DE4132110A1

DE4132110A1 - Kraftsensor

Info

Publication number: DE4132110A1
Application number: DE19914132110
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr Ing Beetz; Harald Dipl Ing Fritz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-09-26
Filing date: 1991-09-26
Publication date: 1993-04-01

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraftsensor, insbesondere eine Wägezelle, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der EP-OS 04 18 490 ist ein Kraftsensor bekannt, bei dem eine Deckplatte und eine Bodenplatte zusammen mit einer um laufenden, zylindrischen Seitenwand eine Druckdose bilden. Diese wird im Zentrum der Deckplatte über einen dort ange brachten Stempel mit einer zu messenden Kraft beaufschlagt, so daß eine Deformation erfolgt, die zu einer Änderung des Abstan des zwischen dem Zentrum der Deckplatte und der Bodenplatte führt. Zur Messung dieses Abstandes bzw. der Änderung dessel ben ist im Inneren der Druckdose ein Interferometer mit einem Meßlichtstrahl angebracht. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß Temperaturschwankungen, da diese ebenfalls eine Abstands änderung bewirken, das Meßergebnis stark beeinflussen. Auch andere Störgrößen, wie z. B. Querkräfte und Momente, werden nicht kompensiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftsensor, insbesondere eine Wägezelle, zu schaffen, der unempfindlich ist gegenüber Temperaturschwankungen und Störgrößen, wie z. B. Querkräfte und Momente.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue Kraftsensor der ein gangs genannten Art das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannte Merkmal auf. Die Messung des zweiten Abstandes kann gemäß Anspruch 2 durch einen Referenzlichtstrahl eines weiteren Interferometers oder nach Anspruch 3 mit demselben Interfero meter erfolgen. Besonders vorteilhafte Weiterbildungen des neuen Kraftsensors sind in den Unteransprüchen 4 bis 10 ange geben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß der Einfluß von Temperatur schwankungen oder Störgrößen weitgehend kompensiert wird. Wie folgende Überlegung zeigt, sind bereits mit der erfindungsge mäßen Temperaturkompensation erhebliche Vorteile erreichbar:

Geht man von einer maximalen Durchbiegung der Deckplatte bei Nennlast von ca. 0,1 mm und von einer maximalen Teilezahl von 30 000 aus, so ergibt sich als kleinste noch aufzulösende Weg länge ca. 3 nm. Auftretende Abstandsänderungen, insbesondere durch Temperatureinwirkung, die mehr als 3 nm betragen, müssen daher kompensiert werden. Beträgt nun der Abstand zwischen Deckplatte und Bodenplatte 30 mm, so ergibt sich eine Ab standsänderung bei rostfreiem, austenitischem Stahl von ca. 480 nm/°C. Das ist etwa das 150fache eines Teilungs schrittes.

Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß der optische Bre chungsindex der Umgebungsluft nicht mehr in das Meßergebnis eingeht. Durch das interferometrische Meßprinzip zeichnet sich der Kraftsensor durch eine sehr hohe elektromagnetische Ver träglichkeit aus. Werden miniaturisierte, integriert optische Interferometer eingesetzt, so können hochgenaue Kraftsensoren der erfindungsgemäßen Art preisgünstig in großen Stückzahlen hergestellt werden. Derartige Interferometer sind z. B. aus dem Aufsatz "Integrierte Optik auf Glas und Silizium für Sensor anwendungen" von E. Voges, erschienen in "Technisches Messen" 58 (1991), 4, Seite 140 bis 145 bekannt.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Kraftsensor mit miniaturisiertem Interferometer und

Fig. 2 ein Schnittbild des Kraftsensors nach Fig. 1.

Der Kraftsensor in Fig. 1, zu dem in Fig. 2 ein Schnittbild dargestellt ist, enthält ein zylindrisches Trageteil 1, mit dem er auf einem Gegenlager 2 gehalten wird. Koaxial zum Trageteil 1 ist ein im wesentlichen zylindrisches Krafteinleitungsteil angeordnet. Es besteht aus zwei Scheiben 3 und 4, die über vier Bolzen 5, 6, 7 und 8 miteinander fest verbunden sind. Durch zwei koaxial hintereinander angeordnete Membrane 9 und 10 wird das Krafteinleitungsteil koaxial zum Trageteil 1 geführt. In den Zwischenraum zwischen den beiden Scheiben 3 und 4 ragt mittig eine Platte 11, die zur Befestigung eines miniaturi sierten Interferometers 12 dient. Zur Messung der Abstände zwischen der Befestigungsplatte 11 und der oberen Scheibe 3 sowie der unteren Scheibe 4 sendet das Interferometer 12 einen Meßlichtstrahl 13 sowie einen Referenzlichtstrahl 14 aus, die jeweils an der polierten Oberfläche der beiden Scheiben 3 und 4 reflektiert und nahezu in sich selbst zurückgeworfen werden. Die Bolzen 5, 6, 7 und 8 durchstoßen die Platte 11, ohne sie zu berühren, so daß das Krafteinleitungsteil gegenüber dieser Platte 11 bei Einwirkung einer Kraft F beweglich ist. Diese Anordnung des Krafteinleitungsteils, der Membranen 9 und 10 als Verformungsteil sowie des Trageteils 1 zeichnet sich durch gute Unempfindlichkeit gegenüber Querkräften und Momenten aus. Diese Unempfindlichkeit wird dadurch noch weiter gesteigert, daß das miniaturisierte Interferometer 12 im Zentrum des Kraftsensors plaziert ist. Zudem bleiben Temperaturschwankungen ohne Einfluß auf das Meßergebnis, da sie eine gleichsinnige Abstandsänderung bei den beiden Lichtstrahlen 13 und 14 verursachen, im Inter ferometer jedoch aufgrund einer Differenzbildung der beiden optischen Wege nur gegensinnige das Meßsignal verändern. Auf grund der axialen Führung des Krafteinleitungsteils durch die Membranen 9 und 10 wird es auch bei Einwirkung von Störgrößen, wie z. B. Querkräften oder Momenten, praktisch nicht gekippt, so daß auf Retroreflektoren an den Oberflächen der Scheiben 3 und 4 zur Reflexion des Meßlichtstrahls 13 und des Referenz lichtstrahls 14 verzichtet werden kann.

Claims

1. Kraftsensor, insbesondere Wägezelle, mit einem durch eine Kraft elastisch deformierbaren Körper und mit einem Interfero meter zur Messung eines durch die Deformation beeinflußten ersten Abstandes zwischen einem ersten Ort des Körpers und einem im Abstand dazu befindlichen zweiten Ort durch einen Meßlichtstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß

- Mittel (12) vorhanden sind zur Messung mindestens eines zweiten Abstandes zwischen einem dritten und einem vierten Ort, der im unbelasteten Zustand des Kraftsensors gleich groß ist wie der erste Abstand, aber bei Deformation des Körpers durch die Kraft (F) in einer anderen Abhängigkeit beeinflußt wird.

2. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß

- die Mittel zur Messung des zweiten Abstandes ein Interfero meter (12) mit einem Referenzlichtstrahl (14) sind.

3. Kraftsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß

- der Meßlichtstrahl (13) und der Referenzlichtstrahl (14) in einem einzigen Interferometer (12) erzeugt und zur Interfe renz gebracht werden.

4. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- die vier Orte derart angeordnet sind, daß sich die beiden Abstände bei Deformation des Körpers durch die Kraft (F) in entgegengesetzter Richtung verändern.

5. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Körper aus einem Krafteinleitungsteil zur Einleitung der zu messenden Kraft (F), einem Trageteil (1), mit dem der Kraftsensor auf einem Gegenlager (2) gehalten wird, und einem elastischen Verformungsteil (9, 10) besteht, welches das Krafteinleitungsteil mit dem Trageteil (1) verbindet, so daß sich in Abhängigkeit von der zu messenden Kraft (F) die rela tive Lage des Krafteinleitungsteils zum Trageteil (1) und die Form des Verformungsteils (9, 10) verändern.

6. Kraftsensor nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß

- der Kraftsensor symmetrisch ist.

7. Kraftsensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge kennzeichnet, daß

- das Trageteil (1) ein Hohlzylinder ist und daß
- das Krafteinleitungsteil ein Zylinder ist, der durch das Ver formungsteil (9, 10) koaxial im Innern des Trageteils (1) gehalten wird und bei Einwirkung einer zu messenden Kraft (F) in axialer Richtung ausgelenkt wird.

8. Kraftsensor nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß

- das Verformungsteil aus zwei Membranen (9, 10) gebildet ist, die koaxial zum Trageteil (1) hintereinander angeordnet sind.

9. Kraftsensor nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß

- das Krafteinleitungsteil eine Ausnehmung aufweist, in die ein mit dem Trageteil (1) verbundenes Befestigungselement (11) hineinragt.

10. Kraftsensor nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß

- als erster und zweiter Abstand jeweils die beiden Abstände zwischen dem Befestigungselement und Krafteinleitungsteil in axialer Richtung erfaßt werden.