Widerstands-Messbrücke aufweist.
Es ist bekannt, die Temperaturabhängigkeit eines Lastsensors dieser Art durch die Anordnung von elektromechanisch passiven Widerständen mit bestimmten Temperaturkoeffi zienten im Dehnungsmessstreifen (DMS)-Wandler zu kompensieren (DE 3 042 506 C2, EP 0 129 166 A2). Diese passiven Widerstände, welche in einzelne Stromzweige der Brückenschaltung und/oder in die Zu- oder Ableitungen derselben eingeschaltet sein können, befinden sich im mechanisch nicht beanspruchten Teil des Lastsensors und dienen zum individuellen Abgleich des Temperaturkoeffizienten von Nullpunkt und Empfindlichkeit der Widerstands-Messbrücke. Damit lässt sich der Einfluss langsamer Temperatur- ränderungen, denen der DMS-Wandler als Ganzes ausgesetzt ist, wirksam herabsetzen.
Nullpunktfehler, die auf eine inhomogene Temperaturverteilung innerhalb des DMS-Wandlers zurückzuführen sind, lassen sich jedoch mit den genannten Massnahmen nicht kompensieren.
Lastsensoren bekannter Bauart haben einen balkenförmigen, biegeelastischen Träger, der am einen Ende fest eingespannt ist und am anderen Ende einen Lastaufnehmer, z. B.
in Form eines Tasters, aufweist. Dazwischen befinden sich wenigstens zwei Biegezonen, die in Längsrichtung des Trägers hintereinander angeordnet und durch Querschnittsverengungen gebildet sind. Infolge dieser Gestaltung wird der Träger bei Belastung wellenförmig verformt, wobei an der Aussenseite der einen Biegezone eine Materialdehnung und an der Aussenseite der anderen Biegezone eine Materialstauchung auftritt. In jeder dieser Biegezonen sind zwei DMS Wandlerelemente angebracht, die in Form elektromechanisch aktiver Widerstände zu einer Widerstands-Messbrücke geschaltet sind. Dabei befinden sich die einer Biegezone zugeordneten aktiven Widerstände jeweils in einander gegenüberliegenden Stromzweigen der Brückenschaltung.
Die Ausgangsspannung der Widerstands-Messbrücke stellt somit ein Mass für die auf den Lastsensor ausgeübte Kraft dar.
Beim Einsatz eines derartigen Lastsensors an Messstellen mit hoher Temperatur, z. B. bei der Druckmessung an Ver- brennungsmotoren oder bei der Abtastung umlaufender Maschinenteile, wobei an der Tasterspitze Reibungswärme erzeugt wird, entsteht ein Wärmefluss zum Lastsensor, der insbesondere in der Anfangsphase des Sensoreinsatzes zu einer ungleichmässigen Erwärmung des Trägers und damit der DMS-Wandlerelemente in den verschiedenen Biegezonen führt. Die Temperaturdifferenz zwischen den gedehnten und den gestauchten Wandlerelementen kann dabei erfahrungsgemäss vorübergehend so gross werden, dass der Lastsensor ein Signal in der Grössenordnung des maxi- malen Messignals abgibt, also eine Last anzeigt, die vom tat- sächlichen Wert stark abweicht.
Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines Lastsensors der eingangs genannten Art, mit einer verbesserten Temperaturkompensation, welche insbesondere auch den die Lastanzeige verfälschenden Einfluss rascher Temperaturänderungen, die zu einer inhomogenen Temperaturverteilung innerhalb des DMS-Wandlers führen, wirksam unterdrückt.
Die erfindungsgemässe Lösung, welche diesen Zweck erfüllt, besteht darin, dass den elektromechanisch aktiven Widerständen in den vier Stromzweigen der Messbrücke je ein elektromechanisch passiver Widerstand in Reihe geschaltet ist, wobei die aktiven und passiven Widerstände aus dem gleichen Material bestehen und den gleichen Widerstandswert haben und wobei die aktiven Widerstände mit jeweils einem passiven Widerstand eines benachbarten Stromzweiges paarweise thermisch gekoppelt sind.
Bei zuvor abgeglichener Widerstands-Messbrücke erzeugt jede Änderung der Temperatur eines aktiven Widerstandes infolge seines im allgemeinen nicht vernachlässigbaren Temperaturkoeffizienten ein entsprechendes, von diesem Widerstand ausgehendes Temperatursignal, das das Brückengleichgewicht stören würde. Der mit diesem aktiven Widerstand thermisch gekoppelte, der Temperaturänderung also in gleichem Masse ausgesetzte passive Widerstand erzeugt nun aber ein gleich grosses Temperatursignal in einem benachbarten Stromzweig der Brückenschaltung, so dass das Brükkengleichgewicht wieder hergestellt ist. Das gleiche gilt für alle in der genannten Weise vorgenommenen Widerstands Paarungen, so dass jegliche Temperaturdifferenzen inner- halb des DMS-Wandlers in ihren Auswirkungen auf dessen Ausgangssignal kompensiert werden. Langfristdriften der Widerstandswerte werden ebenfalls kompensiert.
Bei der praktischen Ausführung eines in Dünnfilmtechnik aufgebauten DMS-Wandlers können die passiven Widerstände in'an sich bekannter Weise durch quer zur Biegerichtung verlaufende Widerstandsbahnen gebildet sein (DE 3 330 879 A1). Vorzugsweise sind nun diese passiven Widerstände in den Biegezonen des Trägers unmittelbar neben den die aktiven Widerstände bildenden, in Biegerichtung verlaufenden Widerstandsbahnen angeordnet. Auf diese Weise befinden sich die passiven Widerstände im mechanisch beanspruchten Teil des Lastsensors in engem thermischen Kontakt mit den ihnen zugeordneten aktiven Widerständen.
Bei einem in dieser Weise aufgebauten Lastsensor haben von den verschiedenen Schaltungsmöglichkeiten im Hinblick auf eine einfache Herstellung vor allem jene Lösungen praktische Bedeutung, bei denen die aktiven und passiven Widerstände jeweils innerhalb einer Halbbrücke miteinander thermisch gekoppelt sind, wobei unter einer Halbbrücke jeweils die mit einem Speiseknoten verbundenen beiden Stromzweige oder die mit einem Signal-Ausgangsknoten verbundenen beiden Stromzweige der Brückenschaltung verstanden werden können. Gemischte thermische Kopplungen innerhalb jeder Halbbrücke einerseits und zwischen den beiden Halbbrücken andererseits führen zu einem komplizierteren Aufbau des Schaltungsmusters.
Im weiteren ist es von Vorteil, wenn die beiden durch die Widerstands- und Leiterbahnen der einzelnen Halbbrücken gebildeten Schaltungsmuster bezüglich der in die Wirkungsebene der Last fallenden Längsachse des DMS-Wandlers symmetrisch sind. Dadurch wird erreicht, dass jeglicher Driftef- fekt stets beide Halbbrücken gleichermassen beeinflusst, so dass daraus keine Nullpunktdrift resultieren kann. Fertigungstoleranzen, welche gleiche Wertabweichungen an schaltungsmässig symmetrisch angeordneten Widerständen verursachen, werden durch den symmetrischen Aufbau des Schaltungsmusters ebenfalls kompensiert. Für den Null- punktfehler verbleibt nur der Restfehler von statistischen Wertabweichungen der Einzelwiderstände.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht des Lastsensors in belastetem Zustand,
Fig. 2 das Schaltungsmuster eines in Dünnfilmtechnik auf gebauten DMS-Wandlers für den Lastsensor nach Fig. 1, und
Fig. 3 das Schaltungsschema des DMS-Wandlers nach Fig. 2.
Der Lastsensor nach Fig. 1 besteht aus einem balkenförmigen, biegeelastischen Träger 1, an dessen Oberseite ein in Dünnfilmtechnik aufgebauter DMS-Wandler 2 angebracht ist. Im Einsatz des Lastsensors ist das eine Ende 3 des Trägers 1 fest eingespannt. An dieser Stelle befindet sich beispielsweise eine Durchgangsbohrung 4, die eine Schraube zur Befestigung des Trägers 1 auf einer ortsfesten Unterlage aufnehmen kann. Am anderen, freien Ende 5 des Trägers 1 greift die zu messende Kraft F an, beispielsweise über einen Lastaufnehmer, der in die Sackbohrung 6 einsetzbar ist. In der Mitte hat der Träger 1 eine Ausnehmung 7, durch die zwei im Querschnitt verengte Biegelenker 8 und 9 gebildet sind.
Unter der Last F wird der Träger 1 in der in Fig. 1 übertrieben dargestellten Weise wellenartig verformt, wobei die Verformung in den in Längsrichtung des Trägers 1 jeweils hintereinander angeordneten Biegezonen 10 und 11 bzw. 12 und 13 besonders ausgeprägt ist und beispielsweise an der Aussenseite der Biegezone 10 eine Materialstauchung und an der Aussenseite der Biegezone 11 eine Materialdehnung auftritt. In diesen Biegezonen 10 und 11 sind vier DMS-Wandlerelemente in Form von Widerstandsbahnen paarweise nebeneinander angeordnet, wie aus Fig. 2 hervorgeht. Der DMS-Wandler 2 ist in an sich bekannter Weise aus mehreren übereinander liegenden Dünnfilm-Schichten aufgebaut, wobei mit 14 eine Isolationsschicht, mit 15 eine die Widerstandsbahnen bildende Metallschicht, mit 16 eine die Leiterbahnen bildende Metallschicht und mit 17 eine Schutzschicht bezeichnet ist.
Gemäss Fig. 2 sind in der Biegezone 10 die elektromechanisch aktiven Widerstände RAI und RA2 und in der Biegezone 11 die elektromechanisch aktiven Widerständen RA3 und RA4 des DMS-Wandlers 2 angeordnet, die durch in Biegerichtung verlaufende Widerstandsbahnen gebildet sind.
Unmittelbar neben jedem dieser aktiven Widerstände RA1 bis RA4 ist in der betreffenden Biegezone ein elektromechanisch passiver Widerstand RP1, RP2, RP3 bzw. RP4 angebracht, so dass die paarweise angeordneten Widerstände thermisch möglichst eng miteinander gekoppelt sind, also praktisch denselben Temperaturgang haben. Die passiven Widerstände sind durch quer zur Biegerichtung verlaufende Widerstandsbahnen gebildet. Alle diese aktiven und passiven Widerstände RA1 bis RA4 und RP1 bis RP4 bestehen aus dem gleichen Material und weisen demnach den gleichen Temperaturkoeffizienten auf. Sie haben zudem alle den gleichen Widerstandswert. Leiterbahnen 18 verbinden die genannten Widerstände untereinander und mit den Anschlusskontakten A2 bis A5.
In den Biegezonen 10 und 11 sind im vorliegenden Beispiel noch weitere elektromechanisch passive Widerstände RT1 bis RT4 angeordnet, die aus einem Material mit hohem Temperaturkoeffizienten bestehen und dazu dienen, den Einfluss der Temperatur auf den Elastizitätsmodul des Materials der Biegelenker 8 und 9 zu kompensieren. Die Widerstände RT1 bis RT4 sind durch Leiterbahnen 19 unter sich, mit den DMS-Wandlerelementen und mit den Anschlusskontakten Al und A6 ver- bunden.
Wie aus dem Schaltungsschema nach Fig. 3 hervorgeht, bilden die elektromechanisch aktiven Widerstände RA1 bis RA4 eine Widerstands-Messbrücke, deren Speisung z. B.
über die Anschlusskontakte Al und A6 erfolgt. Sie besteht aus zwei galvanisch getrennt aufgebauten Halbbrücken, von denen die eine die Stromzweige zwischen den Anschlusskontakten Al bis A3 und die andere die Stromzweige zwischen den Anschlusskontakten A4 bis A6 umfasst. Die galvanische Verbindung zwischen den Anschlusskontakten A2 und A4 einerseits und zwischen den Anschlusskontakten A3 und A5 andererseits zur Vervollständigung der Messbrücke an den Signal-Ausgangsknoten ist aus Symmetriegründen ausserhalb des DMS-Wandlers 2 vorgesehen. In Übereinstimmung mit dem Schaltungsmuster nach Fig. 2 ist den aktiven Widerständen RA1, RA2, RA3 und RA4 je ein passiver Widerstand RP3, RP4, RP1 bzw. RP2in Reihe geschaltet, so dass die aktiven Widerstände mit jeweils einem passiven Widerstand eines benachbarten Stromzweiges paarweise thermisch gekoppelt sind.
Dadurch wird der Einfluss von Unterschieden in der Temperatur der aktiven Widerstände auf das Ausgangssignal kompensiert. Die thermische Kopplung ist in Fig. 3 durch die auf die Biegezonen 10 und 11 bezugnehmenden strichpunktierten Verbindungslinien T10 und T11 angedeutet. Es ist daraus ersichtlich, dass die aktiven und passiven Widerstände jeweils innerhalb einer Halbbrücke mit- einander thermisch gekoppelt sind.
Die Widerstände RT1 bis RT4 befinden sich in den Speise- zuleitungen der Brückenschaltung und haben in bezug auf die Kompensation von Temperaturdifferenzen innerhalb der Widerstands-Messbrücke keine Wirkung.
Die Fig. 2 zeigt im weiteren, dass aufgrund der vorgesehenen Schaltungsanordnung gemäss Fig. 3 und der gewählten thermischen Zuordnung der aktiven und passiven Widerstände RA1 bis RA4 und RP1 bis RP4 ein praktisch vollständig symmetrischer Aufbau des Schaltungsmusters bezüglich der in die Wirkungsebene der Last F fallenden Längsachse 20 des DMS-Wandlers erreicht werden kann.
DESCRIPTION
The invention relates to a load sensor with a strain gauge transducer arranged on a carrier with bending zones and having a temperature-compensated resistance measuring bridge.
It is known to compensate for the temperature dependency of a load sensor of this type by arranging electromechanically passive resistors with certain temperature coefficients in the strain gauge transducer (DE 3 042 506 C2, EP 0 129 166 A2). These passive resistors, which can be connected in individual current branches of the bridge circuit and / or in the supply or discharge lines of the same, are located in the part of the load sensor that is not mechanically stressed and are used to individually adjust the temperature coefficient of zero point and sensitivity of the resistance measuring bridge. This can effectively reduce the influence of slow temperature changes to which the strain gauge transducer as a whole is exposed.
Zero-point errors, which can be traced back to an inhomogeneous temperature distribution within the strain gauge converter, cannot be compensated with the measures mentioned.
Known type load sensors have a beam-shaped, resilient support which is firmly clamped at one end and a load receiver, e.g. B.
in the form of a button. In between there are at least two bending zones, which are arranged one behind the other in the longitudinal direction of the carrier and are formed by cross-sectional constrictions. As a result of this design, the beam is deformed in a wave shape under load, material stretching occurring on the outside of one bending zone and material compression occurring on the outside of the other bending zone. In each of these bending zones, two strain gauge transducer elements are attached, which are connected to form a resistance measuring bridge in the form of electromechanically active resistors. The active resistances assigned to a bending zone are each located in mutually opposite current branches of the bridge circuit.
The output voltage of the resistance measuring bridge thus represents a measure of the force exerted on the load sensor.
When using such a load sensor at measuring points with high temperature, e.g. B. during pressure measurement on internal combustion engines or when scanning rotating machine parts, whereby frictional heat is generated at the tip of the probe, a heat flow to the load sensor arises, which in particular in the initial phase of sensor use leads to uneven heating of the carrier and thus of the strain gauge transducer elements leads to the different bending zones. Experience has shown that the temperature difference between the stretched and the compressed transducer elements can temporarily become so large that the load sensor emits a signal in the order of magnitude of the maximum measurement signal, that is to say indicates a load that deviates greatly from the actual value.
The invention aims to create a load sensor of the type mentioned at the outset, with improved temperature compensation, which in particular also effectively suppresses the influence of rapid temperature changes which falsify the load display and lead to an inhomogeneous temperature distribution within the strain gauge converter.
The solution according to the invention, which fulfills this purpose, consists in that the electromechanically active resistors in the four current branches of the measuring bridge each have an electromechanically passive resistor connected in series, the active and passive resistors being made of the same material and having the same resistance value and wherein the active resistors are thermally coupled in pairs with a passive resistor of an adjacent current branch.
In the case of a previously calibrated resistance measuring bridge, any change in the temperature of an active resistor, owing to its generally non-negligible temperature coefficient, generates a corresponding temperature signal which emanates from this resistance and which would disturb the bridge balance. The passive resistor thermally coupled to this active resistor, which is therefore exposed to the same temperature change, now generates a temperature signal of the same size in an adjacent current branch of the bridge circuit, so that the bridge balance is restored. The same applies to all resistance pairings carried out in the manner mentioned, so that any temperature differences within the strain gauge transducer are compensated for in their effects on its output signal. Long-term drifts in resistance values are also compensated for.
In the practical implementation of a strain gauge transducer constructed using thin-film technology, the passive resistors can be formed in a manner known per se by resistance tracks running transversely to the bending direction (DE 3 330 879 A1). These passive resistors are preferably arranged in the bending zones of the carrier immediately next to the resistance tracks forming the active resistors and running in the bending direction. In this way, the passive resistors in the mechanically stressed part of the load sensor are in close thermal contact with the active resistors assigned to them.
In the case of a load sensor constructed in this way, of the various circuit options with a view to simple manufacture, above all those solutions in which the active and passive resistors are thermally coupled to one another within a half-bridge, the one with a feed node in each case under a half-bridge connected two current branches or the two current branches of the bridge circuit connected to a signal output node can be understood. Mixed thermal couplings within each half-bridge on the one hand and between the two half-bridges on the other hand lead to a more complicated structure of the circuit pattern.
Furthermore, it is advantageous if the two circuit patterns formed by the resistance and conductor tracks of the individual half bridges are symmetrical with respect to the longitudinal axis of the strain gauge converter falling into the effective plane of the load. This ensures that any drift effect always affects both half bridges equally, so that no zero point drift can result. Manufacturing tolerances, which cause the same value deviations on resistors arranged symmetrically in terms of circuitry, are also compensated for by the symmetrical structure of the circuit pattern. For the zero point error, only the residual error of statistical value deviations of the individual resistors remains.
An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing, namely:
1 is a side view of the load sensor in a loaded state,
FIG. 2 shows the circuit pattern of a strain gauge transducer for thin-film technology for the load sensor according to FIG. 1, and
3 shows the circuit diagram of the strain gauge converter according to FIG. 2.
1 consists of a bar-shaped, flexurally elastic support 1, on the upper side of which a thin-film transducer 2 is attached. When using the load sensor, one end 3 of the carrier 1 is firmly clamped. At this point there is, for example, a through hole 4 which can receive a screw for fastening the carrier 1 on a stationary base. The force F to be measured acts on the other, free end 5 of the carrier 1, for example via a load receiver which can be inserted into the blind bore 6. In the middle, the carrier 1 has a recess 7, through which two flexible links 8 and 9 with a narrow cross section are formed.
Under the load F, the carrier 1 is deformed in a wave-like manner in the manner exaggerated in FIG. 1, the deformation being particularly pronounced in the bending zones 10 and 11 or 12 and 13 arranged one behind the other in the longitudinal direction of the carrier 1 and for example on the outside a bending of the material occurs in the bending zone 10 and material expansion occurs on the outside of the bending zone 11. In these bending zones 10 and 11, four strain gauge transducer elements in the form of resistance tracks are arranged in pairs next to one another, as can be seen from FIG. 2. The strain gauge transducer 2 is constructed in a manner known per se from a plurality of thin-film layers lying one above the other, 14 denoting an insulation layer, 15 a metal layer forming the resistance tracks, 16 a metal layer forming the conductor tracks and 17 a protective layer.
2, the electromechanically active resistors RAI and RA2 are arranged in the bending zone 10 and the electromechanically active resistors RA3 and RA4 of the strain gauge transducer 2 are arranged in the bending zone 11, which are formed by resistance tracks running in the bending direction.
Immediately next to each of these active resistors RA1 to RA4, an electromechanically passive resistor RP1, RP2, RP3 or RP4 is attached in the bending zone in question, so that the resistors arranged in pairs are thermally coupled as closely as possible to one another, i.e. they have practically the same temperature response. The passive resistors are formed by resistance tracks running transversely to the bending direction. All of these active and passive resistors RA1 to RA4 and RP1 to RP4 consist of the same material and accordingly have the same temperature coefficient. They also all have the same resistance value. Conductor tracks 18 connect the resistors mentioned to one another and to the connection contacts A2 to A5.
In the present example, further electromechanically passive resistors RT1 to RT4 are arranged in the bending zones 10 and 11, which resistors are made of a material with a high temperature coefficient and serve to compensate for the influence of temperature on the elastic modulus of the material of the flexural link 8 and 9. The resistors RT1 to RT4 are connected to one another by conductor tracks 19, to the strain gauge transducer elements and to the connection contacts A1 and A6.
As can be seen from the circuit diagram according to FIG. 3, the electromechanically active resistors RA1 to RA4 form a resistance measuring bridge. B.
via the contacts Al and A6. It consists of two electrically isolated half bridges, one of which comprises the current branches between the connection contacts A1 to A3 and the other the current branches between the connection contacts A4 to A6. The galvanic connection between the connection contacts A2 and A4 on the one hand and between the connection contacts A3 and A5 on the other hand to complete the measuring bridge at the signal output node is provided outside the DMS converter 2 for reasons of symmetry. In accordance with the circuit pattern according to FIG. 2, the active resistors RA1, RA2, RA3 and RA4 are each connected in series with a passive resistor RP3, RP4, RP1 and RP2, so that the active resistors are thermally paired with a passive resistor of an adjacent current branch are coupled.
This compensates for the influence of differences in the temperature of the active resistors on the output signal. The thermal coupling is indicated in FIG. 3 by the dash-dotted connecting lines T10 and T11 referring to the bending zones 10 and 11. It can be seen from this that the active and passive resistors are thermally coupled to one another within a half-bridge.
The resistors RT1 to RT4 are located in the supply lines of the bridge circuit and have no effect on the compensation of temperature differences within the resistance measuring bridge.
FIG. 2 further shows that, owing to the circuit arrangement according to FIG. 3 and the selected thermal assignment of the active and passive resistors RA1 to RA4 and RP1 to RP4, the circuit pattern has a practically completely symmetrical structure with respect to those falling into the effective level of the load F. Longitudinal axis 20 of the strain gauge transducer can be reached.