DE4116826A1

DE4116826A1 - Ladungsverstaerker-anordnung

Info

Publication number: DE4116826A1
Application number: DE19914116826
Authority: DE
Inventors: Mario Giorgetta
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: KK Holding AG
Priority date: 1990-05-31
Filing date: 1991-05-23
Publication date: 1991-12-05
Also published as: CH681406A5

Description

Stand der Technik

In der Piezomeßtechnik werden Sensoren auf Quarzbasis ver wendet, die eine der zu messenden mechanischen Größe propor tionale Ladung abgeben. Die Umwandlung dieser Ladung in eine für die weitere Signalverarbeitung erforderliche Spannung oder in einen Strom geschieht mittels eines sog. Ladungsverstär kers. Solche Ladungsverstärker sind seit über zwanzig Jahren erfolgreich in Anwendung. Für Laboranwendungen sind dies elektronische Geräte, die eine Reihe von Zusatzfunktionen in einem universellen Gerät vereinigen. So können verschiedene Ladungs-Bereiche von 10 pC...1 µC eingestellt werden um standar disierten Spannungsausgang von z. B. 0 . . . 10 V oder Current Loop 0 . . . 20 mA etc. zu erhalten. Ferner können verschiedene Ein gangs- und Ausgangsfilter eingestellt werden etc. Handelsübli che Geräte dieser Art weisen ein Volumen von 1-2 dm³ auf und Gewichte von über 1 kg.

Für industrielle Anwendungen sind vereinfachte und voll was serdichte Geräte im Handel, die wohl wesentlich kleiner und leichter, jedoch immer noch zu groß sind, um in industriellen Sensoren direkt eingebaut zu werden.

Ebenfalls seit über zwanzig Jahren sind Impedanzwandler in Hybridtechnik auf dem Markt, die vor allem in piezoelektri schen Beschleunigungsaufnehmern Anwendung gefunden haben und nur dynamische Signale übertragen können. Unter der Handels marke "Piezotron" sind solche Geräte in der Fachliteratur beschrieben worden.

Für die piezoelektrische Kraftmessung, wo zwecks statischer Kalibriermöglichkeit quasistatischer Meßbetrieb sowie die Möglichkeit zur Nullung des Meßwertes Voraussetzung sind, können derartige Impedanzwandler nicht verwendet werden.

Ziel der Erfindung ist es deshalb, Ladungsverstärker in Hy bridform soweit zu verkleinern, daß sie vor allem in piezo elektrische Kraftsensoren eingebaut werden können. Damit sind hochisolierende Kabelverbindungen zwischen Sensor und Ladungs verstärker nach außen nicht mehr nötig; es können normale, billige Kabel und Stecker verwendet werden. Vor allem in industriellen Anwendungen haben sich die hochisolierenden Kabelverbindungen und deren Stecker als störanfällige und teure Komponenten erwiesen.

Die Lösung der Aufgabe, die komplexe Schaltungsanordnung der handelsüblichen Ladungsverstärker zu verkleinern besteht nun erfindungsgemäß in der Auflösung der Gesamtschaltung in ein zelne Module in Hybridtechnik, die auf einfache Weise für die verschiedensten industriellen Anforderungen zusammengestellt und geschaltet werden können und immer noch eine sehr kompakte Bauform bieten, welche den Einbau in Kraftsensoren möglich macht.

Erfindungsgemäß wird die Ladungsverstärkungsschaltung aufgeteilt in:
Speisespannungsmodul S,
Ladungsverstärkermodul L,
Bereichsumschaltermodul B,
Filtermodul F,
Fernsteuermodul etc. R.

Alle diese Module können z. B. in Hybridtechnik auf Keramik Substraten aufgebaut werden, z. B. in der Standardgröße 0.5 inch/1.5 inch bei einer Bauhöhe von ca. 3 mm. Es sind aber auch andere Techniken möglich.

Auf Details der Schaltungstechnik soll nicht näher eingegangen werden, da solche Schaltungen in der Fachliteratur bekannt ge macht wurden.

Erfindungsgemäß von Bedeutung ist die Schaltungsunterteilung auf verschiedene Module, deren Verbindungs-Anordnungen und de ren Kombinationsmöglichkeiten unter Wahrung der kompaktesten Einbauform. Das modulare Prinzip mit den erfindungsgemäßen Verbindungselementen, die so angeordnet sind, daß sie stapel bar im Huckepacksystem auf geringsten Komponentenabstand aus gerichtet sind, ergibt ein Minimalpaket, das z. B. direkt mit den Elektroden der piezoelektrischen Sensoren verbunden mit in das Sensorgehäuse integriert werden kann. Das Modular-System kann aber auch auf Standard-Printkarte flächenweise angeordnet werden. Der Gedanke der Erfindung soll an den folgenden Figu ren erläutert werden:

Fig. 1 zeigt ein Ladungsverstärkermodul als Beispiel,

Fig. 2 zeigt ein Beispiel der Verbindungstechnik zweier Module,

Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel der Verbindungstechnik dreier Module,

Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel der Verbindungstechnik dreier Module,

Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines Speisespannungsmoduls S,

Fig. 6 zeigt ein Beispiel eines Ladungsverstärkermoduls L,

Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines Bereichsumschaltermoduls B,

Fig. 8 zeigt ein Beispiel eines Filtermoduls F,

Fig. 9 zeigt ein Beispiel eines Fernsteuermoduls R,

Fig. 10 zeigt eine Huckepack-Gruppe für eine Einkanal- Anordnung,

Fig. 11 zeigt eine Huckepack-Anordnung für eine 3-Kanal- Anordnung,

Fig. 12 zeigt eine Huckepack-Anordnung für eine komplexe fern gesteuerte 1-Kanal-Anordnung,

Fig. 13 zeigt eine Steckkarte mit montierten Modulen,

Fig. 14 zeigt eine dichte industrielle Version von auf Printkarte angeordneten Modulen.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ladungsverstärkermodul mit den Anschlußkontakten. Es besteht aus dem Keramiksubstrat 1, auf dem die Halbleiter, Widerstände und Kapazitäten nach bekannter Bauart angeordnet, aber nicht gezeigt sind. Ledig lich die Auflötkomponenten 2 sind skizziert.

Von Bedeutung sind die Anordnungen der Lötkontakte 3, die so wohl Montage der Module auf normaler Elektronik-Printkarte er möglicht, wie auch Anordnungen in Huckepack gestatten.

Fig. 2 zeigt ein Detail der Verbindungstechnik von zwei Modu len in Huckepack-Anordnung. Die Anschlußstellen auf dem Kera miksubstrat 1 sind mit Kontaktklammern 4 verlötet, die je nach Anwendung mit verschieden langen Kontaktstäbchen 5 verbunden sind. Je nachdem ob Mehrfach-Huckepack-Anordnung vorgesehen ist, können die Kontaktstäbchen 5 durch Kürzen angepaßt werden.

Fig. 3 zeigt eine Huckepackvariante mit handelsüblichen Kon taktelementen 7. Diese sind mit Kontaktschlitzen 6 versehen, die mit den Kontaktelementen 7 verlötet werden.

Fig. 4 zeigt eine weitere Huckepackvariante, deren Kontakt klammer 4 mit Kontaktösen 10 verbunden sind, die mit Kontakt stiften 11 versehen sind.

Die Fig. 5...9 zeigen eine Modulsammlung von Elementen, die alle um den Hauptbaustein, den Ladungsverstärker Fig. 1 und Fig. 6 angeordnet und alle von gleicher Größe sind. Fig. 5 zeigt den Speisemodul S, der in der Lage ist, von einer uni polaren, unstabilisierten Eingangs-Spannung eine Reihe von Ladungsverstärkermodulen L und Zubehörmodulen B, F, R mit der erforderlichen stabilisierten bipolaren Speisespannung zu versorgen. Vorzugsweise an zwei Endflächen sind die Lötan schlüsse 12, 13 angebracht, die nach einem codierten System so angeordnet sind, daß Huckepacksysteme nach ausgewählten An ordnungen möglich wird.

Fig. 6 zeigt das Ladungsverstärkermodul L, welches den Kern der Module darstellt. Die Lötanschlüsse 12, 13 sind wiederum so codiert, daß einfache Huckepackanordnungen möglich werden.

Fig. 7 zeigt ein Bereichs-Umschaltemodul B mit passender Anordnung der Lötanschlüsse.

Fig. 8 zeigt ein Filtermodul F wiederum mit passender Anord nung der Lötanschlüsse.

Fig. 9 zeigt ein Fernsteuer-Reguliermodul R wiederum mit pas sender codierter Anordnung der Lötanschlüsse.

Fig. 10 zeigt eine Huckepack-Anordnung bestehend aus einem Speisemodul S und einem Ladungsverstärkermodul L komplett elektrisch verbunden für eine Einkanal-Anordnung.

Fig. 11 zeigt eine Huckepack-Anordnung bestehend aus einem Speisespannungsmodul S und drei Ladungsverstärkermodulen L für eine Dreikanal-Anordnung.

Fig. 12 zeigt eine Huckepack-Anordnung bestehend aus Speise spannungsmodul S, Ladungsverstärkermodul L, Filtermodul F und Fernsteuermodul R.

Verschiedene andere Kombinationen können in Betracht gezogen werden. Sie müssen jedoch abgestimmt werden mit dem Codier schlüssel der Lötanschlüsse 12, 13.

Fig. 13 zeigt die Flächenvariante, wie die Module LLS auf nor male Printkarte 15 aufgelötet sind. Die Frontplatte 14 ist dazu mit den notwendigen Steuertasten versehen und das andere Printkartenende mit dem Normstecker 16.

Fig. 14 zeigt eine industrielle Variante bestehend aus Gehäuse 17, Deckel 18, öl- und wasserdichten Anschlüssen 19 und einer Printkarte 15, auf welcher als Beispiele die Module L, S aufge lötet sind. In solchen Kästchen können die Module auch in Huckepack-Anordnung eingesetzt und vergossen werden.

Das Modulkonzept, das um den Ladungsverstärkermodul herum ent wickelt wurde, ergibt durch die codierten Lötanschlüsse 12, 13 neue Einbau-Möglichkeiten,
solche im Huckepacksystem,
wie auch im Flächenanordnungssystem.

Es sind als Beispiel fünf Moduleinheiten gezeigt, die sich aber erweitern lassen.

Das Huckepacksystem verlangt ein intelligentes Querverbin dungssystem, das sich den verschiedenen Kombinationen ent sprechend anpassen läßt. Bei geeigneter Codierung der Löt anschlüsse auf den einzelnen Modulen, lassen sich die wich tigen Kombinationen mit geraden Kontaktstiften 11 realisieren. In seltenen Fällen müssen diese abgewinkelt werden.

Durch die Verwendung von beschleunigungsfesten Komponenten bis mind. ±100 g gestattet die Erfindung erstmals Einbau von La dungsverstärkeranordnungen direkt in die verschiedensten Typen von Kraftsensoren, wo sie direkt eingegossen werden können.

Damit sind wegweisend neue Sensor-Verstärker-Kombinationen der piezoelektrischen Kraftmessung möglich geworden. Solche erfin dungsgemäßen Kombinationen sind preisgünstiger und betriebs sicherer als frühere Anordnungen.

Zusätzliche Maßnahmen wie Verwendung von Komponenten, die Temperaturen bis 100°C ertragen, sowie Glasabdeckungen aller hochisolierenden Leiterpfade sowie Anordnung derselben, daß keine Streuspannungen durch Induktion entstehen, sind weitere Schritte zur Unterbringung der erfindungsgemäßen Ladungsver stärker-Anordnung im Sensor direkt.

Erfindungsgemäß wird erstmals ein Hybridmodulsystem beschrie ben, das die verschiedenen Zusatzfunktionen handelsüblicher Ladungsverstärker in Einzelmodule gleicher Größe unterteilt. Damit diese Einzelmodule zu verschiedenen Einheitspaketen in Huckepackform zusammengebaut werden können, sind die Lötan schlüsse 12, 13 nach einem codierten System angeordnet, welches einfache Querverbindungen der Huckepack-Anordnungen ermög licht.

Mit solchen Anordnungen lassen sich hohe Packungsdichte errei chen. Unter Verwendung von beschleunigungsfesten Komponenten, die hohen Temperaturen widerstehen können, sind solche Modul pakete erstmals direkt in Kraftmeß-Sensoren einbaubar.

Die erfindungsgemäßen Hybridmodule lassen sich jedoch auch auf bekannte Weise auf Printkarten 15 montieren, wodurch sich ein breiter Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Hybridmo dulsystems ergibt.

Claims

1. Verstärkeranordnung, insbesondere für piezoelektrische Kraftmeßanordnungen, gekennzeichnet durch Aufteilung in Module, wie eines Speisespannungsmoduls S, Ladungsverstärkermoduls L, Bereichsum schaltmoduls B, Filtermoduls F, Fernsteuer- und Reglermoduls R und weiteren Modulen, wobei die einzelnen Module codierte Löt anschlüsse (12, 13) enthalten, die es gestatten, Kombinations systeme verschiedener Module paketweise sowohl im Huckepack system, wie auch im Flächenanordnungssystem auf Printkarten zusammenzustellen, um ein Optimum an Raumausnützung zu er zielen.

2. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß alle Module mit Komponenten bestückt sind, die Beschleunigungswerte von mind. ±100 g zulassen und somit in verschiedensten Sensoranordnungen einbaubar sind.

3. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Huckepacksystem direkt in piezoelektrische Kraftmeßanordnungen eingebaut und vergossen wird, wodurch empfindliche, hochisolierende Kabel außerhalb des Kraftsen sors vermieden werden und durch Normkabel ersetzt werden können.

4. Verstärkeranordnung nach Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulanordnungen mit Komponenten be stückt sind, die mind. 100°C Dauertemperatur unbeschadet überstehen können.

5. Verstärkeranordnung nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die hochisolierenden Leitpfade der Modulanordnungen mit hochisolierendem Glas abgedeckt und gegen Streuspannungen geschützt sind.