DE2510545A1 - Electronic load cell - with deformable gallium phosphide monocrystal between light emitting diode, polarizer/analyzer filters and photodiode - Google Patents
Electronic load cell - with deformable gallium phosphide monocrystal between light emitting diode, polarizer/analyzer filters and photodiodeInfo
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Abstract
Description
Kraft-Meßeinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraft-Meßeinrichtung mit einem Verformungskörper.Force measuring device The invention relates to a force measuring device with a deformation body.
Die Umformung einer mechanischen Kraft, insbesondere einer Druckkraft, in eine analoge elektrische Meßgröße ist für viele Meß-und Regelaufgaben von wesentlicher Bedeutung. Bekannte Kraft-Meßeinrichtungen haben nur eine verhältnismäßig geringe Empfindlichkeit octer ihre Herstellung erfordert einen großen Aufwand.The transformation of a mechanical force, in particular a compressive force, An analog electrical measured variable is essential for many measurement and control tasks Meaning. Known force measuring devices have only a relatively small one Sensitivity octer their production requires a great deal of effort.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraft-Meßeinrichtung mit einem eWekt-rc!nischen Meßumfurrnr zu schaffen, der ohne großen Verstärkungsaufwar4 ein-hinreichend große Signalspannung liefert.The invention is based on the object of a force measuring device to create with an eWekt-rc! nischen measuring scope, which was without great amplification4 a-supplies a sufficiently large signal voltage.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein plattenförmiger Verformungskörper, auf den in seiner Längsrichtung die zu messende Kraft einwirkt und der auf beiden Flachseiten Jeweils mit einem Polarisationsfilter versehen ist, zwischen einer Lumineszenzdiode und einem Strahlungsempfänger mit einem Silizium-Halbleiterkörper derart angeordnet ist, daß die Strahlung nacheinander durch das erste als Polarisator wirkende Filter, durch den Verformungskörper und durch das zweite als Analysator wirkende Polarisationsfilter hindurchtritt und dann auf den Strahlungsempfänger trifft. Der Verformungskörper kann vorzugsweise aus einkristallinem Galliumphosphid GaP bestehen. Ferner ist auch Galliumarsenid geeignet. Mit der Krafteinwirkung auf den Verformungskörper wird die Polarisationsebene der Strahlung gedreht und dadurch das Ausgangssignal des Strahlungsempfängers entsprechend geändert. Mit der Spannungspolarisation wird somit die Änderung der Krafteinwirkung in eine entsprechende minderung der elektrischen Größe umgeformt.This object is achieved according to the invention in that a plate-shaped Deformation body on which the force to be measured acts in its longitudinal direction and which is provided with a polarization filter on both flat sides, between a light emitting diode and a radiation receiver with a silicon semiconductor body is arranged such that the radiation successively through the first as a polarizer acting filter, through the deformation body and through the second as an analyzer acting polarization filter passes and then on the radiation receiver meets. The deformation body can preferably be made of monocrystalline gallium phosphide GaP exist. Gallium arsenide is also suitable. With the force acting on the deformation body is rotated and thereby the polarization plane of the radiation the output signal of the radiation receiver accordingly changed. With the voltage polarization, the change in the effect of the force becomes a corresponding reduction of the electrical quantity is transformed.
Zur Stromversorgung der Lumineszenzdiode kann zweckmäßig ein Frequenzgenerator vorgesehen sein. Das entsprechend pulsierende Ausgangssignal des Strahlungsempfängers wird dann zweckmäßig über einen Verstärker und einen phasengesteuerten Gleichrichter, dem vorzugsweise noch ein Integrierglied nachgeschaltet sein kann, dem Ausgang der Gesamtanordnung zugeführt.A frequency generator can expediently be used to supply power to the luminescent diode be provided. The corresponding pulsating output signal from the radiation receiver is then expediently via an amplifier and a phase-controlled rectifier, which can preferably be followed by an integrator, the output of the Entire arrangement fed.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen. In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Meßkopfes der Kraft-Meßeinrichtung nach der Erfindung in einem Längsschnitt veranschaulicht. In Figur 2 ist der Meßkopf nach Figur 1 in einem Querschnitt dargestellt. Figur 3 zeigt ein AusSührungsbeispiel einer Elektronik für eine Kraft-Meßeinrichtung nach der Erfindung.To further explain the invention, reference is made to the drawing taken. In Figure 1 is an embodiment of a measuring head of the force measuring device illustrated according to the invention in a longitudinal section. In Figure 2 is the measuring head shown according to Figure 1 in a cross section. Figure 3 shows an embodiment an electronics for a force measuring device according to the invention.
Nach Figur 1 ist ein senkrecht an?g? dneter, plattenförmiger Verformungskörper 2, der vozugswe1.e aus einkristallinem Galliumphosphid bestehen kann, waschen zwei PolarisationsSiltern angeordnet, von denen ein Filter als Polarisator 4 und das andere als Analysator 6 für die Strahlung einer Lumineszenzdiode 8 dient, deren Kristall mit 9 und deren Glaskörner mit 10 bezeichnet sind.According to FIG. 1, a perpendicular to? G? thin, plate-shaped deformation body 2, which can preferably consist of single crystal gallium phosphide, wash two Polarization filters arranged, of which a filter as a polarizer 4 and the other as an analyzer 6 for the radiation of a light emitting diode 8, whose Crystal with 9 and the glass grains with 10 are designated.
Die elektrischen Anschlußleiter der Lumineszenzdiode 8 sind in der Figur mit II bzw. 12 bezeichnet. Auf der gegenüberliegenden Flachseite des Verformungskörpers 9 ist ein Strahlungsempfänger 14 mit einem Silizium-Halbleiterkörper angeordnet, der mit einem elektrischen Anschlußleiter 15 versehen ist, dessen Isolation in der Figur mit 16 bezeichnet ist. In gleicher Weise ist der Anschlußleiter 12 mit einem Isolationskörper 13 versehen. Der elektrische Anschlußleiter 11 der Lumineszenzdiode 8 sowie ein in der Figur nicht dargestellter zweiter elektrischer Anschlußleiter für den Strahlungsempfänger 14 können zweckmäßig auf Nullpotential liegen, beispielsweise mit dem Gehäuse des Meßkopfes verbunden sein.The electrical connection conductors of the light emitting diode 8 are in the Figure labeled II and 12, respectively. On the opposite flat side of the deformation body 9 a radiation receiver 14 is arranged with a silicon semiconductor body, which is provided with an electrical connection conductor 15, the insulation of which in the Figure is designated by 16. In the same way, the connection conductor 12 is with a Insulation body 13 is provided. The electrical connection conductor 11 of the light emitting diode 8 and a second electrical connection conductor, not shown in the figure for the radiation receiver 14 can expediently be at zero potential, for example be connected to the housing of the measuring head.
Ein als Stempel gestalteter Druckkörper 20 überträgt eine Kraft, deren Richtung in der Figur durch Pfeile 21 angedeutet ist, auf den Verformungskörper 2. Ein Fortsatz des Druckkörpers 20 ist in einer entsprechenden Bohrung eines Justierkörpers 22 in der Kraftrichtung beweglich gelagert. Das aus Verformungskörper 2, Polarisator 4, Analysator 6 und der Lumineszenzdiode 8 sowie dem Strahlungsempfänger 14 bestehende Wandlersystem kann zweckmäßig von einem selbsthärtenden Kunststoff umgeben, beispielsweise in Gießharz eingeschlossen sein.A designed as a stamp pressure body 20 transmits a force whose Direction indicated in the figure by arrows 21 on the deformation body 2. An extension of the pressure body 20 is in a corresponding bore of an adjustment body 22 mounted movably in the direction of force. That from deformation body 2, polarizer 4, analyzer 6 and the light emitting diode 8 and the radiation receiver 14 existing The transducer system can expediently be surrounded by a self-hardening plastic, for example be enclosed in cast resin.
Die Anordnung der Lumineszenzdiode 8, des Polarisators 4, des Verformungskörpers 2 und des Analysators 6 sowie des Strahlungsempfängers 14 im Justierkörper 22 und dem Gehäuse 18 ist aus Figur 2 zu entnehmen. Für den Aufbau des Meßkopfes können serienmäßige optoelektronische Bauelemente verwendet werden. Durch seine geringe Ausdehnung hat der Meßkopf eine entsprechend große mechanische Stabilität. Der Durchmesser D des Meßkopfes kann beispielsweise 9 mm und die Höhe Ii ann beisie'-sweise nur etwa 12 wm betragen. Durch-diese geringen Abmessungen wird der Einbau des Meßkopfes in mechanisch beansprus'ate Teile einer Anlage entsprechend erleichtert.The arrangement of the light emitting diode 8, the polarizer 4, the deformation body 2 and the analyzer 6 and the radiation receiver 14 in the adjustment body 22 and the housing 18 can be seen from FIG. For the construction of the measuring head you can Standard optoelectronic components are used. Because of its low Expansion, the measuring head has a correspondingly high mechanical stability. The diameter D of the measuring head can, for example, be 9 mm and the height Ii can only be be about 12 wm. Due to these small dimensions, the installation of the measuring head accordingly facilitated in mechanically stressed parts of a system.
In der Ausführungsform einer Elektronik für die Kraftmeßeinrichtung ist die Lumineszenzdiode 8 an einen Frequenzgenerat,or 30 angeschlossen, der vorzugsweise ein Rechteckgenerator sein kann. Dieser Rechteckgenerator speist die Lumineszenzdiode 8 mit einer Frequenz von beispielsweise 1 kHz und die Lumineszenzdiode 8 blinkt mit dieser Frequenz. Sie sendet eine Strahlung mit größerer Emissionswellenlänge als die Wellenlänge der Absorptionskante des Verformungskörpers 2 ab, der als Meßkristall dient. Das Material des Verformungskörpers 2 ist im spannungsfreien Zustand optisch inaktiv, d. h. es verändert den Polarisationszustand und damit die Schwingungsrichtung der aus dem Polarisator 4 austretenden Strahlung nicht. Ein einseitiger Druck, der beispielsweise von einer Membran 32 übertragen werden kann, erzeugt im Kristall des Verformungskörpers eine anisotrope Deformation, die eine Spannungspolarisation erzeugt. Die Schwingungsrichtung der aus dem Verformungskörper 2 austretenden und auf den Analysator 6 auftreffenden Strahlung ist somit gedreht. Der Analysator 6 ist im spannungsfreien Zustand des Verformungskörpers 2 auf Dunkelheit eingestellt. Die Drehung der Polarisationsebene durch Krafteinwirkung auf den Verformungskörper 2 bewirkt im Analysator 6 eine entsprechende Aufhellung, die vom Strahlungsempfänger 14 entsprechend registriert wird.In the embodiment of electronics for the force measuring device the light emitting diode 8 is connected to a frequency generator, or 30, which is preferably can be a square wave generator. This square wave generator feeds the light emitting diode 8 with a frequency of 1 kHz, for example, and the light-emitting diode 8 flashes with this frequency. It sends radiation with a longer emission wavelength as the wavelength of the absorption edge of the deformation body 2, which is used as a measuring crystal serves. The material of the deformation body 2 is optical in the stress-free state inactive, d. H. it changes the state of polarization and thus the direction of oscillation of the radiation emerging from the polarizer 4. A one-sided print that for example, can be transmitted from a membrane 32, generated in the crystal of the deformation body an anisotropic deformation, which is a stress polarization generated. The direction of vibration of the Deformation body 2 radiation emitted and impinging on the analyzer 6 is thus rotated. The analyzer 6 is in the stress-free state of the deformation body 2 in darkness set. The rotation of the plane of polarization due to the action of force on the deformation body 2 causes a corresponding brightening in the analyzer 6, that of the radiation receiver 14 is registered accordingly.
Das Ausgangssignal des Strahlungsempfängers 14, dem zweckmäßig zur Temperaturkompensation ein Heißleiter 24 zugeordnet sein kann, wird in einer nachgeschalteten Elektronik zweckmäßig verstärkt, anschließend gleichgerichtet und dem Ausgang der Anordnung zugeführt, dessen Klemme in der Figur mit 40 bezeichnet ist.The output signal of the radiation receiver 14, which is useful for Temperature compensation a thermistor 24 can be assigned, is in a downstream Electronics appropriately amplified, then rectified and the output of the Arrangement supplied, the terminal of which is denoted by 40 in the figure.
Zur Verstärkung des Ausgangssignals des Strahlungsempfängers 14 kann zweckmäßig ein Operationsverstärker 34 vorgesehen sein, der als Differenzierer beschaltet ist. Eine Eingangskapazität des Verstärkers 34 ist mit 35 und sein Ruckkopplungswiderstand ist mit 36 bezeichnet. Der Verstärker 4 gibt die Wechselspanriungskomponente an einen vom Hohfrequenzgenerator 30 phasengesteuerten Gleichrichter 37 ab, der as Demodulater dient, Das demodulierte Signal kann zweckmäßig noch über ein Glättungsglied dem Eingang 40 zugeführt werden. Das Glattungsglied soll bei spielsweise aus einer RC-Kombination mit einem Widerstand 38 und einer Kapazität 39 bestehen. Ein Vorwiderstand des Verstärkers 34 ist in der Figur mit 33 bezeichnet. Zwischen einer Eingangsklemme 31 und einem in der Figur nicht näher bezeichneten Nullpotential kann eine Eingangsspannung Uv von beispielsweise 12 V angelegt sein.To amplify the output signal of the radiation receiver 14 can expediently an operational amplifier 34 can be provided, which is wired as a differentiator is. An input capacitance of the amplifier 34 is 35 and its feedback resistance is denoted by 36. The amplifier 4 indicates the AC voltage component a phase-controlled rectifier 37 from the high frequency generator 30, which as The demodulator is used, the demodulated signal can expediently also via a smoothing element the input 40 are fed. The smoothing element should consist of one, for example RC combination with a resistor 38 and a capacitance 39 exist. A series resistor of amplifier 34 is denoted by 33 in the figure. Between an input terminal 31 and a zero potential (not shown in more detail in the figure) can be an input voltage Uv of, for example, 12 V must be applied.
Mit der Krafteinwirkung auf den Verformungskörper 2 des Kraft-Meßumformers, dessen Einzelteile in der Figur in einem gestrichelten Rahmen enthalten sind und der in der praktischen AusfUhrungsform von der übrigen Elektronik getrennt sein kann, ändert sich die Intensität der vom Strahlungsempfänger 14 empfangenen Strahlung. Dementsprechend ändert der Strahlungsempfänger 14 sein Ausgangssignal und bewirkt damit eine entsprechende Änderung der Ausgangsspannung UA der Gesamtanordnung.With the force acting on the deformation body 2 of the force transducer, the individual parts of which are contained in the figure in a dashed frame and which in the practical embodiment can be separated from the rest of the electronics can, the intensity of the radiation received by the radiation receiver 14 changes. Accordingly, the radiation receiver 14 changes its output signal and effects thus a corresponding change in the output voltage UA of the overall arrangement.
4 Patentansprüche 3 Figuren4 claims 3 figures
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0067683A1 (en) * | 1981-06-12 | 1982-12-22 | Kabushiki Kaisha Meidensha | Electric field detector |
-
1975
- 1975-03-11 DE DE19752510545 patent/DE2510545A1/en active Pending
Cited By (2)
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| EP0067683A1 (en) * | 1981-06-12 | 1982-12-22 | Kabushiki Kaisha Meidensha | Electric field detector |
| US4510441A (en) * | 1981-06-12 | 1985-04-09 | Kabushiki Kaishi Meidensha | Electric field detector |
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