DE3220412A1

DE3220412A1 - Sensor measurement spring with triple bending beam

Info

Publication number: DE3220412A1
Application number: DE19823220412
Authority: DE
Inventors: Klaus 6087 Büttelborn Thiessen
Original assignee: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 1982-05-29
Filing date: 1982-05-29
Publication date: 1983-12-01

Abstract

The invention describes a sensor with a triple bending beam. The middle bending beam has the greatest cross-section, so that it essentially determines the spring rate or the characteristic frequency of the sensor. The strain gauges are fitted to the upper or lower bending beam of the triple bending beam. The sensor according to the invention makes it possible, especially in an acceleration sensor, either to increase the output signal of the sensor considerably or, if the output signals remain the same, to increase the characteristic frequency of the sensor considerably. A sensor according to the invention is hence particularly suitable for accelerometers. <IMAGE>

Description

Aufnehmer-Meßfeder mit Dreifach-BiegebalkenSensor measuring spring with triple bending beam

Die Erfindung betrifft eine Aufnehmer-Meßfeder, ausgebildet 215 Dreifach-Biegebalken, für Dehnungsmeßstreifen-Applikation, dessen Biegebalken relativ zur Wirkungsrichtung der aufzunehmenden Größe, beispielsweise einer Beschleunigung, übereinander angeordnet sind. Solche Meßfedern werden beispielsweise für Kraft-, Weg- oder Beschleunigungsaufnehmer verwendet.The invention relates to a transducer measuring spring, designed 215 triple bending beams, for strain gauge application, its bending beam relative to the direction of action the size to be recorded, for example an acceleration, arranged one above the other are. Such measuring springs are used, for example, for force, displacement or acceleration sensors used.

Ein derartiger Aufnehmer ist als Kraftaufnehmer aus der US-PS 4 146 100 bekannt. Die Dehnungsmeßstsifen sind dort auf dem die Federkonstante bestimmenden mittleren Biegebalken appliziert. Diese Anordnung dient dazu, daß die Dehnungsmeßstreifen lediglich die vertikale Last erfassen.Such a transducer is known as a force transducer from US Pat. No. 4,146 100 known. The strain gauges are there on the one that determines the spring constant central bending beam applied. This arrangement is used to keep the strain gauges only record the vertical load.

Die äußeren Biegebalken dienen nicht zu Meßzwecken, sondern nehmen lediglich die horizontalen Komponenten der Last bzw. die Torsion auf. Desweiteren sind aus der US-PS 3 477 295, der DE-AS 1 447 995 und der DE-OS 1 698 644 Biegebalken bekannt, die Einkerbungen in ihrer Mitte aufweisen, an denen die Dehnungen am größten sind. Über diesen Einkerbungen sind Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen angeordnet, die die Dehnungen des Biegebalkens in elektrische Signale umsetzen. Diese Biegebalken weisen ebenfalls ein günstiges Verhältnis der Meßfeder-Eigenfrequenz zum Kennwert auf. Nachteilig ist hier jedoch die Unmöglichkeit, Folien-, Dünnfilm- oder Draht-Dehnungsmeßstreifen zu verwenden. Auch führt die Anbringung über Luft bei trägerlosen Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen, wie sie z.B.The outer bending beams are not used for measuring purposes, but take only the horizontal components of the load or the torsion. Further are from US-PS 3,477,295, DE-AS 1 447 995 and DE-OS 1 698 644 bending beams known to have notches in their center where the elongations are greatest are. Semiconductor strain gauges are arranged above these notches convert the expansion of the bending beam into electrical signals. These bending beams also have a favorable ratio of the measuring spring natural frequency to the characteristic value on. However, the disadvantage here is the impossibility of using foil, thin-film or wire strain gauges to use. Attachment via air also leads to carrierless semiconductor strain gauges, as they e.g.

bei Beschleunigungsaufnehmern typisch sind, zu einer unvertretbar großen Ausschußquote bei der Serienfertigung.are typical for accelerometers, to an unacceptable level large reject rate in series production.

Weiterhin ist aus der US-PS 2 666 262 eine Anordnung zur Bestimmung sehr kleiner Kräfte bekannt, bei welcher oberhalb und unterhalb (in Kraftrichtung gesehen) eines Biege- balkens zwei vorgespannte, stark verformte Blattfedern mit Dehnungsmeßstreifen angebracht sind. Diese Blattfedern sind über Pfanne-Schneide-Anordnungen an ihren Enden in quer zum Biegebalken angeordneten Traversen gelagert. Eine derartige Anordnung ist von der Funktionsweise her nicht mit einem.Furthermore, US Pat. No. 2,666,262 discloses an arrangement for determining very small forces are known, at which above and below (in the direction of force seen) of a bending balkens two prestressed, heavily deformed Leaf springs with strain gauges are attached. These leaf springs are over Pan-cutting arrangements at their ends in transverse to the bending beam Trusses stored. Such an arrangement is not functional with a.

Dreifach-Biegebalken vergleichbar.Triple bending beam comparable.

Demgegenüber ist die Aufgabe der Erfindung eine Aufnehmer-Meßfeder mit Dreifach-Biegebalken zu schaffen, die ein günstiges Verhältnis der Eigenfrequenz der Meßfeder zum Kennwert aufweist und gleichzeitig die Nachteile der bekannten Meßfedern vermeidet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dehnungsmeßstreifen auf äußeren Biegebalken appliziert sind. Werden die Dehnungsmeßstreifen in bekannter Weise zu einer Wheatstone'schen Brücke verschaltet, so ist es besonders vorteilhaft, wenn die Dehnungsmeßstreifen.auf beiden äußeren Biegebalken appliziert sind, da sich auf diese Weise die Absolutwerte der Signale der Dehnungsmeßstreifen addieren. Sind die äußeren Biegebalken schmaler als der mittlere Biegebalken, so st die Beeinflussung der Federrate durch die äußeren Biegebalken besonders gering.In contrast, the object of the invention is a transducer measuring spring with triple bending beams to create a favorable ratio of the natural frequency the measuring spring has the characteristic value and at the same time the disadvantages of the known Avoids measuring springs. This object is achieved in that the Strain gauges are applied to the outer bending beam. Will the strain gauges interconnected in a known way to form a Wheatstone bridge, so it is special advantageous if the strain gauges are applied to both outer bending beams because in this way the absolute values of the signals of the strain gauges add. If the outer bending beam is narrower than the middle bending beam, so The influence of the spring rate by the outer bending beam is particularly low.

Derartige Aufnehmer sind besonders geeignet für Aufgaben, bei welchen keine Torsion des Aufnehmers auftritt, insbesondere z.B. für Beschleunigungsaufnehmer.Such sensors are particularly suitable for tasks in which no torsion of the transducer occurs, especially e.g. for acceleration transducers.

Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei die Fig. 1 einen Aufnehmer in Seitenansicht zeigt und die Fig. 2 einen Aufnehmer in Draufsicht. Der Aufnehmer 1 wird aus einem Profil eines geeigneten Materials, beispielsweise Edelstahl, hergestellt. Dabei wird das Profil derartig erodiert oder geräumt oder gebohrt, daß ein mittlerer Bigebalken 2 sowie ein oberer und ein unterer Biegebalken 3 und 4 sowie ein Einleitungsstück 1o stehen bleiben. Der Querschnitt des mittleren Biege- balkens 2 ist erheblich größer als der Querschnitt des oberen und unteren Biegebalkens 3 und 4. Darüberhinaus sind die oberen und unteren Biegebalken 3 und 4 erheblich schmaler als der mittlere Biegebalken 2, so daß die Eigenfrequenz des Aufnehmers im wesentlichen durch die Eigenfrequenz des mittleren Biegebalkens 2 gegeben ist. An den Außenseiten des oberen Biegebalkens 3 und des unteren Biegebalkens 4 sind Dehnungsmeßstreifen 6 und 7 appliziert. Falls der Aufnehmer nicht wie dargestellt mit einer Halbbrücke bestückt ist, sondern mit einer Vollbrücke, werden in an sich bekannter Weise vier Dehnungsmeßstreifen appliziert. Eine Kraft wird auf das Einleitungsstück lo in Pfeilrichtung eingeleitet. Die Dehnungsmeßstreifen 6 und 7 messen die Biegung des oberen bzw. unteren Biegebalkens 3 bzw. 4. Da der Abstand dieser Biegebalken von der neutralen Achse erheblich größer ist, als die obere bzw. untere Fläche des mittleren Biegebalkens 2, ist das Ausgangssignal des Dehnungsmeßstreifens 3 bzw. 4 bei sonst gleichbleibenden Bedingungen erheblich größer, als bei Applikation der Dehnungsmeßstreifen auf dem mittleren Biegebalken 2. Ebenso ist es aber auch möglich, bei nicht zu hohen Anforderungen an das Ausgangssignal einen Biegebalken mit höherer Eigenfrequenz zu schaffen.The figures show exemplary embodiments of the invention, FIG. 1 shows a transducer in side view and FIG. 2 shows a transducer in plan view. The transducer 1 is made of a profile of a suitable material, for example Stainless steel. In this way, the profile is eroded or cleared or drilled that a middle big beam 2 as well as an upper and a lower bending beam 3 and 4 as well as an introductory piece 1o remain. The cross section of the middle Bending bar 2 is considerably larger than the cross-section of the upper one and lower bending beams 3 and 4. In addition, the upper and lower bending beams are 3 and 4 considerably narrower than the middle bending beam 2, so that the natural frequency of the transducer essentially through the natural frequency of the central bending beam 2 is given. On the outside of the upper bending beam 3 and the lower bending beam 4 strain gauges 6 and 7 are applied. If the transducer is not as shown is equipped with a half bridge, but with a full bridge, are in themselves as is known, four strain gauges are applied. A force is applied to the introductory piece lo initiated in the direction of the arrow. The strain gauges 6 and 7 measure the bending of the upper or lower bending beam 3 or 4. Since the distance between these bending beams from the neutral axis is considerably larger than the upper or lower surface of the middle bending beam 2, is the output signal of the strain gauge 3 resp. 4 with otherwise constant conditions considerably larger than when applying the Strain gauges on the middle bending beam 2. It is also possible, however, to if the requirements placed on the output signal are not too high, use a bending beam with a higher level To create natural frequency.

Diese Anforderungen, einen Aufnehmer hoher Eigenfrequenz zu bauen, der gleichzeitig keine Torsionen aufnehmen muß, sind insbesondere bei Aufnehmern für Beschleunigungsmesser gegeben, bei denen am Einleitungsstück lo eine träge Masse angebracht ist. Hierbei kann es sowohl vorteilhaft sein, ein höheres Ausgangssignal zu erreichen, als auch eine höhere Eigenfrequenz des Aufnehmers zu wählen.These requirements to build a transducer with a high natural frequency which does not have to absorb any torsions at the same time, are particularly important in the case of transducers given for accelerometers where the introducer lo has an inertial mass is appropriate. It can be advantageous to use a higher output signal to achieve, as well as to choose a higher natural frequency of the transducer.

Claims

Sensor measuring spring with triple bending beam Patent claims: (1.I Transducer measuring spring, designed as a triple bending beam, for strain gauge application, its bending beam relative to the direction of action of the size to be recorded, for example an acceleration, are arranged one above the other, characterized in that the lower and the upper bending beam each have a smaller diameter than the middle one Has bending beam.

2. transducer measuring spring according to claim 1, characterized in that the lower and the upper bending beam each have a smaller section modulus nis the has medium bending beam.

3. transducer measuring spring according to claim 1 or 2, characterized in that that the respective thickness of the upper and lower bending beam is less than that of the middle Bearing bar.

4. transducer measuring spring according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the respective width of the upper and lower bending beam is smaller than that of the middle bending beam.

5. transducer measuring spring according to one of claims 1 to 4, characterized in that that strain gauges are applied to one of the outer bending beams.

6. transducer measuring spring according to one of claims 1 to 4, characterized in that that both outer bending beams are applied with strain gauges that lead to one Wheatstone bridge are interconnected.