DE3330879A1

DE3330879A1 - Elektromechanischer sensor zur kraftmessung

Info

Publication number: DE3330879A1
Application number: DE19833330879
Authority: DE
Inventors: Helmold Dipl.-Phys. Kausche; Adolf Dipl.-Phys. 8000 München Münzer
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1983-08-26
Filing date: 1983-08-26
Publication date: 1985-03-14

Description

Elektromechanischer Sensor zur Kraftmessunq
Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Sensor zur Kraftmessung mit einer Blattfeder als kraftaufnehmendes Element, bei dem zumindest ein Dehnungsmeßstreifen aus einer dünnen, nicht selbsttragenen und mit einer Kunststoffolie stoffschlüssig verbundenenen Widerstandsschicht auf der Blattfeder angeordnet ist.
Derartige Sensoren werden zur Messung mechanischer Grö'-ßen, wie z.B. Druck, Kraft, Gewicht, in Meßgeräten mit elektrischen Anzeigensystemen benötigt.
Die Druckmessung bis 500 mbar erfolgte bisher entweder mechanisch mittels einer geprägten Membran und Analoganzeige oder durch eine elektromechanische Messung, wobei kapazitive oder induktive Druckmeßgeräte bzw. ein mit einer integrierten Schaltung gekoppelter Silicium-Membran-Sensor eingesetzt wurden.
Die genannten Meßverfahren sind entweder aufwendig oder nicht genügend genau.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen einfach aufgebauten und kostengünstigen elektromechanischen Sensor, insbesondere für die Messung kleiner Drucke bzw. Druckunterschiede an flüssigen oder gasförmigen Medien, anzugeben, bei dem das zum angelegten Druck proportionale elektrische Signal einen geringen Linearitätsfehler und eine geringe Temperaturempfindlichkeit aufweisen soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgmäß dadurch gelöst, daß der Dehnungsmeßstreifen im wesentlichen in Biegerichtung der Blattfeder angeordnet ist, daß elektrische Widerstände einer Ansteuerschaltung einstückig mit dem Dehnungsmeßstreifen verbunden und aus derselben Widerstandsschicht gebildet sind, und daß die Widerstände im wesentlichen senkrecht zur Biegerichtung der Blattfeder angeordnet sind.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die elektrischen Widerstände mäanderförmig ausgebildet sind, daß die Hauptrichtung der Widerstandsbahnen senkrecht zur Biegerichtung der Blattfeder angeordnet ist, und daß die durch die Querdehnung dieser Widerstandsbahnen auftretende Verminderung ihres elektrischen Widerstandswertes durch die in Biegerichtung angeordneten Widerstandsbahnen kompensiert ist.
Ein besonderer Vorteil wird dadurch erzielt, daß die Blattfeder im mittleren Bereich eine biegesteife Einprägung besitzt und daß im Bereich dieser Einprägung die Ansteuerschaltung in Form eines integrierten Schaltkreises angeordnet ist.
Vorzugesweise ist die Blattfeder in einem Metallgehäuse mittels eingebogener oder eingestanzter flacher Laschen lose gehaltert und auf der Unterseite der Blattfeder ein Kunststoffbalg als mechanischer Druckübertrager angeordnet.
Die Vorteile des Gegenstandes der Erfindung werden anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.
In der dazugehörenden Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf einen elektromechanischen Sensor und Fig. 2 eine Seitenansicht eines in einem Blechgehäuse angeordneten elektromechanischen Sensors.
In der Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen elektromechanischen Sensor dargestellt, der zwei Dehnungsmeßstreifen 1 aufweist, die im wesentlichen in Biegerichtung der Blattfeder 2 angeordnet sind. Neben den Dehnungsmeßstreifen 1 sind eine Reihe von mäandrierten Widerstandsbahnen 3 dargestellt, bei denen die Hauptrichtung senkrecht zur Biegerichtung der Blattfeder 2 angeordnet sind. Hierdurch wird erreicht, daß die Widerstände 3 nicht durch Dehnung, wie im Falle der Dehnungsmeßstreifen 1, eine Widerstandserhöhung erfahren.
Durch die Querdehnung der Widerstandsbahnen 3 tritt jedoch eine Verminderung ihres Widerstandwertes durch Querschnittsveränderung ein. Um diesen Effekt zu kompensieren, werden die zwischen den Mäanderbiegungen in Biegerichtung der Blattfeder 2 liegenden kleinen Stücke so lang und breit gemacht, daß deren Dehnung bzw.
Widerstandserhöhung den Querdehnungseffekt grade kompensiert. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß der Widerstand dieser Querstücke ca. 9% des Gesamtwiderstandswertes beträgt.
In der Mitte der Blattfeder 2 ist ein Vierfach-Operationsverstärker OP angeordnet, der als Ansteuer- und Verarbeitungsschaltung für den elektromechanischen Sensor dient. An den Anschlußpunkten 4 wird die Versorgungsspannung für die Schaltung zugeführt und das Ausgangssignal abgenommen. Dehnungsmeßstreifen 1 und Widerstandsbahnen 3 sind einstückig aus einer Widerstands- schicht, beispielsweise durch selektives Ätzen hergestellt. Zwischen der Blattfeder 2, die beispielsweise aus 0,3 mm starkem Aluminiumblech besteht, und den dünnen, nicht selbsttragenden Widerstandsschichten ist zur Isolierung eine Kunststoffolie angeordnet, mit der die Metallschichten stoffschlüssig verbunden sind.
In der Fig. 2 ist eine Seitenansicht eines elektromechanischen Sensors dargestellt, bei dem die Blattfeder 2 in einem Blechgehäuse 5, beispielsweise einer gedrückten Dose, mittels eingebogener oder eingestanzter flacher Laschen 6 lose eingesetzt ist. Durch diese Lagerung der Blattfeder 2 wird eine große Druckempfindlichkeit erreicht. Im mittleren Bereich 7 weist die Blattfeder 2 durch Prägen der Kanten und der Mittelmulde eine Verstärkung auf, so daß sich dort die Blattfeder 2 und die darauf angeordnete Schaltung 8 nicht biegen können. Im Bereich dieser Versteifung ist die Ansteuerschaltung OP angeordnet. Als Druckübertragung dient ein Faltenbalg 9 aus Kunststoff, beispielsweise aus einem heißgepreßten PVC-Schlauch, der mit einem Schlauchanschluß 10 versehen ist. Das Anschlußkabel 11 weist beispielsweise je zwei Adern für die Versorgungsspannung bzw. das Ausgangssignal auf.
Über der gesamten Anordnung ist als Schutz eine Plastikhaube 12 angebracht. Zur Herstellung des Sensors dient beispielsweise das Federmaterial zunächst als Kaschierblech, aus dem die einzelnen Blattfedern ausgestanzt werden. Diese Federn tragen Dehnungsmeßstreifen als aktive Elemente und die Widerstände für die Verschaltung mit einem Verstärker-IC. Mit einem Flat-oder Mikro-Pack in dem geprägten, dehnungsunempfindlichen Mittelteil der Blattfeder hybridiert, können da- mit Drucksensoren mit einer Auflösung im Bereich von weniger als 1 mbar und einem Signal bei Nenndruck von ca. 10 V hergestellt werden.
Die Hybridierung der kostengünstigen Dehnungsmeßstreifen mit einem Verstärker-IC und die einfache mechanische Druckübertragung mittels eines Kunststoffbalges garantieren geringe Herstellungskosten für diese elektromechanischen Sensoren.
4 Patentansprüche 2 Figuren - Leerseite -

Claims

Patentansprüche Elektromechanischer Sensor zur Kraftmessung mit einer Blattfeder als kraftaufnehmendes Element, bei dem zumindest ein Dehnungsmeßstreifen aus einer dünnen, nicht selbsttragenden und mit einer Kunststoffolie stoffschlüssig verbundenenen Widerstandsschicht auf der Blattfeder angeordnet ist, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Dehnungsmeßstreifen (1) im wesentlichen in Biegerichtung der Blattfeder (2) angeordnet ist, daß elektrische Widerstände (3) einer Ansteuerschaltung (OP) einstückig mit dem Dehnungsmeßstreifen (1) verbunden und aus derselben Widerstandsschicht gebildet sind, und daß die Widerstände (3) im wesentlichen senkrecht zur Biegerichtung der Blattfeder (2) angeordnet sind.
2. Elektromechanischer Sensor nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die elektrischen Widerstände (3) mäanderförmig ausgebildet sind, daß die Hauptrichtung der Widerstandsbahnen senkrecht zur Biegerichtung der Blattfedern (2) angeordnet ist, und daß die durch die Querdehnung dieser Widerstands bahnen auftretende Verminderung ihres elektrischen Widerstandswertes durch die in Biegerichtung angeordneten Widerstandsbahnen kompensiert ist.
3. Elektromechanischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Blattfeder (2) im mittleren Bereich (7) eine biegesteife Einprägung besitzt und daß im Bereich dieser Einprägung die Ansteuerschaltung (OP) in Form eines integrierten Schaltkreises angeordnet ist.
4. Elektromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Blattfedern (2) in einem Metallgehäuse (5) mitteils eingebogener oder eingestanzter flacher Laschen (6) lose gehaltert ist und daß auf der Unterseite der Blattfeder (2) ein Kunststoffbalg (9) als mechanischer Druckübertrager angeordnet ist.