DE2347545C3

DE2347545C3 - Load cell

Info

Publication number: DE2347545C3
Application number: DE19732347545
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl.-Ing. 6900 Heidelberg Bretschi
Original assignee: August Sauter KG
Current assignee: August Sauter KG
Priority date: 1973-09-21
Filing date: 1973-09-21
Publication date: 1981-07-16
Also published as: DE2347545B2; CH567258A5; DE2347545A1

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, which 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 ist.Load cells in which a semiconductor single crystal is used as Strain gauges are used are known to a conventional strain gauge made of metal, these have a considerably greater sensitivity and consequently deliver significantly larger output signals. Another advantage of such is the fact that you can get their excellent Creep and hysteresis properties can be better exploited if at the same time the function of a spring element or a measuring spring is to be met.

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 B. external shock loads, then due to the brittleness of this material 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 entsteht.This 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.

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

Fig. 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.

F i g, 2 praktische Realisierung einer Kraftmeßdose mit frei aufliegendem Träger mit Kragstücken am Beispiel eines Einkristalls als Meßelement (schematisch). F i g, 2 practical implementation of a load cell with a free-lying support with cantilever pieces on the Example of a single crystal as a measuring element (schematic).

F t g. 2a Draufsicht auf Teil Zder F i g. 2
Fig.3 schematische Belastungsanordnung eines frei aufliegenden Trägers, der an den Enden von MomentenF t g. 2a top view of part Z of FIG. 2
Fig. 3 schematic load arrangement of a free-lying beam, which at the ends of moments

ίο beansprucht wird, sowie den zugehörigen Biegemomentenverlauf. ίο is stressed, 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 der Länge /, die an beiden Enden von einer Kraft P belastet werden. Der Biegemomentenverlauf M (x) ist zwischen den beiden Auflagern M(x) = P- I= 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 istIn the case of the in FIG. 1, the load arrangement shown schematically is a freely resting girder with cantilever pieces of the same length of length /, which are loaded by a force P at both ends. The bending moment curve M (x) is between the two supports M (x) = P- I = const, thus on average much larger than in the case of a cantilevered bending beam 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 sfch leicht zeigen, daß dies keine Veränderung der Verhältnisse mit Ausnahme eines Richtungswechsels 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 1,1', die beispielsweise in den Aussparungen 2, 2' verschoben und arretiert werden können und somit durch eine Änderung des Hebelarmes das Mofcfnt 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 Fig.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 change 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 to the output signal larger than that of one-sided clamped single crystal 4, in which the moment M (x) decreases from Einspannungsende to the load application point to the value zero ', for example, in the recesses 2, 2' can be moved and locked in place by counterweights 1.1 and thus by changing the lever arm to change the Mofcfnt with respect to the supports 3, 3 ', one can achieve a moment equilibrium to 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 in the arrangement shown in Figure 2 because of the load on the measuring element 4 in the direction of a large area moment of inertia, only small 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, S' des Einkristalls entsprechende Wege zurückgelegt herden, 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 linksoverload protection cannot be provided by a travel-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 the bending beams 5, S 'of the single crystal are subjected to a shock load, corresponding paths are covered which can be limited by stops 7, T. The plan view of part Z of FIG. 2 shown in FIG. 2 illustrates this. Thus, through the combination of a path limitation and a mass balance, it is on the left

μ 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.μ and on the right the support 3, 3 'even with easy To realize a break-insensitive overall system with fragile measuring elements. In the practical Execution one will not use the cutting edge bearings shown in the figures, but carry out the storage and application of force via special spring elements.

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. 3. here

tau einer Kraft ein Moment M(x) eingeleitet, ntlich ist der Biegernomentenverlauf M(x) dann er Biegebalkenkoordinate χ konstant, wenn das nt Ma am Auflager A und das Moment Mg am ;erfl gleich groß sind. A moment M (x) is introduced when a force is applied; the bending moment curve M (x) is then constant at the bending beam coordinate χ if the nt Ma at support A and the moment Mg at; erfl are equal.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Claims;

1. Load cell with monocrystalline semiconductor material as a strain gauge between the Support on a free-lying bending beam, which is over the two support points of the bending beam has protruding Kxagstück, thereby characterized that on each cantilever (6, 6 ') a balance weight 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 counterweight (1,1 ') 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.