DE2347545A1

DE2347545A1 - Load cell with monocrystal SC material - material is applied on freely supported flexural beam

Info

Publication number: DE2347545A1
Application number: DE19732347545
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Bretschi
Original assignee: August Sauter KG
Current assignee: August Sauter KG
Priority date: 1973-09-21
Filing date: 1973-09-21
Publication date: 1975-04-03
Also published as: CH567258A5; DE2347545B2; DE2347545C3

Abstract

The beam ends project beyond the supporting points. A balancing weight is provided at each projecting end of the beam. The weights are movable in the horizontal direction. The beam movements are limited by stops. The invention uses a monocrystal semiconductor material as stretching strips to measure load. By this means disturbance factors caused by outside knocks are eliminated and the danger of breakage reduced as far as possible. The positioning and weight compensation to the left and right of the measuring element constitutes the protected system. Instead of inserts the positioning and weight conveyance can be realised by special spring elements.

Description

August Sauter KC

7470 Ebingen 19. September 19737470 Ebingen September 19, 1973

Gartenstrasse 86 Load cell

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßdose mit einkristalline« Halbleitermaterial als Dehnungsmeßstreifen auf einem frei aufliegenden Biegebalken mit Über die Auflagepunkte des Biegebalkens hinausragenden KragstUcken.The invention relates to a load cell with monocrystalline « Semiconductor material as strain gauges on a freely resting bending beam with over the support points of the bending beam protruding cantilevers.

Kraftmeßdosen, in denen ein Halbleiter-Einkristall als Dehnungsmeßstreifen verwendet wird, sind bekannt. Gegenüber eines herkömmlichen Dehnungsmeßstreifen aus Metall haben diese eine erheblich größere Empfindlichkeit und liefern demzufolge wesentlich größere Ausgangssignale. Ein weiterer Vorteil solcher liegt darin begründet, daß man deren vorzugliche Kriech- und Hystereseeigenschaften besser ausnutzen kann, wenn gleichzeitig die Funktion eines Federelements bzw. einer Meßfeder zu erfüllen ist.Load cells in which a semiconductor single crystal is used as a strain gauge are known. Compared to conventional metal strain gauges, these have a much greater sensitivity and consequently provide much larger output signals. Another advantage of this is based on the fact that one can better utilize their excellent creep and hysteresis properties if the function of a spring element or a measuring spring is to be fulfilled at the same time.

Treten jedoch zusätzlich zu dem konstanten Biegemoment, das auf einen solchen Dehnungsmeßstreifen aus einkristallinem Halbleiter ausgeübt wird, noch ungewUnschte Zusatzbelastungen, wie z. B. äußere Stoßeinwirkungen auf, dann ist infolge der Sprödigkeit dieses Materials die Bruchgefahr sehr groß.However, this occurs in addition to the constant bending moment that acts on such a strain gauge made of single-crystal semiconductor is exercised, unwanted additional burdens, such as B. external impacts, then it is due to the brittleness of this material, the risk of breakage is very high.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmeßdose mit einkristallinem Halbleitermaterial als DehnungsmeßstreifenThe invention is based on the object of providing a load cell with monocrystalline semiconductor material as a strain gauge

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zu schaffen, bei den die Bruchgefahr weitgehendst reduziert wird und gleichzeitig die von äußeren Stößen bewirkten Störkräfte elieiniert werden.to create in which the risk of breakage is largely reduced and at the same time the disruptive forces caused by external impacts are eliminated.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Patentansprüchen definierten Merkeale.This object is achieved by what is stated in the patent claims defined features.

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in folgenden näher beschrieben.Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing and are described in more detail below.

Es zeigenShow it

Fig. 1 schematische Belastungsahordnung eines frei aufliegenden Trägers nit KragstUcken sowie den zugehörigen Biegeaoaentenverlauf. Fig. 1 schematic loading arrangement of a freely resting Beam with cantilever pieces as well as the associated bending element course.

Fig. 2 praktische Realisierung einer Kraftmeßdose «it frei aufliegende« Träger nit KragstUcken am Beispiel eines Einkristalls als Meßeleisent (scheeatisch).
Fig. 2 α Draufsicht auf Teil Z der Fig. 2.Fig. 2 Practical implementation of a load cell with free-lying supports with cantilever pieces using the example of a single crystal as a measuring iron (Scheeatic).
FIG. 2 a plan view of part Z of FIG. 2.

Fig. 3 scheaatische Belastungsanordnung eines frei aufliegenden Trägers, der an den Enden von Momenten beansprucht wird, sowie den zugehörigen Biegeaoaentenverlauf.3 is a schematic load arrangement of a freely resting girder, which is subjected to moments at the ends, as well as the associated Biegeaoaenten course.

Bei der in Fig. 1 scherctisch dargestellten Belastungsanordnung handelt es sich um einen frei aufliegenden Tröger »dt gleich langen KragstUcken der Länge 1*, die an beiden Enden von einer Kraft P belastet werden. Der Biegeaasentenverlauf M (x) ist zwischen den beiden Auflagern M(x) ■ P · 1* » const., soeit in Mittel wesentlich größer als i» Falle eines einseitig eingespannten Biegebalens und dadurch gUnstig i» Sinne eines großenIn the scherctisch shown in Fig. 1 loading assembly there is a freely supported Tröger »dt equal length KragstUcken the length 1 *, which are loaded on both ends of a force P. The course of the bending axis M (x) is between the two supports M (x) ■ P · 1 * »const., So that on average it is considerably larger than in the case of a bending beam clamped on one side and therefore favorable in the sense of a large one

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Ausgangssignals, das de« Biegemoment proportional ist. In Fig. 2 ist eine Realisierungsmöglichkeit einer Kraftmeßdose mit frei aufliegende* Träger Mit KragstUcken am Beispiel eines Einkristalls als Meßelement schematisch dargestellt. Hierbei sind die Auflager und die Krafteinleitung gegenüber Fig. vertauscht. Es läßt sich leicht zeigen, daß dies keine Veränderung ά·χ Verhältnisse mit sich bringt. Durch Ausgleichsgewichte 1,1', die beispielsweise in den Aussparungen 2,2* verschoben und arretiert werden können und somit durch eine Änderung des Hebelarmes das Moment bezüglich der Auflager 3,3* verändern, kann man durch Ausbalancieren der Massen ein Momentengleichgewicht links und rechts der beiden Auflager 3,3' erreichen, so daß bei Stoßbeanspruchungen in Idealfall auf den Einkristall 4 keine Kraft ausgeübt wird. Da bei der in Fig. dargestellten Anordnung wegen der Belastung des Meßelementes in Richtung eines großen Flächenträgheitsmomentes nur geringe Wegänderungen auftreten, kann ein Überlastschutz durch einen wegbegrenzenden Anschlag nicht erfolgen. In der zur Zeichenebene senkrechten Richtung ist jedoch das Flächenträgheitsmoment in der Regel wesentlich geringer, so daß hier bei Stoßbelastung von den Biegebalken 5,5' des Einkristalls entsprechende Wege zurückgelegt werden, die man durch Anschläge 7,7* begrenzen kann. Die in Fig. 2 α dargestellte Draufsicht auf Teil Z der Fig. 2 veranschaulicht dies. Somit ist durch die Kombination einer Wegbegrenzung und einem Massenausgleich links und rechts der Auflager 3,3' selbst bei leicht zerbrechlichen Meßelementen ein bruchunempfindliches Gesamtsystem zu realisieren. In der praktischen Ausfuhrung wird man nicht die in den AbbildungenOutput signal that is proportional to the bending moment. In Fig. 2, a possibility of realizing a load cell with freely resting * support with cantilevered pieces is shown schematically using the example of a single crystal as a measuring element. Here, the supports and the introduction of force are reversed compared to FIG. It is easy to show that this ά no change brings · χ relationships with them. By balancing weights 1,1 ', which can be shifted and locked in the recesses 2,2 * and thus change the moment with respect to the supports 3,3 * by changing the lever arm, a moment equilibrium left and right can be achieved by balancing the masses of the two supports 3, 3 ', so that in the ideal case no force is exerted on the single crystal 4 in the event of impact loads. Since, in the arrangement shown in FIG. 1, only slight changes in path occur due to the load on the measuring element in the direction of a large area moment of inertia, overload protection cannot be provided by a path-limiting stop. In the direction perpendicular to the plane of the drawing, however, the geometrical moment of inertia is generally much lower, so that when there is a shock load, the bending beams 5, 5 'of the single crystal cover corresponding paths that can be limited by stops 7, 7 *. The plan view of part Z of FIG. 2 shown in FIG. 2 a illustrates this. Thus, by combining a path limitation and a mass balance on the left and right of the supports 3, 3 ', an overall system that is insensitive to breakage can be implemented even with easily fragile measuring elements. In the practical execution one does not become the one in the pictures

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August Souter KG - 4 - September 19, 1973

dargestellten Schneidenlagerungen verwenden, sondern die Lagerung und Krafteinleitung über spezielle Federeleaente vornehmen* Use the cutting edge bearings shown here, but instead use special spring elements for the storage and application of forces *

Eine weitere Mögliche Belastungsanordnung nebst Biegeeoaentenverlauf ist in Fig. 3 dargestellt. Hier wird statt einer Kraft ein Hoaent H(x) eingeleitet. Bekanntlich ist der Biegemomentenverlauf M(x) dann Über der Biegebalkenkoordinate χ konstant, wenn das Moaent M. aa Auflager A und das Moment Μα« Auflager B gleich groß ist. Another possible loading arrangement, along with the course of the bending eoa is shown in FIG. 3. Instead of a force, a hoaent H (x) is introduced here. As is known, the bending moment curve is M (x) then constant over the bending beam coordinate χ if the Moaent M. aa support A and the moment Μα «support B are equal.

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Claims

Load cell with monocrystalline semiconductor material as a strain gauge on a freely resting bending beam with protruding beyond the support points of the bending beam Cantilever pieces, characterized in that each cantilever piece (ό, 6 *) has a counterweight outside the support (3.3 *) (1,1 *) is assigned.

2. Load cell with monocrystalline semiconductor material as a strain gauge according to claim 1, characterized in that each balance weight (1,1 ') in the horizontal direction is arranged displaceably.

3. Load cell with monocrystalline semiconductor material as a strain gauge according to claims 1 and 2, characterized in that travel-limiting stop pieces (7.7 *) are provided for the bending beam (5.5 *).

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