DE19638860A1 - Weighing cell fabricated from layered materials - Google Patents

Weighing cell fabricated from layered materials

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Abstract

The weighing cell is formed from a combination of materials arranged in arbitrary sequence in layers, in which the materials have different voltage properties for changes of load. and have arbitrary geometric forms and material densities. The materials may be glass, ceramics, metals, plastics, or fibre materials. One or several extension measuring stripes, with reproducible voltage properties are arranged on the materials, and the advantages of the individual materials are used, and their disadvantages are compensated. The different materials are connected with each other through gluing, spraying, or galvanic connection.

Description

Wägezellen sind in der Technik seit langem bekannt und werden für viele Anwendungen wie die Erfassung von Gewichten und Drücken genutzt. Im Siemens Lexikon der Analysen-, Meß- und Regelungstechnik wird eine Wägezelle mit Dehnungsmeßstreifen (DMS) als das Primärelement einer elektromechanischen Wägeeinrichtung beschrieben. Weiterhin erfolgt die Definition, die die Wägezelle als einen mechanisch-elektrischen Meßgrößenumformer, der die von der zu wä­ genden Masse ausgeübte Gewichtskraft in ein elektrisches Signal umformt, beschreibt.Load cells have long been known in the art and are used for many applications like that Acquisition of weights and pressures used. In the Siemens Lexicon of analysis, measurement and Control technology becomes a load cell with strain gauges (DMS) as the primary element described an electromechanical weighing device. Furthermore, the definition follows the load cell as a mechanical-electrical transducer that can be the weight exerted on the mass converted into an electrical signal.

Die Arbeitsweise wird wie folgt erklärt: Eine durch Gewichtslast erzeugte Normalkraft verformt eine als Vollzylinder, Hohlzylinder oder Biegebalken ausgeführte Meßfeder, mit der Dehnungs­ meßstreifen kraftschlüssig verbunden sind, und ruft dadurch Widerstandsänderungen der Meß­ streifen hervor. Die Meßstreifen sind zu einer Wheatstone-Brücke zusammengeschaltet, die mit Strom oder Spannung gespeist wird. Bei Belastung der Wägezelle kommt es zu einer Verstim­ mung der Brücke und damit zu einer lastproportionalen Meßspannung.The method of operation is explained as follows: A normal force generated by weight is deformed a measuring spring designed as a solid cylinder, hollow cylinder or bending beam, with the expansion measuring strips are non-positively connected, thereby calling changes in resistance of the measuring strip out. The measuring strips are connected to a Wheatstone bridge, the with Current or voltage is fed. If the load cell is loaded, there is a detuning tion of the bridge and thus to a load-proportional measuring voltage.

Die o.a. Meßfedern, z. B. als Vollzylinder, Hohlzylinder oder Biegebalken ausgeführt, sind mei­ stens aus Metall geformt. Häufig kommt Aluminium zur Anwendung. Die am häufigsten ver­ wendeten Konstruktionsformen sind z. B. der Doppelbiegebalken und der Biegering in den ver­ schiedensten Ausführungen.The above Measuring springs, e.g. B. executed as a solid cylinder, hollow cylinder or bending beam, mei made of metal. Aluminum is often used. The most common ver used construction forms are e.g. B. the double bending beam and the bending ring in the ver various designs.

Alle diese Ausführungen bauen konstruktionsbedingt hoch auf. Die z.Z. bekannte und als preis­ wertes Serienprodukt herstellbare Wägezelle im der Doppelbiegebalken-Ausführung ist ca. 8 mm hoch. Weiterhin ist von Nachteil, daß, meistens, vier einzelne Wägezellen zur Anwendung kommen. Diese Anordnung erfordert erhöhten Aufwand für die Mechanik und Montage der Ge­ räte. Bei der Anwendung als Schriftenprüfer, wie in EP 0 560 356 B1 beschrieben, wird dieses besonders deutlich. So muß z. B. eine Tragplatte für die Wägezellen vorgesehen werden, auf die Wägezellen wird dann wiederum eine Platte aufgebracht, auf der die Schriftprobe getätigt wird.Due to their design, all of these versions are built up high. The currently known and as price Worthwhile mass-produced load cell in the double bending beam version is approx. 8 mm high. Another disadvantage is that, usually, four individual load cells are used come. This arrangement requires increased effort for the mechanics and assembly of the Ge councils. When used as a font checker, as described in EP 0 560 356 B1, this becomes especially clear. So z. B. a support plate for the load cells can be provided on the A load plate is then placed on the load cells on which the writing test is carried out.

Um extrem flache Systeme zur Gewichts- oder Druckaufnahme zu realisieren sind preiswerte Wägezellen in geringerer Bauhöhe einzusetzen. Diese flachen Systeme sind z. B. nötig, wenn ein Schriftenprüfer, wie in EP 0 560 356 B1 beschrieben, so klein und flach realisiert werden soll, daß er in oder neben einer PC-Tastatur angeordnet werden kann. Viele andere Anwendungen sind denkbar, z. B. flache Personen- oder Materialwaagen, etc.In order to realize extremely flat systems for weight or pressure absorption are inexpensive Use load cells with a lower overall height. These flat systems are e.g. B. necessary if a Font checker, as described in EP 0 560 356 B1, is to be implemented as small and flat, that it can be placed in or next to a PC keyboard. Many other uses are conceivable, e.g. B. flat personal or material scales, etc.

Denkbar ist die Anbringung von vier Dehnungsmeßstreifen auf einer flachen und genügend gro­ ßen Metallplatte beliebiger Höhe und geometrischer Form.It is conceivable to attach four strain gauges on a flat and sufficiently large one metal plate of any height and geometric shape.

Hierbei ist jedoch zu beachten, daß bei Langzeitanwendungen die Rückkehr der Metallplatte in ihre ursprünglichen Form nicht garantiert werden kann. Ein, wie auch immer geartetes, Fließen des Materials kann nicht vermieden werden.However, it should be noted here that the return of the metal plate in their original form cannot be guaranteed. A flow of whatever kind of the material cannot be avoided.

Weiterhin denkbar ist die Anbringung von vier Dehnungsmeßstreifen auf einer flachen und ge­ nügend großen Glas- oder Keramikplatte beliebiger Höhe und geometrischer Form. Diese An­ ordnung hätte den Vorteil, daß durch die gleichbleibende Rückkehr der Glasplatte in ihre ur­ sprunglichen Form weitgehend sichergestellt ist, daß eine Reproduzierbarkeit der Meßwerte er­ wartet werden kann. Nachteilig wirkt sich jedoch die dem Glas und der Keramik innewohnenden Spannungen, bzw. Spannungsverläufe. Diese Spannungen, bzw. Spannungsverläufe können nicht im Voraus bestimmt, sondern müssen individuell für jede Glas- oder Keramikplatte ermittelt und die Dehnungsmeßstreifen ausgewählt werden. Ebenfalls individuell müssen die Plätze aus­ gewählt werden an denen die Dehnungsmeßstreifen montiert werden sollen. Eine Massenan­ wendung und Austauschbarkeit der einzelnen Meßsysteme kommt daher nicht in Frage. It is also conceivable to attach four strain gauges on a flat and ge sufficiently large glass or ceramic plate of any height and geometric shape. This to order would have the advantage that the constant return of the glass plate to its original jumpy form is largely ensured that he reproducibility of the measured values can be waited. However, the inherent effects of glass and ceramics are disadvantageous Tensions, or voltage profiles. These voltages or voltage profiles cannot determined in advance, but must be determined individually for each glass or ceramic plate and the strain gauges are selected. The places must also be made individually are selected on which the strain gauges are to be mounted. A crowd The use and interchangeability of the individual measuring systems is therefore out of the question.  

Die Erfindung beschreibt ein System, daß die vorgenannten Nachteile nicht besitzt und den Auf­ bau von flachen, preiswerten Wägezellen und Schreibdruckaufnehmern ermöglicht.The invention describes a system that does not have the aforementioned disadvantages and the enables the construction of flat, inexpensive load cells and writing pressure transducers.

Hierzu wird eine Wägezelle oder eine Anordnung mehrerer Wägezellen auf einer schichtenweise angeordneten Materialkombination aufgebracht. Die Materialkombination besteht z. B. aus einer Glas- oder Keramikplatte mit einer oder mehreren Schichten aus Metall, Kunststoff oder Ver­ bundwerkstoffen, wie glas- oder kohlefaserverstärkte Harze. Diese Schichten sind ein- oder beidseitig auf der Glas- oder Keramikplatte aufgebracht. Die schlüssige Verbindung erfolgt z. B. durch Verklebung der einzelnen Schichten miteinander. Weitere Verbindungsformen, wie Auf­ spritzen, Aufsintern, eine komplette Umhüllung der Glas- oder Keramikplatte sind möglich.For this purpose, a load cell or an arrangement of several load cells on a layer-by-layer basis arranged material combination applied. The combination of materials consists, for. B. from a Glass or ceramic plate with one or more layers of metal, plastic or Ver bundle materials, such as glass or carbon fiber reinforced resins. These layers are one or applied on both sides of the glass or ceramic plate. The conclusive connection is made e.g. B. by gluing the individual layers together. Other forms of connection, such as Auf spraying, sintering, a complete coating of the glass or ceramic plate are possible.

Eine Anordnung der Materialien mit bekanntem Spannungsverhalten und darauf aufgebrachtem Dehnungsmeßstreifen zwischen zwei Glas- oder Keramikplatten ist ebenfalls vorgesehen.An arrangement of materials with known stress behavior and applied to it Strain gauges between two glass or ceramic plates are also provided.

Durch die Schichtweise Anordnung der vorgenannten Materialien, weitere Materialkombinatio­ nen sind ohne weiteres einsetzbar, werden die Vorteile der einzelnen Materialien ausgenutzt und deren Nachteile kompensiert. Die Dehnungsmeßstreifen werden in bekannter Weise auf die aufgebrachte Schicht aus Metall, Kunststoff oder Verbundwerkstoffen, wie glas- oder kohlefa­ serverstärkte Harze kraftschlüssig geklebt.Due to the layered arrangement of the aforementioned materials, further material combinations NEN can easily be used, the advantages of the individual materials are exploited and their disadvantages compensated. The strain gauges are in a known manner on the applied layer of metal, plastic or composite materials, such as glass or carbon Server-strengthened resins are non-positively glued.

Durch diese Anordnung wird die reproduzierbare Rückstellbarkeit von Glas oder Keramik mit dem bekannten Spannungsverhalten von Metallen, Kunst- oder Verbundwerkstoffen kombiniert. Bei einem Bruch der Glas oder Keramikschicht bleiben die Einzelteile zusammen. Die Verlet­ zungsgefahr ist erheblich reduziert.This arrangement enables the reproducible resettability of glass or ceramic the known tension behavior of metals, plastics or composite materials combined. If the glass or ceramic layer breaks, the individual parts remain together. The Verlet risk of injury is considerably reduced.

Je nach Anordnung der kombinierten Materialien wird auch eine erhöhte Korossionsfestigkeit der Wägezelle erreicht.Depending on the arrangement of the combined materials, there is also increased corrosion resistance reached the load cell.

Claims (2)

1. Wägezelle aus geschichteten Materialien dadurch gekennzeichnet, daß eine in beliebi­ ger Reihenfolge schichtweise, kraftschlüssig verbundene Kombination aus Materialien mit ver­ schiedenen Spannungsverhalten bei Lastwechseln, beliebiger geometrischer Formen und Mate­ rialstärken, wie z. B. Glas oder Keramik mit Metall, Kunststoffen, Glas, oder kohlefasernverstärk­ te Verbundstoffe mit einem oder mehreren kraftschlüssig auf dem Material mit gleichbleibend­ bekanntem, reproduzierbarem Spannungsverhalten aufgebrachten Dehnungsmeßstreifen verse­ hen ist und die Vorteile der einzelnen Materialien genutzt und deren Nachteile kompensiert wer­ den
  • 2. Wägezelle aus geschichteten Materialien nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Materialien miteinander kraftschlüssig durch Verklebung, Aufspritzung, Aufsinterung, galvanische Verbindung, etc. verbunden sind.
1. Load cell made of layered materials, characterized in that a layer by layer, non-positively connected in any order, materials with different stress behavior during load changes, any geometric shapes and material strengths, such as. B. glass or ceramic with metal, plastics, glass, or carbon fiber reinforced composites with one or more non-positively applied strain gauges applied to the material with consistently known, reproducible stress behavior and the advantages of the individual materials are used and their disadvantages are compensated for
  • 2. Load cell made of layered materials according to claim 1, characterized in that the different materials are non-positively connected by gluing, spraying, sintering, galvanic connection, etc.
3. Wägezelle aus geschichteten Materialien nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wägezelle z. B. als Vollzylinder, Hohlzylinder oder Biegebalken mit ei­ nem oder mehreren Dehnungsmeßstreifen ausgeführt ist.3. Load cell made of layered materials according to claims 1 and 2 thereby ge indicates that the load cell z. B. as a solid cylinder, hollow cylinder or bending beam with egg nem or more strain gauges is executed.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4225134C1 (en) * 1992-07-30 1993-09-16 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung Ev, 80636 Muenchen, De Tensile and compressive stress measuring system for workpiece or material sample - determines deformation in different directions within each measuring plane, e.g. using strain gauges
EP0702220A2 (en) * 1994-09-14 1996-03-20 ISHIDA CO., Ltd. Load cell and weighing apparatus using the same
DE4437306A1 (en) * 1994-10-19 1996-04-25 Forschungszentrum Juelich Gmbh Strain gauge for measuring the strain of single-crystalline semiconductor material

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