DE2347545B2

DE2347545B2 -

Info

Publication number: DE2347545B2
Application number: DE19732347545
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl.-Ing. 6900 Heidelberg Bretschi
Original assignee: August Sauter 7470 Albstadt GmbH
Current assignee: August Sauter 7470 Albstadt GmbH
Priority date: 1973-09-21
Filing date: 1973-09-21
Publication date: 1980-10-16
Also published as: DE2347545A1; CH567258A5; DE2347545C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßdose mit einkristallinem Halbleitermaterial als Dehnungsmeßstreifen zwischen den Auflagern und einem frei aufliegenden Biegebalken, der über die Auflagepunkte des Biegebalkens hinausragende Kragstücke aufweistThe invention relates to a load cell with monocrystalline semiconductor material as a strain gauge between the supports and a free-lying bending beam that extends over the support points of the bending beam protruding cantilever pieces

Kraftmeßdosen, in denen ein Halbleiter-Einkristall als Dehnungsmeßstreifen verwendet wird, sind bekannt Gegenüber einem 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 vorzügliche Kriech- und Hystereseeigenschaften besser ausnutzen kann, wenn gleichzeitig die Funktion eines Federelementes bzw. einer Meßfeder zu erfüllen istLoad cells in which a semiconductor single crystal is used as a strain gauge are known Compared to a conventional metal strain gauge, these have a considerably larger one Sensitivity and consequently deliver much larger output signals. Another benefit of such is due to the fact that their excellent creep and hysteresis properties can be better exploited can, if at the same time the function of a spring element or a measuring spring is to be fulfilled

Treten jedoch zusätzlich zu dem durch die Meßkraft bedingten konstanten Biegemoment, das auf einen solchen Dehnungsmeßstreifen aus einkristallinem Halbleiter ausgeübt wird, noch ungewünschte Zusatzbelastungen wie z.B. äußere Stoßbeanspruchungen auf, dann ist infolge der Sprödigkeit dieses Materials die Bruchgefahr sehr groß.However, in addition to the constant bending moment caused by the measuring force, which occurs on a such strain gauges made of single-crystal semiconductor is exerted, nor undesired additional loads such as external impact loads, then due to the brittleness of this material, the Very high risk of breakage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmeßdose mit einkristallinem Halbleitermaterial als Dehnungsmeßstreifen zu schaffen, bei dem die Bruchgefahr weitgehendst reduziert wird und gleichzeitig die von äußeren Stößen bewirkten Störkräfte eliminiert werden.The invention is based on the object of a load cell with monocrystalline semiconductor material as To create strain gauges in which the risk of breakage is largely reduced and at the same time the Interfering forces caused by external impacts are eliminated.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß erfindungsgemäß an jedem Kragstück außerhalb der Auflager ein Ausgleichsgewicht derart angeordnet und bemessen ist, daß durch eine Beschleunigung der Kraftmeßdose in Richtung der Hauptmeßkraft kein Drehmoment um die Auflager entstehtThis object is achieved in that, according to the invention, on each cantilever piece outside the support Balance weight is arranged and dimensioned such that by an acceleration of the load cell in In the direction of the main measuring force, there is no torque around the support

Verschiedene vorteilhafte Ausbildungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Various advantageous embodiments of the invention can be found in the subclaims.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigtEmbodiments of the invention are shown in the drawing and will be described in more detail below described. It shows

F i g. 1 schematic loading arrangement of a free

aufliegenden Trägers mit Kragstücken sowie den zugehörigen Biegemomentverlauf.overlying beam with cantilever pieces and the associated bending moment curve.

Fig.2 praktische Realisierung einer Kraftmeßdose mit frei aufliegendem Träger mit Kragstücken am Beispiel eines Einkristalls als Meßelement (schematisch). Fig. 2 practical implementation of a load cell with exposed support with cantilever pieces using the example of a single crystal as a measuring element (schematic).

F i g. 2a Draufsicht auf Teil Zder F i g. 2
F i g. 3 schematische Belastungsanordnung eines frei aufliegenden Trägers, der an den Enden von Momenten beansprucht wird, sowie den zugehörigen Biegemomentenverlauf. F i g. 2a top view of part Z of FIG. 2
F i g. 3 shows a schematic load arrangement of a freely resting beam, which is subjected to moments at the ends, as well as the associated bending moment curve.

Bei der in F i g. 1 schematisch dargestellten Belastungsanordnung handelt es sich um einen frei aufliegenden Träger mit gleich langen Kragstücken derIn the case of the in FIG. 1 schematically shown loading arrangement is a free one overlying beams with cantilever pieces of equal length

is Länge 1, die an beiden Enden von einer Kraft Pbelastet werden. Der Biegemomentenverlauf M(x) ist zwischen den beiden Auflagern M(x) = P-1 = const, somit im Mittel wesentlich größer als im Falle eines einseitig eingespannten Biegebalkens und dadurch günstig im Sinne eines großen Ausgangssignals, das dem Biegemoment proportional istis length 1, which are loaded by a force P at both ends. The bending moment curve M (x) is between the two supports M (x) = P-1 = const, thus on average much larger than in the case of a bending beam clamped on one side and therefore favorable in terms of a large output signal that is proportional to the bending moment

In Fig.2 ist eine Realisierungsmöglichkeit einer Kraftmeßdose mit frei aufliegendem Träger mit Kragstücken am Beispiel eines Einkristalls 4 als Meßelement schematisch dargestellt Hierbei sind die Auflager und die Krafteinleitung gegenüber F i g. 1 vertauscht Es läßt sich leicht zeigen, daß dies keine Veränderung der Verhältnisse mit Ausnahme eines Richtrngswechsels des Vorzeichens des Biegemomentes mit sich bringt Das Biegemoment M (x) ist über die ganze Länge des Einkristalls 4 bei Einwirkung der Kraft P konstant und damit in der Wirkung auf das Ausgangssignal größer als bei einseitig eingespanntem Einkristall 4, bei dem das Moment M(x) vom Einspannungsende bis zum Lastangriffspunkt auf den Wert Null abnimmt Durch Ausgleichsgewichte 1,Γ, 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 Momentgleichgewicht links und rechts der beiden Auflager 3, 3' erreichen, so daß Stoßbeanspruchungen, die neben der Meßkraft P die gesamte Kraftmeßdose (1 bis T) primär in Richtung der Hauptmeßkraft beschleunigen, auf den Einkristall 4 keine Wirkungen ausüben. Da bei der in F i g. 2 dargestellten Anordnung wegen der Belastung des Meßelementes 4 in Richtung eines großen Flächenträgheitsmomentes nur geringe Wegänderungen auftreten,In FIG. 2, a possibility of realizing a load cell with a freely resting support with cantilever pieces is shown schematically using the example of a single crystal 4 as a measuring element. 1 interchanged It can easily be shown that this does not result in any change in the conditions, with the exception of a change in direction of the sign of the bending moment.The bending moment M (x) is constant over the entire length of the single crystal 4 when the force P is applied and therefore its effect on the output signal greater than with a single crystal 4 clamped on one side, in which the moment M (x) decreases from the end of the clamping to the load application point to the value zero thus changing the moment with respect to the supports 3, 3 'by changing the lever arm, one can achieve a moment equilibrium on the left and right of the two supports 3, 3' by balancing the masses, so that impact loads which, in addition to the measuring force P, affect the entire load cell ( 1 to T) accelerate primarily in the direction of the main measuring force, have no effects on the single crystal 4. Since the in F i g. 2 arrangement shown because of the load on the measuring element 4 in the direction of a large area moment of inertia, only slight changes in path occur,

so 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, T begrenzen kann. Die in Fig.2 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 Ausführung wird man nicht die in den Abbildungen dargestellten Schneidenlagerungen verwenden, sondern die Lagerung und Krafteinleitung über spezielle Federelemente vornehmen.an overload protection cannot be provided by a limit stop. In the direction perpendicular to the plane of the drawing, however, the geometrical moment of inertia is generally much lower, so that when the bending beams 5, 5 'of the single crystal are subjected to a shock load, corresponding paths are covered which can be limited by stops 7, T. The top view of part Z of FIG. 2 shown in FIG. 2 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 achieved even with easily fragile measuring elements. In the practical version, you will not use the knife edge bearings shown in the figures, but instead use special spring elements for the bearing and the introduction of forces.

Eine weitere mögliche Belastungsanordnung nebst Biegemomentenverlauf ist in Fig.3 dargestellt. HierAnother possible load arrangement along with the bending moment curve is shown in FIG. here

wird statt einer Kraft ein Moment M(x) eingeleitet Bekanntlich ist der Biegemomenten verlauf M(x) dann über der Biegebalkenkoordinate χ konstant, wenn das Moment Ma am Auflager A und das Moment Mb am Auflager B gleich groß sind. a moment M (x) is introduced instead of a force It is well known that the bending moment M (x) is constant over the bending beam coordinate χ if the moment Ma on support A and the moment Mb on support B are equal.

1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Load cell with monocrystalline semiconductor material as a strain gauge between the Support on a free-lying bending beam, the top the two support points of the bending beam has protruding cantilever pieces, characterized in that on each cantilever piece (6, 6 ') a counterweight outside the support (3.3') (1,1 ') is arranged and dimensioned in such a way that an acceleration of the load cell (1—7 ') in the direction of the main measuring force there is no torque around the support (3, 3')

2. Load cell according to claim 1, characterized in that each balance weight (1, V) is arranged displaceably in the horizontal direction

3. Load cell according to claims 1 and 2, characterized in that, for the purpose of overload protection, travel-limiting stop pieces (7, T) are provided on the bending beam ends.