EP1151259A1 - Abgleichelement für einen aufnehmer - Google Patents

Abgleichelement für einen aufnehmer

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Publication number
EP1151259A1
EP1151259A1 EP00906275A EP00906275A EP1151259A1 EP 1151259 A1 EP1151259 A1 EP 1151259A1 EP 00906275 A EP00906275 A EP 00906275A EP 00906275 A EP00906275 A EP 00906275A EP 1151259 A1 EP1151259 A1 EP 1151259A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
trimming
resistance
resistors
adjustment
element according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00906275A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Burfeindt
Martin Hauber
Wolfgang Bauch
Ursula Host
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Original Assignee
Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH filed Critical Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Publication of EP1151259A1 publication Critical patent/EP1151259A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/028—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure
    • G01D3/036—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure on measuring arrangements themselves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/028—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2268—Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects
    • G01L1/2281—Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects for temperature variations

Definitions

  • the invention relates to a balancing element for a sensor according to the preamble of patent claim 1.
  • Such adjustment elements for transducers are used to compensate the temperature response of transducer circuits with strain gauges. These are particularly intended for load cells and other force and pressure transducers. The temperature response of such is understood here
  • Measuring point is the temperature-dependent change in the measuring signal despite complete absence (TKO) or complete constancy (TKK) of a mechanical load on the test object.
  • a temperature response can occur if the temperature of the sensor or its surroundings changes during the observation period.
  • the cause of such a temperature response can be the thermal expansion of the transducer material, the thermal expansion of the measuring grid material of the strain gauges and the temperature coefficient of the electrical resistance.
  • a measurement in which the test object experiences a change in temperature during mechanical stress provides the result of the sum of the mechanical strain and the thermal strain.
  • the thermal component of the strain indicator is included as an error.
  • balancing element It is known to largely compensate for this error by means of a balancing element. It is important that these balancing elements are also temperature-dependent in order to be able to largely correct the influence of temperature on the sensor.
  • circuits with trimming resistances in the feed lines and trimming resistors in the bridge branches are provided, with which the bridge is trimmed at different temperatures without and under load. Since these balancing circuits must always be arranged near the transducers for thermal reasons, these circuits are designed as separate switching elements and are usually attached to the transducer material.
  • PCBs based on epoxy resin are often provided, to which fixed-value resistors for the adjustment of the temperature response with a characteristic value (TKK adjustment) are soldered.
  • Thin enamelled copper wires are also used to adjust the temperature response at zero (TKO adjustment).
  • Known flexible printed circuit boards are also used as trimming elements, onto which the trimming resistors can be soldered into the circuits as thin enamelled copper wires or as foil resistors with nickel or copper foil as resistance material.
  • the flexible film can be glued directly onto the sensor body.
  • it is relatively expensive to manufacture the low-impedance trimming resistors with the required accuracy.
  • long wire lengths are usually required, which require a relatively large amount of space on the printed circuit board and which are very labor-intensive when adjusting. Otherwise, film resistors also have relatively poor heat transfer values, so that the compensation effect is flawed.
  • the invention is therefore based on the object of improving a balancing element for transducers of the type mentioned at the outset in such a way that the measurement accuracy of the transducer is increased, and this with minimal adjustment effort.
  • the invention has the advantage that a direct heat transfer to the sensor material is produced by the metallic carrier plate, so that a very precise temperature response compensation can be achieved, which also follows rapid temperature changes.
  • good dissipation of the inherent heat at the compensation resistors is advantageously achieved, so that an additional increase in resistance is avoided.
  • the invention also has the advantage that the matched resistors with their very low resistance values can be produced very precisely and extremely compactly in automated processes by means of the structured thin resistive film, so that no matched resistance differences have to be compensated for, only the slight manufacturing differences of the strain gauges having to be compensated manually .
  • FIG. 1 A schematic representation of a balancing element with connectable bridge circuit
  • 2 the layered structure of a balancing element
  • FIG. 3 an electrical circuit diagram of the balancing element with a transducer bridge circuit.
  • a balancing element 4 for a transducer with bridge circuit 1 is shown schematically, which is designed as a separate component and in which the essential balancing resistors 6, 19, 13, 18 are glued onto a metal carrier plate 20 as structured resistance foil 23.
  • the balancing element 4 essentially orders from a metallic carrier plate 20, which represents a carrier body.
  • This support body 20 must consist of a good heat-conducting material, so that this support plate 20 is preferably made of aluminum.
  • other metallic sheets or plates with good thermal conductivity can also be used.
  • This metallic carrier plate 20 is preferably used with material thicknesses of 0.2 to 1.5 mm.
  • a rectangular base of the carrier plate of approx. 18 x 20 mm has been chosen, since these dimensions are well suited to be attached to standard force transducers and load cells.
  • Support plates 20 of this type can, however, also be produced in other dimensions and shapes, insofar as this is necessary for the respective transducer. Square, round or modified base surface shapes are also conceivable.
  • a layer structure of the adjustment element 4 is shown in FIG. 2, according to which the thickness ratios of the individual layers are shown approximately to scale, but greatly enlarged.
  • the metallic carrier plate 20 is shown as the lower layer, which by far has the greatest layer thickness.
  • On a structured resistance film 23 is glued onto this metallic carrier plate 20, which contains the low-resistance trimming resistors 6, 19, 13, 18 and the conductor tracks 8 with soldering points 5, 7, 11, 12, 15, 16.
  • a homogeneous adhesive layer 22 of approximately 0.005 to 0.025 mm is provided, which at the same time serves as an insulation layer with respect to the carrier plate 20.
  • the overlying resistance foil 23 can consist of nickel, copper or another electrically conductive material with a high temperature coefficient.
  • This resistance film 23 is applied to the carrier plate 20 with a homogeneous thickness of approximately 0.005 to 0.025 mm.
  • This resistance foil 23 is structured with the aid of a photolithographic process, after which the resistors 6, 19, 13, 18, the conductor tracks 8 and the connection points 5, 7, 11, 12, 15, 16 are etched in a manner similar to the known production of strain gauges 2.
  • the conductor tracks 8, connection points 5, 7, 11, 12, 15, 16 and trimming resistors 6, 19, 13, 18 are arranged on the carrier plate 20 in a manner similar to that shown in FIG. 1.
  • the adjustment resistors 6, 19 are provided for the fine adjustment of the temperature response at the zero point and have a resistance value of approximately 0.1 ⁇ and are designed as a rectangular surface of the resistance foil 23 with an edge length of a few mm.
  • resistance values of 0.5 to 1 ⁇ or above may also be required. Since the resistance film 23 is an extremely homogeneous film, such resistance values can be produced with high accuracy without adjustment, so that these resistors 6, 19 do not increase the scatter of the temperature response at the zero point in the initial state.
  • the two trimming resistors 13, 18 for trimming the temperature response at the characteristic value are also designed as structured resistance foils 23 on the carrier plate 20.
  • These temperature-dependent resistors 13, 18th In the present sensor circuit, in which strain gauges 2 of 350 ⁇ are used, in connection with the parallel resistor 10, 17 for optimum linearization of the temperature response for the characteristic value and for an aluminum sensor have a resistance value of approx. 40 ⁇ .
  • This resistor is preferably designed as a measuring grid in order to ensure high accuracy with the smallest dimensions. Since these trimming resistors 13, 18 can be manufactured with a tolerance of ⁇ 0.1% due to the above-described design and due to the selected layer structure, a subsequent individual trimming of the temperature response for the characteristic value (TKK trimming) can be omitted.
  • the grid structure can be used to produce any resistance values that were previously determined by calculation or experiment for the corresponding sensor type.
  • resistance values of approx. 10 to 100 ⁇ may also be necessary for the adjustment resistors 13, 18.
  • the characteristic value (TKK adjustment) is a parallel resistor 10, 17 connected in parallel to the adjustment resistor 13, 18, which is subsequently soldered onto the provided connection points 9, 14.
  • a commercially available fixed resistor in SMD technology with the smallest possible temperature coefficient is provided, which for example has a resistance value of approximately 200 ⁇ .
  • resistance values of 70 to 200 ⁇ can be used. This resistance value of 200 ⁇ is determined for a temperature range from - 10 to + 40 ° C in order to linearize this range.
  • the other trimming resistors 6- r lB r 13- r ia are also provided for such a temperature range.
  • connection soldering points 5 are additionally provided on the left side of the carrier plate 20 for the connection of the strain gauges 2 and on the right in each case two connection soldering points A for the output signals and two connection soldering points E for the brine supply.
  • other connection soldering points 1, 11, 12 can also be arranged on the carrier plate 20, by means of which the electrical connection can be established.
  • the adjustment resistors 13, 18 for the adjustment of the temperature response at the characteristic value are measured and adjusted in a special adjustment method to the previously determined resistance value with high precision. Since these adjustment values can be determined beforehand on the basis of the type of transducer, these adjustment resistors 13, 18 are set to the determined value with high precision even before connection to the strain gauges 2.
  • a protective layer 24 is then applied in order to protect the circuit in those areas which no longer require contacting in the subsequent processes.
  • the lacquer 24 can be a so-called solder stop lacquer, as is usually used in printed circuit board technology and is applied by means of screen printing. Other order processes, such as. B. spraying, brushing, etc. are possible.
  • Fig. 3 of the drawing the electrical circuit diagram of the transducer with the balancing element 4 and the transducer bridge circuit 1 is shown.
  • the two half bridges shown with strain gauges 2 shown in FIG. 1 are connected to form a full bridge.
  • the full bridge can also be formed from a strain gauge quarter bridge or a strain gauge half bridge with additional bridge resistances.
  • the strain gauges 2 have resistance values of z. B. 350 ⁇ and should be used for a temperature range of - 10 to + 4-0 ° C.
  • an adjustment resistor R TKK is connected in series in each case in the feed line 15 for the adjustment of the temperature response at the characteristic value (TKk-adjustmentJ, to which a fixed resistor R- is connected in parallel.
  • the strain sensitivity of the strain gauges (k factor) and the modulus of elasticity of the transducer material are temperature-dependent.
  • Konstantan as a strain gauge strip material with a positive temperature coefficient of the k-factor (TKk> and the negative temperature efficiency of the
  • Elasticity modulus (TKE) of the transducer material both lead to an increase in the force, weight or pressure signal when subjected to mechanical loads, such as when the temperature rises.
  • TKE Elasticity modulus
  • the transducer is used with a reference mass or reference force at different temperatures mechanical stress and from the corresponding Abretewi- derstandswert for the balancing resistors 13, 18 and the par ⁇ allelwiderites 10, determines 17 that is necessary to compensate for this error. Since the trimming resistors R ⁇ cause a relatively strong increase in their resistance value with increasing temperature, an additional voltage drop occurs in the feed lines 15, which is caused by the positive temperature coefficient of the k factor (Tkk) and the negative temperature coefficient of the elasticity module (TKE) counteracts the measurement signal change caused by the sensor material.
  • the values for the trimming resistance and the parallel resistance can be determined on comparison bridges, which can then be transferred to all other sensors of the same type.
  • the adjustment resistances R ⁇ must be produced exactly with the determined resistance values, so that an individual characteristic value adjustment can then be omitted for all subsequent sensor circuits. Due to the selected thickness of the carrier plate 20, no changes in resistance due to warpage or tension in the carrier plate are to be expected in the case of the resistors thereon in the event of temperature changes.
  • the direct bonding 22 with the well thermally conductive carrier plate 20 brings about a rapid temperature compensation both in the event of external temperature effects and in the event of temperature changes which can arise due to self-heating of the resistors on the carrier plate, so that no additional measurement errors can occur as a result.
  • two temperature-dependent adjustment resistors R ⁇ are arranged in the lower bridge branch 25. If necessary, these compensate for unbalances in the manufacture and application of the expansion Measuring strips 2 are provided for TKO fine adjustment.
  • the adjustment unit 4 is connected to the strain gauges 2. Then the zero point of the sensor is measured in a mechanically unloaded state at different temperatures and the resulting TKO is determined. For the adjustment, depending on the sign of the TKO, one of the resistors 6, 19 is changed until the output signal of the bridge 1 is within the specified limits in the entire temperature range.
  • the adjustment is carried out by an "erasing process” in which the resistance layer 22 is reduced by abrasion, so that the resistance value increases. Since these resistance values can only be changed in one direction by "erasing” and since it is not possible to predict which sign the TKO will have, an adjustment resistor 6, 19 is provided in each bridge part in order to be able to carry out an adjustment in both directions.
  • the layer structure chosen ensures that the resistors 6, 19 on the carrier plate 20 have the same temperature and thus the same effect in the event of temperature changes.
  • 8 soldering points are provided in the balancing element 4 in the output conductor tracks, on which a high-resistance of z. B. 1 k ⁇ can be soldered for characteristic value adjustment.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgleichelement (4) für eine Aufnehmerschaltung, die mit Dehnungsmessstreifen (2) in Brückenschaltung (1) ausgestattet ist. Dabei besteht das Abgleichelement (4) aus einer metallischen Trägerplatte (20), auf der eine strukturierte Widerstandsfolie (24) isolierend aufgeklebt ist. Aus der Widerstandsfolie (23) sind sowohl die niederohmigen Abgleichwiderstände (6, 19) als auch die höherohmigen Abgleichwiderstände (13, 18) für den TKO-Abgleich und für den TKK-Abgleich in Flächen- oder Gitterform herausgebildet. Das Abgleichelement (4) kann durch die ebene Trägerplatte (20) leicht mit einem geeigneten Kunststoff und einem guten Wärmeübergang mit dem Aufnehmer verbunden werden. Beim fertigen Aufnehmer ist das Abgleichelement durch einen Verguss vor mechanischer Beschädigung geschützt.

Description

Abgleichelement für einen Aufnehmer
Die Erfindung betrifft ein Abgleichelement für einen Aufnehmer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige Abgleichelemente für Aufnehmer werden eingesetzt, um den Temperaturgang von Aufnehmerschaltungen mit Dehnungsmeßstreifen zu kompensieren. Diese sind insbesondere bei Wägezellen und anderen Kraft- und Druckaufnehmern vorgesehen. Da- bei versteht man unter dem Temperaturgang einer derartigen
Meßstelle die temperaturabhängige Veränderung des Meßsignals trotz völliger Abwesenheit (TKO) oder völliger Konstanz (TKK) einer mechanischen Beanspruchung des Meßobjekts.
Ein Temperaturgang kann auftreten, wenn sich während des Beobachtungszeitraums die Temperatur des Aufnehmers oder seiner Umgebung ändert. Ursache eines derartigen Temperaturgangs kann die Wärmedehnung des Aufnehmerwerkstoffs, die Wärmedehnung des Meßgitterwerkstoffs der Dehnungsmeßstreifen und der Tempera- turkoeffizent des elektrischen Widerstands sein. Eine Messung, bei der das Meßobjekt während einer mechanischen Beanspruchung gleichzeitig eine Temperaturänderung erfährt, liefert als Ergebnis die Summe aus der mechanischen Dehnung und der thermischen Dehnung. Darin ist der thermische Anteil der Dehnungs- anzeige als Fehler enthalten.
Bekannt ist es, diesen Fehler mittels eines Abgleichelements weitgehend zu kompensieren.. Dabei kommt es darauf an, daß diese Abgleichelemente auch temperaturabhängig sind, um den Tem- peratureinfluß am Aufnehmer weitgehend korrigieren zu können. Dazu sind Schaltungen mit Abgleichwiderstän en in den Speiseleitungen und Abgleichwiderständen in den Brückenzweigen vorgesehen, mit denen die Brücke ohne und mit Belastung bei unterschiedlichen Temperaturen abgeglichen wird. Da diese Ab- gleichschaltungen aus thermischen Gründen immer in der Nähe der Aufnehmer angeordnet sein müssen, werden diese Schaltungen als separate Schaltelemente ausgeführt und meist am Aufnehmerwerkstoff befestigt.
In der Praxis werden dazu häufig Leiterplatten auf Expoxyd- harzbasis vorgesehen, auf die Festwertwiderstände für den Abgleich des Temperaturgangs bei einem Kennwert (TKK-Abgleich) aufgelötet sind. Für den Abgleich des Temperaturgangs beim Nullpunkt (TKO-Abgleich) werden auch dünne lackisolierte Kup- ferdrähte verwendet. Diese Leiterplatten werden am Aufnehmer durch eine Klebe- oder Schraubverbindung befestigt und mit den Dehnungsmeßstreifen verschaltet, so daß der Aufnehmer danach bei unterschiedlichen Temperaturen abgleichbar ist. Diese Schaltungen haben den Nachteil, daß als Abgleichwiderstände Fest- oder Drahtwiderstände eingesetzt werden, die als spezielle niederohmige Meßwiderstände ausgebildet sind, die bei der Fertigung und beim Abgleichverfahren einen relativ großen Aufwand erfordern.
Es werden auch bekannte flexible Leiterplatten als Abgleichelemente eingesetzt, auf die die Abgleichwiderstände als dünne lackisolierte Kupferdrähte oder als Folienwiderstände mit Nickel- oder Kupferfolie als Widerstandsmaterial in die Schaltungen einlötbar sind. Dabei kann die flexible Folie direkt auf dem Aufnehmerkörper aufgeklebt werden. Hierbei ist es relativ aufwendig, die niederohmigen Abgleichwiderstände in der geforderten Genauigkeit herzustellen. Bei sehr genauen Drahtwiderständen sind meist auch große Drahtlängen erforderlich, die einen verhältnismäßig großen Platzbedarf auf der Leiter- platte erfordern und beim Abgleich sehr arbeitsintensiv sind. Im übrigen besitzen Folienwiderstände auch relativ schlechte Wärmeübergangswerte, so daß die Kompensationswirkung fehlerbehaftet ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Abgleichelement für Aufnehmer der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß dadurch die Meßgenauigkeit des Aufnehmers erhöht wird und dies bei minimalem Abgleichaufwand.
Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die metallische Trä- gerplatte ein direkter Wärmeübergang zum Aufnehmerwerkstoff hergestellt wird, so daß eine sehr genaue Temperaturgangkompensation erreichbar ist, die auch schnellen Temperaturänderungen folgt . Insbesondere wird in vorteilhafter Weise eine gute Ableitung der Eigenwärme an den Kompensationswiderständen erreicht, so daß dadurch eine zusätzliche Widerstandserhöhung vermieden wird.
Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß durch die strukturierte dünne Widerstandsfolie die Abgleichwiderstände mit ihren sehr niedrigen Widerstandswerten in automatisierten Prozessen sehr genau und äußerst kompakt herstellbar sind, so daß keine Abgleichwiderstandsunterschiede ausgeglichen werden müssen, wobei manuell lediglich noch die geringfügigen Fertigungsunterschiede der Dehnungsmeßstreifen auszugleichen sind.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: Eine schematische Darstellung eines Abgleich- elements mit beschaltbarer Brückenschaltung; Fig. 2: den schichtweisen Aufbau eines Abgleichelements, und Fig. 3: ein elektrisches Schaltbild des Abgleichelements mit einer Aufnehmerbrückenschaltung.
In Fig. 1 der Zeichnung ist schematisch ein Abgleichelement 4 für einen Aufnehmer mit Brückenschaltung 1 dargestellt, das als separates Bauteil ausgebildet ist und bei dem die wesentlichen Abgleichwiderstände 6, 19, 13, 18 als strukturierte Widerstandsfolie 23 auf einer metallischen Trägerplatte 20 aufgeklebt sind.
Das Abgleichelement 4 bestellt im wesentlichen aus einer metallischen Trägerplatte 20, die einen Trägerkörper darstellt. Dieser Trägerkörper 20 muß aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff bestehen, so daß diese Trägerplatte 20 vorzugsweise aus Aluminium besteht. Es sind aber auch andere metallischen Bleche oder Platten mit guter Wärmeleitfähigkeit verwendbar.
Diese metallische Trägerplatte 20 wird vorzugsweise mit Materialdicken von 0,2 bis 1,5 mm eingesetzt. Dabei ist eine rechteckige Grundfläche der Trägerplatte von ca. 18 x 20 mm gewählt, da diese Abmessungen gut geeignet sind, an serienmäßigen Kraftaufnehmern und Wägezellen angebracht zu werden. Derartige Trägerplatten 20 können aber auch in anderen Abmessungen und Ausformungen hergestellt wexden, soweit dies für den jeweiligen Aufnehmer notwendig ist. Dabei sind auch quadratische, runde oder davon abgewandelte Grundflächenformen denkbar .
Ein Schichtaufbau des Abgleichelements 4 ist in Fig. 2 dargestellt, wonach die Dickenverhältnisse der einzelnen Schichten etwa maßstäblich aber stark vergrößert abgebildet sind. Die metallische Trägerplatte 20 ist als untere Schicht dar- gestellt, die mit Abstand die größte Schichtdicke besitzt. Auf diese metallische Trägerplatte 20 wird eine strukturierte Widerstandsfolie 23 aufgeklebt, die die niederohmigen Abgleichwiderstände 6, 19, 13, 18 und die Leiterbahnen 8 mit Anlötpunkten 5, 7, 11, 12, 15, 16 enthält. Dabei ist eine homogene Klebstoffschicht 22 von ca. 0,005 bis 0,025 mm vorgesehen, die gleichzeitig als Isolationsschicht gegenüber der Trägerplatte 20 dient. Die darüberliegende Widerstandsfolie 23 kann aus Nickel, Kupfer oder einem anderen elektrisch leitenden Werkstoff mit hohem Temperaturkoeffizienten bestehen. Diese Wider- standsfolie 23 wird mit einer homogenen Dicke von ca. 0,005 bis 0,025 mm auf der Trägerplatte 20 aufgetragen. Diese Widerstandsfolie 23 wird mit Hilfe eines fotolithografischen Prozesses strukturiert, wonach die Widerstände 6, 19, 13, 18, die Leiterbahnen 8 und die Anschlußpunkte 5, 7, 11, 12, 15, 16 ähnlich der bekannten Herstellung von Dehnungsmeßstreifen 2 geätzt werden. Dabei sind die Leiterbahnen 8, Anschlußpunkte 5, 7, 11, 12, 15, 16 und Abgleichwiderstände 6, 19, 13, 18 ähnlich der schematischen Darstellung der Fig. 1 auf der Trägerplatte 20 angeordnet. Die Abgleichwiderstände 6, 19 sind für den Feinabgleich des Temperaturgangs beim Nullpunkt vorgesehen und besitzen einen Widerstandswert von ca. 0,1 Ω und sind als rechteckige Fläche der Widerstandsfolie 23 von wenigen mm Kantenlänge ausgebildet. Je nach Art der Widerstandsfolie 23 und dem Widerstand der Dehnungsmeßstreifen 2 können auch Widerstandwerte von 0,5 bis 1 Ω oder darüber erforderlich sein. Da es sich bei der Widerstandsfolie 23 um eine äußerst homogene Folie handelt, sind derartige Widerstandswerte ohne Abgleich in hoher Genauigkeit herstellbar, so daß durch diese Widerstände 6, 19 die Streuung des Temperaturgangs beim Null- punkt im Ausgangszustand nicht erhöht wird.
Die beiden Abgleichwiderstände 13, 18 für den Abgleich des Temperaturgangs beim Kennwert (TKK-Abgleich) sind ebenfalls als strukturierte Widerstandsfolie 23 auf der Trägerplatte 20 ausgebildet. Diese temperaturabhängigen Widerstände 13, 18 müssen bei der vorliegenden Aufnehmerschaltung, bei der Dehnungsmeßstreifen 2 von 350 Ω eingesetzt sind, in Verbindung mit dem Parallelwiderstand 10, 17 zur optimalen Linearisierung des Temperaturgangs beim Kennwert und bei einem Aluminiumauf- nehmer einen Widerstandswert von ca. 40 Ω besitzen. Dieser Widerstand wird vorzugsweise als Meßgitter ausgebildet, um eine hohe Genauigkeit unter kleinsten Abmessungen zu gewährleisten. Da diese Abgleichwiderstände 13, 18 durch die vorbeschriebene Ausbildung und aufgrund des gewählten Schicht- aufbaus mit einer Toleranz von ± 0,1 % herstellbar sind, kann ein nachträglicher individueller Abgleich des Temperaturgangs beim Kennwert (TKK-Abgleich) entfallen. Insbesondere auch deshalb, weil durch die Gitterstruktur beliebige Widerstandswerte herstellbar sind, die vorher rechnerisch oder versuchsweise für den entsprechenden Aufnehmertyp ermittelt wurden. Bei der Verwendung anderer Dehnungsmeßstreifen-Widerstände und anderer Aufnehmermaterialien können für die Abgleichwiderstände 13, 18 auch Widerstandswerte von ca. 10 bis 100 Ω notwendig sein.
Zur Linearisierung des Abgleichs des Temperaturgangs beim
Kennwert (TKK-Abgleich) ist parallel zum Abgleichwiderstand 13, 18 noch ein Festwiderstand 10, 17 geschaltet, der auf den vorgesehenen Anschlußpunkten 9, 14 nachträglich aufgelötet wird. Hierbei ist ein handelsüblicher Festwiderstand in SMD- Technik mit möglichst kleinem Temperaturkoeffizienten vorgesehen, der beispielsweise einen Widerst ndswert von ca. 200 Ω aufweist. Je nach Auslegung der GesamtSchaltung sind hierfür Widerstandswerte von 70 bis 200 Ω einsetzbaα. Dieser Widerstandswert von 200 Ω ist für einem Temperaturbereich von - 10 bis + 40 °C ermittelt, um diesen Bereich zu linearisieren. Für einen derartigen Temperaturbereich sind auch die übrigen Abgleichwiderstände 6-r lBr 13-r ia vorgesehen. Bei größeren oder kleineren Temperaturbereichen können sich auch andere Widerstandswerte ergebenr die durehr eine einfach Änderung des De- signs der Widerstandsfolie 23 berücksichtigt werden können. Bei größeren Temperaturbereichen und größeren Schwankungen im Ausgangssignal des Aufnehmers können auch noch zusätzliche Festwiderstände vorgesehen werden, so daß- für diese Fälle zusätzliche Anschlußlötpunkte 7, 11, 12 in der Leiterbahnen- Struktur angeordnet werden, auf die dann die Festwiderstände aufzulöten sind.
Im Design der Widerstandsfolie 23 sind zusätzlich an der linken Seite der Trägerplatte 20 sechs Anschlußlötpunkte 5 für die Verschaltung der Dehnungsmeßstreifen 2 und rechts jeweils zwei Anschlußlötpunkte A für die Ausgangssignale und zwei Anschlußlötpunkte E für die Brüe enspeisung vergesehen. Bei weiteren Abgleichbauelementen können auch noch andere Anschlußlötpunkte 1 , 11, 12 auf der Trägerplatte 20 angeordnet werden, durch die die elektrische Verbindung herstellbar ist.
Nach dem Ätzverfahren werden insbesondere die Abgleichwiderstände 13, 18 für den Abgleich des Temperaturgangs beim Kennwert (TKK-Abgleich) gemessen und in einem speziellen Abgleich- verfahren auf den vorher ermittelten Widerstandswert hochgenau abgeglichen. Da diese Abgleichwerte bereits vorher aufgrund der Aufnehmerbauart festlegbar sind, werden diese Abgleichwiderstände 13, 18 bereits vor der Beschaltung mit den Dehnungsmeßstreifen 2 auf den ermittelten Wert hochgenau einge- stellt. Danach wird zum Schutz der Schaltung eine Abdeck- schicht 24 in den Bereichen aufgebracht, die bei den folgenden Prozessen keine Kontaktierung mehr benötigen. Der Lack 24 kann ein sogenannter Lötstoplack sein, wie er üblicherweise in der Leiterplattenteehno-log-ie verwendet undr durehr Siebdruck aufge- bracht wird. Auch andere Auftragsverfahren, wie z. B. Sprühen, Pinseln usw. sind möglich. Allerdings ist ein beständiger Lack 24 notwendig, der für den nachfolgenden Reflow-Lötprozeß geeignet ist. Nach der Abdeckung werden die Kontaktzonen im Ein- und Ausgang und die Kontaktflächen für den Parallelwiderstand über eine Lochmaske mit Lot bedruckt. Dann wexden die Elemente 4 in einem BeStückungsautomaten mit den Parallelwiderständen 10, 17 bestückt und in einem Reflow—P-rαzeß eingelötet.
In Fig. 3 der Zeichnung ist das elektrische Schaltbild des Aufnehmers mit dem Abgleichelement 4 und der Aufnehmerbrückenschaltung 1 dargestellt. Dabei sind die in Fig. 1 dargestell- ten beiden mit Dehnungsmeß-streifen 2 versehenen Halbbrücken zu einer Vollbrücke verschaltet. Die Vollbrücke kann auch aus einer Dehnungsmeßstreifenviertelbrücke oder einer Dehnungsmeßstreifenhalbbrücke mit zusätzlichen Brückenwiderständen gebildet sein. Die Dehnungsmeßstreifen 2 besitzen Widerstands- werte von z. B. 350 Ω und sollen für einen Temperaturbereich von - 10 bis + 4-0 °C eingesetzt werden. Dazu sind jeweils in der Speiseleitung 15 für den Abgleich des Temperaturgangs beim Kennwert ( TKk-AbgleichJ jeweils ein Abgleich iderstand RTKK in Reihe geschaltet, zu dem jeweils ein Festwiderstand R-, parallel geschaltet ist. Durch die Parallelschaltung von den Widerständen 13, 18 mit dem hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (TKR) mit den Widerständen 10, 17 läßt sich das Ausgangssignal des Aufnehmers über die Temperatur in engen Fehlergrenzen relativ linear einstellen.
Die Dehnungsempfindlichkeit der Dehnungsmeßstreifen (k-Faktor) und der Elastizitätsmodul vom Aufnehmerwerkstoff sind temperaturabhängig. Bei Konstantan als Dehnung-smeß-streifen-Meßgitter- werkstoff mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des k- Faktors (TKk> und dem negative Temperatu effizienten des
Elastizitäts-Moduls (TKE) des Aufnehmerwerkstoffs führen beide bei einer mechanischen Belastung unär bei Temperaturerhöhung zu einer Erhöhung des Kraft-, Gewichts- oder Drucksignals. Zur Bestimmung dieses Fehlers wird der Aufnehmer mit einer Refe- renzmasse bzw. Referenzkraft bei verschiedenen Temperaturen mechanisch belastet und daraus der entsprechende Abgleichwi- derstandswert für die Abgleichwiderstände 13, 18 und der Par¬ allelwiderstände 10, 17 ermittelt, der zur Kompensation dieses Fehlers notwendig ist . Da die Abgleichwiderstände Rτκκ mit zu- nehmender Temperatur einen relativ starken Anstieg ihres Widerstandswertes bewirken, entsteht in den Speiseleitungen 15 ein zusätzlicher Spannungabfall, der der durch den positiven Temperaturkoeffizienten des k-Faktors (Tkk) und den negativen Temperaturkoeffizienten des Elas izitätsmoduls (TKE) des Auf- nehmerwerkstoffs bewirkten MeßSignaländerung entgegenwirkt.
Da diese Wärmeabhängigkeit bei jeder gleichartigen Aufnehmerschaltung gleich ist, können die Werte für den Abgleichwiderstand und den Parallelwiderstand an Vergleichsbrücken bestimmt werden, die dann auf alle anderen gleichartigen Aufnehmer übertragbar sind. Dabei müssen für alle Abgleichelemente die Abgleichwiderstände R^ genau mit den ermittelten Widerstandswerten hergestellt werden, so daß dann für alle nachfolgenden Aufnehmerschaltungen ein individueller Kennwertabgleich ent- fallen kann. Aufgrund der gewählten Dicke der Trägerplatte 20 sind bei den darauf befindlichen Widerständen bei Temperaturänderungen keine Widerstandsveränderungen durch Verwerfungen oder Verspannungen in der Trägerplatte zu erwarten. Im übrigen bewirkt die unmittelbare Verklebung 22 mit der gut wärmeleit- fähigen Trägerplatte 20 sowohl bei äußerer Temperatureinwirkung als auch bei Temperaturänderungen, die durch Eigenerwärmung der Widerstände auf der Trägerplatte entstehen können, einen schnellen Temperaturausgleich, so daß hierdurch keine zusätzlichen Meßfehler entstehen können.
Zum Abgleich des Temperaturgangs des Nullpunkts (TKO-Abgleich) sind in dem unteren Brückenzweig 25 zwei temperaturabhängige Abgleichwiderstände R^, mit hohen Temperaturkoeffizienten angeordnet. Diese sind, falls erforderlich, Ausgleich von Un- Symmetrien bei der Herstellung und Applikation der Dehnungs- meßstreifen 2 für den TKO-Feinabgleich vorgesehen. Für die Bestimmung der TKO-Ausgangsdaten wird die Beschaltung der Abgleicheinheit 4 mit den Dehnungsmeßstreifen 2 durchgeführt. Danach wird der Nullpunkt der Meßaufnehmer in mechanisch unbe- lastetem Zustand bei verschiedenen Temperaturen gemessen und der daraus resultierende TKO bestimmt. Zum Abgleich wird je nach dem Vorzeichen des TKO einer der Widerstände 6, 19 so lange verändert, bis das Ausgangssignal der Brücke 1 im gesamten Temperaturbereich innerhalb der vorgegebenen Grenzen liegt. Dabei wird der Abgleich durch einen "Radiervorgang" vorgenommen, in dem die Widerstandsschicht 22 durch Abrieb verringert wird, so daß sich der Widerstandswert erhöht. Da diese Widerstandswerte durch "Radieren" nur in eine Richtung veränderbar sind und da nicht vorhersehbar ist, welches Vor- zeichen der TKO haben wird, wird in jedem Brückenteil ein Abgleichwiderstand 6, 19 vorgesehen, um in beide Richtungen einen Abgleich vornehmen zu können.
Da durch die sehr genaue Fertigungsmethode der Abgleichwider- stände 6 , 19 diese niederohmigen Widerstandwerte fast nahezu identisch sind, ist vorteilhafterweise ein Ausgleich zwischen diesen Widerständen 6, 19 entbehrlich. Dadurch ist dann nach der Aufnehmerfertigung auch nur ein sehr geringer Abgleich des Temperaturgangs beim Nullpunkt (TKO-Abgleich) ohne großen Auf- wand erforderlich. Dabei sind auch für den Abgleich des Temperaturgangs beim Nullpunkt (TKO-Abgleich) temperaturabhängige Widerstände mit hohen Temperaturkoeffizienten notwendig, um diesen zusätzlichen nicht bei Dehnung empfindlichen Widerstand in den Brückenzweigen der Vollbrücke und damit eine Verringe- rung der Empfindlichkeit so gering wie möglich zu halten. Auch für den TKO-Abgleich ist es besonders vorteilhaft, daß durch den gewählten Schichtaufbau gewährleistet ist, daß die Widerstände 6, 19 auf der Trägerplatte 20 bei Temperaturänderungen die gleiche Temperatur und damit auch die gleiche Wirkung auf- weisen. Um Aufnehmer mit einem gleichen Ausgangssignal (Kennwert) bei Belastung herzustellen, sind im Abgleichelement 4 in den Ausgangsleiterbahnen 8 Lötpunkte vorgesehen, auf denen parallel zum Ausgang ein hochohmiger Widerstand von z. B. 1 kΩ zum Kennwertabgleich eingelötet werden kann.

Claims

Abgleichelement für einen Aufnehmer
Patentansprüche
1. Abgleichelement für einen Aufnehmer, der eine Brücken¬ schaltung mit Dehnungsmeßstreifen enthält, das aus einem separaten Trägerkörper mit darauf angeordneten elektrischen Abgleichbauelementen gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper aus einer gut wärmeleit- fähigen Trägerplatte (20) besteht, auf der eine strukturierte Widerstandsfolie (23) isoliert angeordnet ist, aus der mehrere Abgleichwiderstände (6, 19, 13, 18) herausgebildet sind.
2. Abgleichelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (20) aus einem rechteckigen, quadratischen, runden oder davon abgewandelten Grundfläche besteht, die aus einem gut wärmeleitfähigen Werkstoff hergestellt ist.
Abgleichelement nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Widerstandsfolie (23) aus Kupfer, Nickel oder einem elektrisch leitfähigen Werkstoff mit hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes besteht.
Abgleichelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Widerstandsfolie (23) gitterförmige oder flächige niederohrαige Abgleichwiderstände (6, 19, 13, 18) herausgebildet sind. i. Abgleichelement nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Widerstandsfolie (23) neben den Abgleichwiderständen (6, 19, 13, 18), Leiterbahnen (8) und Anschlußlötpunkte (5, 7, 11, 12, 15, 16) für Anschlußleitungen und/oder weiteren Abgleichbauelementen herausgebildet sind.
6. Abgleichelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (20) eine Dicke von ca. 0,2 bis 1,5 mm und eine Größe von ca. 0,5 bis 10 cm2 aufweist.
7. Abgleichelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Trägerplatte (20) eine homogene Isolationsschicht (22) zur Verbindung mit der homogenen Widerstandsfolie (23) vorgesehen ist, wobei die Isolationsschicht (22) und die Widerstandsfolie (23) eine Dicke von 0,005 bis 0,025 mm aufweisen.
8. Abgleichelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Widerstandsfolie (23) zwei gleichartige Abgleichwiderstände (6, 19) für den Abgleich des Temperaturgangs beim Nullpunkt (TKO-Abgleich) mit Widerstandswerten von 0,1 bis 5 Ω herausge- bildet sind.
9. Abgleichelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Widerstandsfolie (23) zwei gleichartige Abgleichwiderstände (13, 18) für den Kennwertabgleich mit Widerstandswerten von 10 bis 100 Ω herausgebildet sind.
10. Abgleichelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte der Ab- gleichwiderstände (6, 19, 13, 18) durch eine Verringerung (Radieren) der Foliendicke (23) veränderbar sind.
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