DE102006004285A1 - Sensor arrangement for detection of mechanical forces and pressure for example for load detection and measurment in motor vehicles, has expansion-measuring strip and measuring cell is welded with bending beam in recess of bending beam - Google Patents

Sensor arrangement for detection of mechanical forces and pressure for example for load detection and measurment in motor vehicles, has expansion-measuring strip and measuring cell is welded with bending beam in recess of bending beam Download PDF

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Abstract

The sensor arrangement has expansion-measuring strip fitted on a mesuring element for forming a measuring cell (3). The measuring cell is fixed in bending beam (1) as support. The measuring cell is welded with the bending beam in a recess of the bending beam. The measuring cell is welded on both sides of the bending beam by laser welding seams. The expansion-measuring strip of the measuring cell consists of resistance elements of polysilicon.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit Dehnungsmessstreifen, insbesondere für an einem Druckzuführungsteil liegende Sensorelemente, mit denen mechanische Kenngrößen eines Fahrzeugs, wie zum Beispiel die Beladung oder sonstige Gewichts- oder Beschleunigungsgrößen erfassbar sind, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The Invention relates to a sensor arrangement with strain gauges, especially for at a pressure supply part lying sensor elements with which mechanical characteristics of a Vehicle, such as the load or other weight or acceleration variables are detectable, according to the preamble of the main claim.

Aus der DE 698 20 937 T2 ist eine Sensoranordnung mit Dehnungsmessstreifen als sogenannte Kraftmesszelle bekannt, bei der die Dehnungsmessstreifen in vergleichbarer Weise aus einem einen elektrischen Widerstand aufweisenden Draht bestehen, der auf einem Grundelement mäanderförmig angeordnet und dann die Dehnungsmessstreifen zu einer Wheatstoneschen-Messbrücke verschaltet sind. Die Dehnungsmessstreifen sind hier auf einem Biegekörper aufgeklebt, der sich bei einer mechanischen Belastung weitet oder zusammenzieht und sich somit auf der Oberfläche der Widerstandswert der Dehnungsmessstreifen verändert.From the DE 698 20 937 T2 a sensor arrangement with strain gauges known as a load cell, in which the strain gauges consist in a comparable manner of a wire having an electrical resistance, which are arranged meandering on a base element and then the strain gauges are connected to a Wheatstone measuring bridge. The strain gauges are here glued to a bending body which expands or contracts under mechanical stress and thus changes on the surface of the resistance value of the strain gauges.

Bei dieser Kraftmesszelle mit dem oben genannten Aufbau ist es im Allgemeinen sehr schwierig einen als Kriechen bekannten Effekt zu vermeiden, der aus dem obigen Aufbau resultiert. Das Kriechen ist hierbei ein Effekt, bei dem in einem Zustand, in dem eine konstante Belastung auf den Biegekörper aufgebracht wird, der gemessene Wert des Ausgangssignals der Dehnungsmessstreifen über eine bestimmte Zeitdauer schwankt.at This load cell of the above construction is generally very difficult to avoid a known as creep effect, the resulting from the above construction. Crawling is an effect in a state in which a constant load on the Bending body applied is the measured value of the output signal of the strain gauges over a certain Duration fluctuates.

Der Kriecheffekt hängt im wesentlichen mit der Elastizität und der Gestaltung des Biegekörpers und vor allem mit den Eigenschaften des Klebstoffs zusammen, mit dem die Dehnungsmessstreifen nach dem Stand der Technik an dem Biegekörper angebracht sind.Of the Creep hangs essentially with the elasticity and the design of the bending body and especially with the properties of the adhesive together, with the the strain gauges of the prior art attached to the bending body are.

Es sind verschiedene Methoden bekannt um diesen Kriecheffekt durch entsprechende Gestaltungen der Lage und Abmessungen des Widerstandsdrahtes der Dehnungsmessstreifen oder des Grundelements für die Dehnungsmessstreifen zu verringern, wobei die aus dem Stand bekannte Verwendung einer ganz speziellen chemischen Zusammensetzung des Grundelements eine relativ eng einzuhaltende Einmischung von Füllstoffen erfordert um das gewünschte Indexverhältnis zur Kompensation von Kriecheffekten zu gewährleisten.It Various methods are known for this creep effect corresponding configurations of the position and dimensions of the resistance wire the strain gauge or strain gauge primitive reduce the known from the use of a very special chemical composition of the basic element one relatively tight mixing of fillers requires this desired index ratio to compensate for creep effects.

Für sich gesehen ist andererseits beispielsweise aus der DE 197 11 366 A1 ein Drucksensor bekannt, der in Bremssystemen in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann. Als Druckwandler enthält diese Sensoranordnung eine handelsübliche Messzelle, welche mittels eines Flansches montiert wird. Auf der Membrane dieser Messzelle ist hier z.B. eine Widerstandsbrückenschaltung aus Polysilizium aufgebracht.On the other hand, on the other hand, for example, from the DE 197 11 366 A1 a pressure sensor is known, which can be used in brake systems in motor vehicles. As a pressure transducer, this sensor assembly includes a commercially available measuring cell, which is mounted by means of a flange. On the membrane of this measuring cell here, for example, a resistance bridge circuit of polysilicon is applied.

Diese bekannte Messanordnung ist vor allem für die Messung von Drücken in hydraulischen Systemen so ausge bildet, dass hier die Vermeidung von Luftpolstern im Messbereich im Vordergrund steht. Das hydraulische Medium wird zur Messung des Drucks über ein Messrohr an die Messzelle herangeführt, so dass hier eine große Zahl von Einzelteilen erforderlich sind, die separat befestigt und miteinander verbunden werden müssen. Die hydraulische Leitungsführung ist dabei insbesondere hinsichtlich der Bildung von Luftpolstern an den Verbindungsstellen anfällig, die zu Fehlmessungen und im Extremfall zu Fehlfunktionen des angesteuerten Aggregats, zum Beispiel ein Bremsaggregat, führen können. Zur Vermeidung der Bildung von Luftpolstern wird hier eine Laserverschweißung vorgeschlagen, mit der durch eine entsprechende Gestaltung der Schweißnaht die Bildung von nicht durchströmten Hohlkammern, die zur Bildung von Luftpolstern dienen können, weitgehend vermieden wird.These Known measuring arrangement is mainly for the measurement of pressures in hydraulic systems so out forms that here the avoidance of Air cushions in the measuring area is in the foreground. The hydraulic Medium is used to measure the pressure via a measuring tube to the measuring cell introduced, so here's a big one Number of items required separately and attached separately need to be connected to each other. The hydraulic cable routing is in particular with regard to the formation of air cushions vulnerable at the joints, the faulty measurements and in extreme cases to malfunction of the controlled Aggregates, for example, a brake unit, can lead. To avoid the formation of air cushions here a laser welding is proposed, with the a corresponding design of the weld the formation of not perfused Hollow chambers, which can serve to form air cushions, largely is avoided.

Offenbarung der Erfindung epiphany the invention

Bei der eingangs erwähnten Sensoranordnung mit einer Messzelle, die auf einem Träger für die Zuführung der Messgröße fest angebracht ist, wird die Messzelle in einem Biegebalken als Träger angebracht und die Dehnung oder Stauchung des Biegebalkens führt zur Bildung des Ausgangssignals der Sensoranordnung. Diese Sensoranordnung ist erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass im Bereich der Befestigungsstelle der Messzelle diese in einer Ausnehmung des Trägers verschweißt ist. Insbesondere kann die Messzelle hierbei ein- oder beidseitig des Biegebalkens angeschweißt werden, vorzugsweise auch mittels eines Laserschweißprozesses.at the aforementioned Sensor arrangement with a measuring cell mounted on a support for the supply of Measured fixed is attached, the measuring cell is mounted in a bending beam as a carrier and the stretching or compression of the bending beam leads to Formation of the output signal of the sensor arrangement. This sensor arrangement is in accordance with the invention in an advantageous Way further developed in that in the region of the attachment point the measuring cell is welded in a recess of the carrier. In particular, the measuring cell can in this case one or both sides of the Bending beam welded be, preferably also by means of a laser welding process.

Dadurch, dass die Dehnungsmessstreifen, bzw. die Messzelle erfindungsgemäß durch Schweißen mit dem Biegebalken verbunden sind, entfällt der in der Beschreibungseinleitung erwähnte Kriecheffekt, welcher bei den bisher bei Dehnungsaufnehmern verwendeten Klebeprozessen für die Messzelle auftritt.Thereby, that the strain gauges, or the measuring cell according to the invention by welding associated with the bending bar, omitted in the introduction mentioned Creep effect, which used in the previously used with strain transducers Adhesive processes for the measuring cell occurs.

Es können hier dadurch übliche, auch für andere Verwendungszwecke geschaffene handelsübliche Messzellen verwendet werden, die mit einem prozesssicheren Schweißverfahren, bei dem keine hohe Dichtigkeit der Schweißnähte erforderlich ist, einfach befestigt werden können.It can hereby usual, also for used other purposes commercially available measuring cells with a process-safe welding process that does not require high Tightness of the welds required is, can be easily attached.

Die Dehnungsmessstreifen können beispielsweise in Metall-Dünnschichttechnik auf eine Glasschicht der Messzelle aufgebracht werden oder es können die Dehnungsmessstreifen der Messzelle auch aus Widerstandselementen aus Polysilizium bestehen.The strain gauges, for example, in metal thin-film technology on a Glass layer of the measuring cell are applied or the strain gauges of the measuring cell can also consist of resistive elements made of polysilicon.

Im Bereich der Anbringung der Messzelle, zum Beispiel in einer mittigen Bohrung, kann auch zur Erhöhung des Messeffekts ein- oder beidseitig eine Einschnürung am Biegebalken angeordnet sein, wodurch sich der Biegebalken dann im eingeschnürten bzw. verjüngten Bereich besonders stark durchbiegt.in the Area of attachment of the measuring cell, for example in a central Drilling, can also increase the measuring effect on one or both sides a constriction on Be arranged bending beam, whereby the bending beam then in the constricted or rejuvenated Area bends particularly strong.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann über die Messzelle eine Leiterplatte mit einer Auswerteelektronik angebracht und mit dieser elektrisch verbunden werden. Über die Messzelle und/oder die Auswerteelektronik kann dann noch auf einfache herkömmliche Weise ein Steckergehäuse mit Anschlusspins übergestülpt werden.In Advantageous development of the invention can via the measuring cell a circuit board mounted with an evaluation and electrically with this get connected. about the measuring cell and / or the evaluation can then still on simple conventional Assemble a connector housing Slip over pins.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:One embodiment the sensor arrangement according to the invention will be explained with reference to the drawing. Show it:

1 eine Draufsicht auf einen Biegebalken als Träger für eine Messzelle, die Bestandteil einer Sensoranordnung mit Dehnungsmessstreifen ist, 1 a top view of a bending beam as a support for a measuring cell, which is part of a sensor arrangement with strain gauges,

2 einen Schnitt durch den Bereich des Trägers nach der 1, der die Messzelle trägt, mit der Verschweißung der Messzelle im Biegebalken, 2 a section through the area of the carrier after the 1 carrying the measuring cell, with the welding of the measuring cell in the bending beam,

3 eine Draufsicht auf den Biegebalken nach der 1 mit einer an die Messzelle angefügten Auswerteelektronik und 3 a plan view of the bending beam after the 1 with an evaluation electronics attached to the measuring cell and

4 die komplette montierte Anordnung des Biegebalkens mit den zuvor beschriebenen Bauelementen und einem Steckergehäuse sowie mit Befestigungselementen. 4 the complete assembled arrangement of the bending beam with the components described above and a connector housing and fasteners.

Beim Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung als Kraftsensor ist eine Grundplatte als Biegebalken 1 ausgeführt. In einer mittigen Bohrung 2 ist eine Messzelle 3 mittels eines Laserschweißprozesses eingefügt, die aus einer herkömmlichen Druck- oder Kraftsensormesszelle bestehen kann. Weiterhin sind Einschnürungen 4 vorhanden, mit denen der Messeffekt dadurch erhöht wird, dass der Biegebalken 1 im Bereich der eingeschweißten Messzelle 3 geschwächt ist und sich daher im verjüngten Bereich besonders stark durchbiegt. Alternativ sind auch zusätzlich zu Befestigungsbohrungen 5 für den Biegebalken 1 weitere Bohrungen im Be reich der Messzelle 3 einfügbar um den gleichen Effekt zu erzielen.In the embodiment of a sensor arrangement as a force sensor is a base plate as a bending beam 1 executed. In a central hole 2 is a measuring cell 3 inserted by means of a laser welding process, which may consist of a conventional pressure or Kraftsensormesszelle. Furthermore, there are constrictions 4 present, with which the measuring effect is increased by the fact that the bending beam 1 in the area of the welded measuring cell 3 weakened and therefore particularly in the rejuvenated area bends. Alternatively, in addition to mounting holes 5 for the bending beam 1 further holes in the area of the measuring cell 3 insertable to achieve the same effect.

Die Messzelle 3 ist beispielsweise aus Edelstahl hergestellt und weist eine durch Glasschichten isoliert auf gebrachte, hier im Detail nicht erkennbare Sensorschaltung mit Dehnungsmessstreifen (DMS) auf. Diese Sensorschaltung kann in herkömmlicher Weise als eine Wheatstonesche-Brückenschaltung in Metalldünnschichttechnik mit entsprechenden Widerständen als DMS ausgeführt werden, die bei einer Dehnung oder Stauchung eine Änderung des Widerstandswertes erfahren. Wird der Biegebalken 1 nach der 1 gedehnt, so werden zwei Widerstände der Wheatstoneschen Brückenschaltung gedehnt und der jeweilige Widerstandswert ändert sich. Die anderen zwei um 90° versetzten Widerstände bleiben konstant, so dass sich in an sich bekannter Weise eine messbare Verstimmung der Brückenschaltung ergibt.The measuring cell 3 is made of stainless steel, for example, and has a sensor circuit with strain gauges (strain gauges) which is insulated by glass layers and can not be seen here in detail. This sensor circuit may be conventionally embodied as a thin metal Wheatstone bridge bridge circuit with corresponding resistors as strain gages which experience a change in resistance upon expansion or compression. Will the bending beam 1 after 1 stretched, two resistors of the Wheatstone bridge circuit are stretched and the respective resistance changes. The other two resistors offset by 90 ° remain constant, so that a measurable detuning of the bridge circuit results in a manner known per se.

Aus 2 ist ein Detailschnitt im Bereich der Befestigung der Messzelle 3 am Biegebalken 1 erkennbar. Hier sind erfindungsgemäße Schweißstellen 6 auf der Oberseite und 7 auf der Unterseite ersichtlich. Diese Schweißstellen 6 und 7 sind auf einfache Weise ausführbar und brauchen zur Gewährleistung der Vermeidung des Kriecheffekts in den meisten Anwendungsfällen auch keine Dichtigkeit aufweisen.Out 2 is a detail section in the area of the attachment of the measuring cell 3 on the bending beam 1 recognizable. Here are welds according to the invention 6 on the top and 7 visible on the bottom. These welds 6 and 7 are easy to carry out and need to ensure the prevention of creep in most applications also have no tightness.

Eine weiter vervollständigte Darstellung nach 3 zeigt den Biegebalken 1 mit der Messzelle 3, auf den eine Leiterplatte 8 mit einer Auswerteelektronik für die Ausgangssignale der Wheatstoneschen Brückenschaltung elastisch aufgeklebt ist. Aus der Leiterplatte 8 ragen noch Anschlusspins 9 heraus.A further completed representation after 3 shows the bending beam 1 with the measuring cell 3 on which a circuit board 8th is elastically adhered with an evaluation for the output signals of the Wheatstone bridge circuit. From the circuit board 8th are still connecting pins 9 out.

4 zeigt die fertig montierte Sensoranordnungen, bei der auf die Leiterplatte 8 mit der Auswerteelektronik und den Anschlusspins 9 noch ein Steckergehäuse 10 übergestülpt, bzw. gerastet oder geklebt ist. Mit Befestigungsschrauben 11 ist diese Anordnung dann zur Aufnahme einer Kraft oder einem Druck an ein entsprechendes Aggregat anbaubar. 4 shows the assembled sensor assemblies, on the PCB 8th with the evaluation electronics and the connection pins 9 another plug housing 10 slipped over, or snapped or glued. With fastening screws 11 This arrangement is then attachable to receive a force or pressure to a corresponding unit.

Die Erfindung ist beispielsweise zur Erfassung von mechanischen Kräften oder Drücken, zum Beispiel zur Be ladungserkennung, an Kraftfahrzeugen einsetzbar.The Invention is for example for the detection of mechanical forces or To press, For example, loading detection, applicable to motor vehicles.

Claims (9)

Sensoranordnung mit Dehnungsmessstreifen, bei der – zur Bildung einer Messzelle (3) die Dehnungsmessstreifen auf einem Messelement (3) angebracht sind und die Messzelle (3) in einem Biegebalken (1) als Träger befestigt ist, wobei die Dehnung oder Stauchung des Biegebalkens (1) zur Bildung des Ausgangs Signals der Sensoranordnung führt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messzelle (1) mit dem Biegebalken (1) in einer Ausnehmung des Biegebalkens (1) verschweißt ist.Sensor arrangement with strain gages, in which - to form a measuring cell ( 3 ) the strain gauges on a measuring element ( 3 ) and the measuring cell ( 3 ) in a bending beam ( 1 ) is attached as a carrier, wherein the stretching or compression of the bending beam ( 1 ) leads to the formation of the output signal of the sensor arrangement, characterized in that - the measuring cell ( 1 ) with the bending beam ( 1 ) in a recess of the bending beam ( 1 ) is welded. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messzelle (3) beidseitig des Biegebalkens (1) mittels Schweißnähten (6,7) angeschweißt ist.Sensor arrangement according to claim 1, characterized characterized in that - the measuring cell ( 3 ) on both sides of the bending beam ( 1 ) by means of welds ( 6 . 7 ) is welded. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messzelle (3) mittels Laserschweißen am Biegebalken (1) angeschweißt ist.Sensor arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that - the measuring cell ( 3 ) by means of laser welding on the bending beam ( 1 ) is welded. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Dehnungsmessstreifen in Metall-Dünnschichttechnik auf eine Glasschicht der Messzelle (3) aufgebracht sind.Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that - the strain gauges in metal thin-film technology on a glass layer of the measuring cell ( 3 ) are applied. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Dehnungsmessstreifen der Messzelle (3) aus Widerstandselementen aus Polysilizium bestehen.Sensor arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that - the strain gauges of the measuring cell ( 3 ) consist of resistive elements made of polysilicon. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, durch gekennzeichnet, dass – im Bereich der Anbringung der Messzelle (3) ein- oder beidseitig eine Einschnürung (4) am Biegebalken (1) angeordnet ist.Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that - in the region of the attachment of the measuring cell ( 3 ) one or both sides a constriction ( 4 ) on the bending beam ( 1 ) is arranged. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – über die Messzelle (3) eine Leiterplatte (8) mit einer Auswerteelektronik und mit Anschlusspins (9) angebracht und mit dieser elektrisch verbunden istSensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that - via the measuring cell ( 3 ) a printed circuit board ( 8th ) with an evaluation electronics and with connection pins ( 9 ) is mounted and electrically connected thereto Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – über die Messzelle (3) und/oder die Leiterplatte (8) mit der Auswerteelektronik ein Steckergehäuse (10) angebracht ist.Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that - via the measuring cell ( 3 ) and / or the printed circuit board ( 8th ) with the transmitter a connector housing ( 10 ) is attached. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sensoranordnung zur Beladungsmessung in einem Kraftfahrzeug eingesetzt ist.Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized marked that - the Sensor arrangement used for loading measurement in a motor vehicle is.
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