DE2950891A1

DE2950891A1 - Druck- oder kraftaufnehmer mit ofw-anordnung

Info

Publication number: DE2950891A1
Application number: DE19792950891
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. 7913 Senden Schmitt
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1979-12-18
Filing date: 1979-12-18
Publication date: 1981-06-25

Description

Druck- oder Kraftaufnehmer mit OFW-Anordnung
Die Erfindung betrifft eine Druck- oder Kraftaufnehmeranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bekannt sind Kraftaufnehmer aus Dehnungsmeßstreifen, neuerdings auch Kraftaufnehmer aus piezoelektrischen Volumenschwingern und akustischen Oberflächenwellenverzögerungsleitungen. (Oberflächenwellen wird im folgenden mit OFW abgekürzt).
Aus Electronic design 25, Dez. 6 (1977) Seite 38 ist ein Druckaufnehmer mit OFW-Verzögerungsleitungen bekannt. Dabei wirkt eine Membran zentral auf die OFW-Struktur ein.
Ein solcher Druckaufnehmer ist jedoch nicht entsprechend verwendbar in einer Waage.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen robusten, störungsunempfindlichen, einfachen Kraftaufnehmer anzugeben, mit dessen Hilfe die Kraft direkt digital als Frequenz gemes3sell worden kann, und der auch in Waagen einsetzbar ist. Die Lösung dieser Aufgabe ist dem Patentansprucn 1 zu entnehmen.
Oberflächenwellen (OFW)-Resonatoren stellen recht robuste, feuchtigkeits- und stoßunempfindliche, in bestimmten Ausführungen auch sehr temperaturunempfindliche Bauelemente dar. Die Erfindung besteht darin, ein stabförmiges OFW-Substrat - vorzugsweise aus ST-Quarz - mit einer OFW-Resonatorstruktur zu versehen, an einem Ende in einer Halterung einzuspannen und durch die zu messende - gegebenenfalls mit einem mechanischen Hebelwerk entsprechend umgeformte - Kraft zu verbiegen. Die Betriebsfrequenzen werden dann - in weitem Bereich - proportional zur Kraft variiert. Sind die OFW-Resonatoren auf dem Stab die passiven elektrischen Elemente im Rückkopplungszweig eines Oszillators, so ändert sich die Oszillatorfrequenz proportional zur Kraft am Biegestab (Substrat). Die Frequenzverschiebung kann direkt auf einem Zähler abgelesen werden. Im Gegensatz zu den bekannten Kraftaufnehmern mit OFW-Verzögerungsleitungen lassen sich mit den erfindungsgemäßen OFW-Resonatoren - bei erheblich kleineren Abmessungen - deutlich höhere Schwinggüten, d. h. höhere Frequenzauflösungen realisieren. Es können also auch erheblich höhere Auflösungen für die zu messende Kraft erreicht werden. Im Gegensatz zu den ausschlieelich mit 4-Pol-Anordnungen arbeitenden OFW-Verzögerungsleitungen lassen sich OFW-Resonatoren auch als 2-Pole herstellen.
Dies bietet den Vorteil, daß die gängigen Oszillatorschaltungen - welche auf 2-Pol-Anordnungen zugeschnitten sind - direkt zum Betrieb übernommen werden können. Dazeigen müssen fr 4-Pol-nordnungen die konventionellen Oszillatorschaitungen entweder entsprechend modifiziert oder völlig neue Konzept angewandt werden.
FIG. 1 zeigt das Prinzip eines als Vierpol betriebenen OFW-Resonators, FIG. 2 die entsprechende Darstellung für einen 2-Pol OFW-Resonator. Für beide Resonatortypen sind auch die elektrischen Eigenschaften in Form von Betriebsdämpfung und -phase bzw. Impedanzbetrag und -phase gegen die Frequenz dargestellt. In den Figuren ist mit 1 jeweils das stabförmige Substrat bezeichnet, das mit einem Ende in einer Halterung 2 befestigt ist. Am anderen Ende ist mit F der Aufpunkt einer zu messenden Kraft bezeichnet. Auf dem Substrat sind Reflektorstrukturen 3 und Wandlerstrukturen 4 aufgebracht.
FIG. 3 zeigt, wie sich z. B. die Betriebsphase des 4-Pol-OFW-Resonators beim Anlegen einer Kraft F verschiebt. Die Betriebsfrequenz eines Oszillators verschiebt sich somit um den Betrag Af.
FIG. 4 zeigt eine Ausführungsform, die aus zwei Resonatoren besteht, von denen nur einer in der Betriebsfrequenz durch eine Kraft F verändert wird. Wird nun die Frequenzdifferenz zwischen beiden Resonatoren der Meßauswertung zugeführt, so lassen sich störungsbedingte Frequenzänderungen in den OFW-Resonatoren besonders einfach kompensieren. Die Kraftaufnehmer werden dadurch z. B.
besonders unempfindlich gegen Temperaturänderungen.
FIG. 5 zeigt das Blockschaltbild einer einfachen Kraftmeßanordnung, bei der der OFW-Resonator in den Rückkopplungszweig eines Oszillators 5 geschaltet ist. Uber einen Trennverstärker 6 ist an einem Zähler 7 direkt das Ergebnis der Frequenzverschiebung ablesbar.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist mechanisch sehr robust, sehr einfach aufgebaut, d. h. in Massenfertigung billig herzustellen; sie ist temperaturunempfindlich; eine direkte digitale Anzeige der Kraft über Frequenzmessung ist möglich. Ein Analog/Digital-Wandler wie bei vielen bekannten Anordnungen entfällt.

Claims

Patentansprüche Druck- oder Kraftaufnehmeranordnung aus einem piezoelektrischen Substrat mit einer akustischen Oberflächenwellenanordnung, weiches durch die zu messende Kraft bzw.

Druck verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Oberflächenwellenanordnung (4) durch Reflektoren (3) zu einem Resonator vervollständigt ist, daß das Substrat (1) stabförmig ist,an einem Ende in einer Halterung (2) fest eingespannt ist, und dalS auf das andere, frei bewegliche Ende die zu messende Kraft (F) bzw. der Druck einwirkt, so daß sich die Resonanzfrequenz des Resonators mit der zu messenden Kraft bzw. dem Druck verändert.
2. Druck- oder Kraftaufnehmeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Oberflächenwellenresonatoren die passiven elektrischen Elemente im Rückkopplungszweig eines Oszillators sind, so daß die Änderung der Resonanzfrequenz der akustischen Oberflächenwellenresonatoranordnung proportional zur zu messenden Kraft ist.
3. Druck- oder Kraftaufnehmeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Paar von zwei identisch aufgebauten piezoelektrischen Substraten mit akustischen Oberflächenwellenresonatoren besteht, von denen nur eines durch die zu messende Kraft verformt und in seiner Resonanzfrequenz verändert wird und die Differenzfrequenz zwischen der durch die Kraft verformten und in der Resonanzfrequenz veränderten Anordnung und der von der Kraft nicht verformten Anordnung als Meßgröße verwendet wird.
4. Druck- oder Kraftaufnehmeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Resonanz- bzw. Differenzfrequenz direkt auf einem Zähler ablesbar ist.