DE10260577B4

DE10260577B4 - Dehnungsmessstreifen mit veränderbarem Nennwiderstand

Info

Publication number: DE10260577B4
Application number: DE2002160577
Authority: DE
Inventors: Volker Relling; Jörg Herrnring
Original assignee: Sartorius Hamburg GmbH
Current assignee: Sartorius Lab Instruments GmbH and Co KG
Priority date: 2002-12-21
Filing date: 2002-12-21
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2022-12-22
Also published as: DE10260577A1

Abstract

Dehnungsmessstreifen mit einer Vielzahl von in ihrer Dicke nachträglich veränderbaren Widerstandsbahnen zur Dehnungsmessung dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstandsbahnenbereich (4) mit einer gegenüber dem übrigen Bereich der Gesamtheit an Widerstandsbahnen (2) nachträglich veränderten Dicke vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Dehnungsmessstreifen mit einer Vielzahl von in ihrer Dicke nachträglich veränderbaren Widerstandsbahnen zur Dehnungsmessung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie aus DE 39 16 967 A1 bekannt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum nachträglichen Abgleich eines Dehnungsmessstreifens mit einer Vielzahl von in ihrer Dicke nachträglich verenderbaren Wiederstandsbahnen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3, wie ebenfalls ans DE 39 16 967 A1 bekannt sowie eine Verwendung von Dehnungsmessstreifen.

Um die Last einer Lastaufnahmevorrichtung zu bestimmen, werden Wägezellen mit Wägezellenfedern eingesetzt. Ein Dehnungsmessstreifen bestimmt dabei die Dehnung oder Stauchung der Wägezellenfeder, aus der dann die aufliegende Last ermittelt werden kann. Häufig werden stabförmige Wägezellenfedern eingesetzt, welche üblicherweise konvexe Kuppen an der Ober- und Unterseite aufweisen. Bei einer Verformung der Lastaufnahmevorrichtung rollen die Kuppen gegen ihre Unterlage ab, so dass der Druckpunkt der Lasteinleitung verschoben wird.

Liegt die Last nicht mehr im Zentrum einer Wägezellenfeder an, führt dies zu einer Biege- und Druckbelastung der Wägezellenfeder. Insbesondere die Biegebelastung führt zu unsystematischen Abweichungen des Messwertes vom Sollwert, da Betrag und Richtung der Abweichung von der Lage des Dehnungsmessstreifens der Wägezellenfeder relativ zur Richtung der Biegung und von der Ausführungsform der Dehnungsmessstreifen abhängig ist.

Zur Verminderung der oben beschriebenen Abweichungen des Messwertes vom Sollwert bei einer Durchbiegung der Wägezellenfeder sind aus dem Stand der Technik verschiedene Möglichkeiten bekannt.

Einerseits ist bekannt, dass die Wägezellenfeder so gestaltet werden kann, dass eine Biegung der Wägezellenfeder möglichst nicht zu einer Dehnung oder Stauchung des Dehnungsmessstreifens führt. Dies wird beispielsweise durch ein sogenanntes Querlochelement gewährleistet, in welchem die Dehnungsmessstreifen nahe an der Mittelachse der Wägezellenfeder angeordnet sind. Da die Mittelachse der Wägezelle biegespannungsfrei ist, bleibt selbst bei einer Biegung der Wägezellenfeder der Messwert des Dehnungsmessstreifens im Querlochelement nahezu unbeeinflusst.

Andererseits ist bekannt, dass bei der Verwendung von mehreren Wägezellenfedern und mehreren Dehnungsmessstreifen die Biegebeanspruchung der Wägezellenfedern kleingehalten werden kann, wobei die Messfehler der einzelnen Wägezellenfedern sich teilweise gegenseitig kompensieren können.

Bei den soeben beschriebenen bekannten Maßnahmen zur Verminderung von Messfehlern aufgrund von Biegebelastungen der Wägezellenfedern ist jedoch nachteilig, dass sie mit relativ hohen Kosten verbunden sind. Einerseits ist das Einbringen eines Querlochelementes in eine Wägezellenfeder mit zusätzlichen Fertigungsschritten und damit mit höheren Herstellkosten für die Wägezellenfedern verbunden. Ferner führt auch die Verwendung mehrerer Wägezellenfedern bereits durch die Anzahl der Wägezellenfedern zu hohen Herstellkosten einer entsprechenden Lastaufnahmevorrichtung.

Aus dem Stand der Technik ist darüber hinaus bekannt, mehrere Dehnungsmessstreifen mit gleichen Eigenschaften auf einer Wägezellenfeder derart zu positionieren, dass sich durch eine Biegung verursachte Messfehler gegenseitig kompensieren. Eine solche Anordnung mit mehreren Dehnungsmessstreifen auf einem einzelnen Kraftaufnehmer ist beispielsweise in DE 35 28 510 C2 beschrieben. Allerdings weisen die Dehnungsmessstreifen herstellungsbedingte Streuungen auf, so dass Dehnungsmessstreifen mit gleichen Messeigenschaften nur unter wirtschaftlich nicht vertretbarem Aufwand zusammengestellt werden können.

Hierzu ist aus der auf die Anmelderin zurückgehenden, nachveröffentlichten DE 102 60 578 A1 bekannt, durch Aktivierung von zusätzlichen Abgleichswiderstandsbahnen die Messeigenschaften von auf Wägezellenfedern aufgebrachten Dehnungsmessstreifen nachträglich abzugleichen, um eine einfache Kompensierung von durch Biegebelastungen verursachten Messfehler der Wägezellenfeder zu gewährleisten.

Zum Zwecke eines Brückenabgleichs ist es auch bekannt, einzelne Dehnungsmessstreifen einer Messbrücke einer Behandlung zu unterziehen, die die gesamte Dicke des Dehnungsmessstreifens verändert. So ist beispielsweise aus der eingangs genannten DE 39 16 967 A1 bekannt, die Dicke eines Dehnungsmessstreifens durch Mikrosandstrahlen seiner Widerstandsbahnen nachträglich zu verändern. Eine nachträgliche Dickenveränderung ist beispielsweise auch in DE-OS 1 648 724, in DE 38 77 170 T2 oder in GB 728 606 beschrieben. Alternativ ist es beispielsweise aus DE 27 24 817 A1 auch bekannt, einen Dehnungsmessstreifen zu Abgleichszwecken über seine gesamte Länge mit einem fokussierten Laserstrahl zu bearbeiten, um dadurch eine Änderung seiner Breite zu bewirken.

Zwar können durch die letztgenannten Verfahren die Messeigenschaften verschiedener Dehnungsmessstreifen nachträglich gut abgeglichen werden, ein im Bereich der Widerstandsbahnen der Dehnungsmessstreifen variierendes Dehnungs- und oder Stauchungsverhalten der Wägezellenfeder konnte bisher jedoch nicht berücksichtigt werden.

Zum Zwecke der Stabilitätserhöhung ist es schließlich aus DE-AS 1 035 936 bekannt, die Umkehrstellen zwischen den einzelnen Widerstandsbahnen eines Dehnungsmessstreifens durch Verbreitern oder Erhöhen ihrer Dicke zu versteifen, um dadurch die Querdehnungsempfindlichkeit zu verringern.

Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Dehnungsmessstreifen und ein Verfahren zum nachträglichen Abgleich von Dehnungsmessstreifen zur Verfügung zu stellen, womit auf kostengünstige Weise eine Kompensierung von Messfehlern durch die Biegebelastung bei Wägezellenfedern ermöglicht wird. Ferner soll eine entsprechende Verwendung von Dehnungsmessstreifen angegeben werden.

Die zuvor aufgezeigte und hergeleitete Aufgabe wird erfindungsgemäß zunächst dadurch gelöst, dass bei einem Dehnungsmessstreifen mit einer Vielzahl von in ihrer Dicke nachträglich vera nderbaren Widerstandsbahnen zur Dehnungsmessung ein Widerstandsbahnenbereich mit einer gegenüber dem übrigen Bereich der Gesamtheit an Widerstandsbahnen nachträglich veränderten Dicke vorgesehen ist. Mit anderen Worten, nur ein Teilbereich des mäanderförmigen Gitters aus einer Vielzahl von Widerstandsbahnen, die an ihren Endbereichen über sogenannte Umkehrstellen mit einer jeweils benachbarten Widerstandsbahn verbunden sind, wird nachträglich in seiner Dicke verändert, wobei das übrige Gitter unverändert bleibt. So kann die Dicke einer oder mehrerer Bahnen lokal durch beispielsweise selektives Ätzen nachträglich verringert werden, wodurch der Messanteil dieses lokalen Bereiches gegenüber dem übrigen Gitter übergewichtet wird, was zur Verlagerung des elektrischen Messschwerpunktes führt. Der Messschwerpunkt kann auf diese Weise nachträglich an eine Stelle verlagert werden, die biegespannungsarm ist, und zwar ohne dass das Schaltungslayout geändert werden muss. Auf diese Weise können zudem verschiedene Dehnungsmessstreifen noch feiner aufeinander abgestimmt werden.

Ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifen mindestens eine Widerstandsbahn mit einer zumindest teilweise durch selektives Ätzen verringerbaren Dicke vorgesehen, so können auf einfache Weise die Messeigenschaften verschiedener Dehnungsmessstreifen nachträglich gezielt abgeglichen werden. Das Ätzen der Widerstandsbahnen bietet dabei den Vorteil, dass die geätzten Widerstandsbahnen sehr gleichmäßig angegriffen und geätzt werden und somit ein reproduzierbarer Abgleichprozess zur Verfügung steht.

Die zuvor aufgezeigte und hergeleitet Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum nachträglichen Abgleich eines Dehnungsmessstreifens mit einer Vielzahl von in ihrer Dicke nachträglich verenderbaren Wiederstandsbahnen dadurch gelöst, daß die Dicke der Widerstandsbahnen derart nachträglich verändert wird, dass ein Widerstandsbahnenbereich mit einer gegenüber dem übrigen Bereich der Gesamtheit an Widerstandsbahnen anderen Dicke entsteht.

Auf besonders einfache Weise können gemäß einer nächsten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum nachträglichen Abgleich eines Dehnungsmessstreifens bestimmte Bereiche der Widerstandsbahnen bei der Messung dadurch stärker gewichtet werden, dass die Dicke der Widerstandsbahnen mindestens eines Widerstandsbahnenbereiches nachträglich verändert wird.

Bei der integralen Erfassung der Widerstandsänderung des Dehnungsmessstreifens kann nun ein elektrischer Messschwerpunkt bestimmt werden, welcher im Falle gleicher Nennwiderstände im Zentrum der mit Widerstandsbahnen belegten Fläche des Dehnungsmessstreifens liegt. Gemäß einer nächsten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum nachträglichen Abgleich von Dehnungsmessstreifen wird der elektrische Messschwerpunkt des Dehnungsmessstreifens nachträglich verändert, um auch bezüglich der geometrischen Position der Widerstandsbahnen der Dehnungsmessstreifen auf der Wägezellenfeder einen nachträglichen Abgleich zwischen den Dehnungsmessstreifen zu ermöglichen.

Wird die Dicke der Dehnungsmessstreifen durch selektives Ätzen mit einer geeigneten Säure oder Base nachträglich verringert, so steht ein einfaches Verfahren zur Verfügung, auf einer Wägezellenfeder angebrachte Dehnungsmessstreifen durch eine gleichmäßige Verringerung der Dicke der Widerstandsbahnen abzugleichen.

Eine Änderung der Dicke der Widerstandsbahnen kann auf einfache Weise dadurch lokal begrenzt werden, dass die Dicke der Widerstandsbahnen durch ein abrasives Verfahren nachträglich verringert wird. Als abrasive Verfahren können alle Verfahren verwendet werden, welche ein gezieltes Abtragen der Widerstandsbahnen ermöglichen.

Schließlich ist die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe noch durch die Verwendung einer Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen, wie sie zuvor beschrieben wurden, in einer Wägezelle gelöst.

Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifen, das Verfahren zum Abgleich der Dehnungsmessstreifen sowie die stabförmige Wägezellenfeder auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird beispielsweise verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 3 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung.

Die Zeichnung zeigt in der einzigen Figur das Schaltungslayout eines ersten Ausführungsbeispiels eines Dehnungsmessstreifens.
Die einzige Figur zeigt einen Dehnungsmessstreifen 1, welcher Widerstandsbahnen 2 zur Dehnungsmessung sowie Anschlussfelder 3 zum Anschluss einer nicht dargestellten Messbrücke aufweist. Die Widerstandsbahnen 2 des Dehnungsmessstreifens bestehen dabei beispielsweise aus einem ätzbaren Metall, beispielsweise Kupfer. Setzt man die Widerstandsbahnen 2 einer geeigneten Säure oder Base aus, so verringert sich die Dicke der einzelnen Widerstandsbahnen 2 mit der entsprechenden Einwirkungszeit der Säure oder Base. Wird die Dicke aller Widerstandsbahnen 2 gleichermaßen verringert, kann zunächst der Gesamtnennwiderstand des Dehnungsmessstreifens, welcher über die Anschlussfelder 3 gemessen werden kann, an den Nennwiderstand eines anderen ebenfalls auf der Wägezellenfeder aufgebrachten Dehnungsmessstreifens 1 nachträglich angepasst werden. Das Schaltungslayout des Dehnungsmessstreifens 1 bleibt dabei unverändert.
Werden nun nur in einem Widerstandsbahnenbereich 4 der Widerstandsbahnen 2 die Dicke der Widerstandsbahnen lokal, beispielsweise durch selektives Ätzen verringert, so kann die Gewichtung dieses Widerstandsbahnenbereiches 4 im Messergebnis des Dehnungsmessstreifens erhöht werden. Zwar bleibt die relative Widerstandsänderung im Widerstandsbahnenbereich 4 konstant, die absolute Widerstandsänderung des Widerstandsbahnenbereiches 4 hingegen ist, beispielsweise bei deutlich verringerter Dicke der Widerstandsbahnen des Widerstandsbahnenbereiches 4, steigt jedoch an und ist damit größer als die der übrigen Widerstandsbahnen 2. Bei der Bestimmung der integralen Widerstandänderung des Dehnungsmessstreifens kommt es so zu einer Übergewichtung des Messanteils des Widerstandsbahnenbereiches 4. Der elektrische Messschwerpunkt 5 des Dehnungsmessstreifens 1, welcher im Falle einer über die Widerstandsbahnen 2 konstanten Dicke der Widerstandsbahnen im geometrischen Mittelpunkt der von den Widerstandsbahnen 2 belegten Fläche liegt, wird somit in Richtung des Widerstandsbahnenbereiches 4 verschoben.
Damit besteht die Möglichkeit einerseits eine Berücksichtigung der geometrischen Position der Dehnungsmessstreifen 1 auf einer Wägezellenfeder beim nachträglichen Abgleich zu gewährleisten und verschiedene Dehnungsmessstreifen 1 noch feiner aufeinander abzustimmen und andererseits biegespannungsärmere Zonen der Wägezellenfeder im Messergebnis des Dehnungsmessstreifens 1 nachträglich stärker zu berücksichtigen. Beispielsweise können so bei stabförmigen Wägezellenfedern senkrecht zur Biegerichtung verlaufende, nahezu biegespannungsfreie Bereiche der stabförmigen Wägezellenfeder stärker gewichtet werden.
Allerdings ist auch denkbar, durch mehrere Widerstandsbahnenbereiche 4 mit nachträglich veränderter Dicke der Widerstandsbahnen einerseits die Position des elektrischen Messschwerpunkt 5 beizubehalten und gleichzeitig bestimmte Widerstandbahnenbereiche 4 stärker zu gewichten.

Claims

Dehnungsmessstreifen mit einer Vielzahl von in ihrer Dicke nachträglich veränderbaren Widerstandsbahnen zur Dehnungsmessung dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstandsbahnenbereich (4) mit einer gegenüber dem übrigen Bereich der Gesamtheit an Widerstandsbahnen (2) nachträglich veränderten Dicke vorgesehen ist.
Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Widerstandsbahn (2) mit einer zumindest teilweise durch selektives Ätzen verringerbaren Dicke vorgesehen ist.
Verfahren zum nachträglichen Abgleich eines Dehnungsmessstreifens mit einer Vielzahl von in ihrer Dicke nachträglich veränderbaren Widerstandsbahnen, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Widerstandsbahnen derart nachträglich verändert wird, dass ein Widerstandsbahnenbereich mit einer gegenüber dem übrigen Bereich der Gesamtheit an Widerstandsbahnen anderen Dicke entsteht.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Widerstandsbahnen mindestens eines Widerstandsbahnenbereiches nachträglich verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Messschwerpunkt des Dehnungsmessstreifens nachträglich verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Widerstandsbahnen durch selektives Ätzen mit einer geeigneten Säure oder Base nachträglich verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Widerstandsbahnen durch ein lokales abrasives Verfahren nachträglich verringert wird.
Verwendung einer Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 1 oder 2 in einer Wägezelle.