DD257492B3

DD257492B3 - CAPACITIVE FUEL SENSOR

Info

Publication number: DD257492B3
Application number: DD29962887A
Authority: DD
Inventors: Christian Dr Sc Techn Beck; Hans-Hermann Dr-Ing Seidel; Harry Prof Dr-Ing Hab Trumpold
Original assignee: Techn Uni Chemnitz
Priority date: 1987-02-02
Filing date: 1987-02-02
Publication date: 1993-01-07
Also published as: DD257492A1

Description

Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Kraftsensor fur die Bestimmung von Kräften und Massen in Prozessen der Kraftmeßtechnik, derWerkstoffpruftechmkund der WagetechnikThe invention relates to a capacitive force sensor for the determination of forces and masses in processes of the force measuring technique, the material testing technology of the weighing technique

Characteristic of the known state of the art

Bekannt sind kapazitive Sensoren fur die Kraft- und Druckmessung, deren physikalisches Prinzip darin besteht, daß die Kapazitätsänderung durch Veränderung des Plattenabstandes infolge einer elastischen Verformung von mechanischen Verformungskorpern genutzt wird.Capacitive sensors are known for force and pressure measurement, the physical principle of which is that the change in capacitance is utilized by changing the distance between the plates as a result of elastic deformation of mechanical deformation bodies.

In DE-OS 2514511 A1 und in der Zeitschrift „Automatisierungstechnische Praxis" atp. 27.Jg., H.1,1985, S. 6-16 werden kapazitive Sensoren beschrieben, bei denen die Druckkraft über eine Achse auf einen Verformungskorper beispielsweise in Form von Membran- oder Plattenfedern geleitet wird, der gleichzeitig die mittlere Elektrodenplatte und Masseelektrode eines Plattenabstandsdifferentialkondensators bildet, so daß sich bei Einwirkung der Meßkraft durch die elastische Verformung der Elektrodenplatte die Plattenabstande andern und damit eine Kapazitätsänderung erreicht wird Nachteil dieser Differentialkondensatoren mit verformter und dadurch bewegter mittlerer Elektrodenplatte ist, daß im mechanischen Aufbau zusätzliche Führungselemente erforderlich sind, um zu sichern, daß der Kraftangriffspunkt geradlinig in die geforderte Kraftrichtung verschoben, die Auswirkung von Querkraften weitgehend minimiert und eine hohe Parallelität der Kondensatorplatten gesichert werden Dieser zusätzliche Aufwand an mechanische Bauteilen beeinflußt nachteilig die statischen und dynamischen Eigenschaften, insbesondere die Meßumkehrspanne und die Linearität der statischen KennlinieIn DE-OS 2514511 A1 and in the journal "Automatische Praxis" atp. 27.Jg., H.1, 1985, pp 6-16 capacitive sensors are described in which the pressure force on an axis on a Verformungskorper example in shape is guided by membrane or plate springs, which simultaneously forms the middle electrode plate and ground electrode of a plate distance differential capacitor, so that when the measuring force by the elastic deformation of the electrode plate, the plate distances other and thus a capacitance change is achieved disadvantage of this differential capacitors with deformed and thus moving average Electrode plate is that in the mechanical structure additional guide elements are required to ensure that the force application point moved in a straight line in the required direction of force, the effect of lateral forces largely minimized and high parallelism of the capacitor plates are secured This zus additional expenditure on mechanical components adversely affects the static and dynamic properties, in particular the measurement reversal span and the linearity of the static characteristic curve

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, einen kapazitiven Kraftsensor bereitzustellen, der mit wenig Aufwand an unterschiedliche Aufgaben der Kraftmessung und an verschiedene Meßbereiche angepaßt werden kann und der bei einfachem mechanischem Aufbau hohe meßtechnische Anforderungen erfüllt und dabei zuverlässig und betriebssicher arbeitetThe aim of the invention is to provide a capacitive force sensor, which can be adapted with little effort to different tasks of force measurement and to different measuring ranges and meets high metrological requirements with a simple mechanical design and works reliably and reliable

-2- 257 492 Darlegung des Wesens der Erfindung-2- 257 492 Explanation of the nature of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mechanische Verformungskörper so anzuordnen, daß ein Plattenabstandsdifferentialkondensator gebildet wird, der bei Verformung der Verformungskorper unter Krafteinwirkung eine hohe Parallelität der Elektrodenflachen sichert und dabei gleichzeitig unter Gewährleistung guter meßtechnischer Eigenschaften wie großer linearer Meßbereich, geringe Meßumkehrspanne durch die Bereitstellung eines unmittelbar weiterverarbeitbaren Meßsignals mikroelektronik- und mikrocomputerkompatibel ist.The invention has for its object to arrange mechanical deformation body so that a plate gap differential capacitor is formed, which ensures a high parallelism of the electrode surfaces upon deformation of the deformation under force while ensuring good metrological properties such as large linear measuring range, small Meßumkehrspanne by providing a directly weiterverarbeitbaren measurement signal microelectronics and microcomputer compatible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß unter Verwendung an sich bekannter Verformungskorper in Form von Plattenfedern oder Biegebalken dadurch gelöst, daß mindestens zwei symmetrische Verformungskörper, vorzugsweise in Form von kreisringformigen Plattenfedern oder Biegebalken, mit definierter geometrischer Gestalt an ihren äußeren Enden miteinander durch Befestigungsschrauben und Lagesicherungselemente fest verbunden und mit ihren biegesteifen Zentren, deren Flächen gleichzeitig Masseelektrodenflächen eines Plattenabstandsdifferentialkondensators bilden, axial über ein Verbindungselement in Form einer Befestigungsschraube und eine Distanzbuchse, in Form eines Gewindebolzens oder durch Formschluß von Druckzapfen miteinander fest gekoppelt sind, so daß damit eine Federgelenkführung gebildet wird. Zwischen den Masseelektroden ist eine mit den Enden der Verformungskorper starr befestigte elektrisch nichtleitende Platine angeordnet, die auf ihren Oberfächen in definierten Abstanden und parallel zu den Masseelektrodenflächen zwei aktive Elektroden trägt, so daß die federgelenkgeführten biegesteifen Zentren der Verformungskörper und die dazwischen liegende Platine mit den aktiven Elektroden einen Plattenabstandsdifferentialkondensator bilden, dessen aktive Elektroden feststehen und zwischen den auf Massepotential liegenden, federgeführt beweglichen Masseelektroden liegen.This object is achieved according to the invention using known per se deformation in the form of plate springs or bending beam in that at least two symmetrical deformation body, preferably in the form of kreisringformigen plate springs or bending beam, with defined geometric shape at their outer ends firmly connected to each other by fastening screws and position securing elements and with their rigid centers, the surfaces of which simultaneously form ground electrode surfaces of a plate-gap differential capacitor, are axially coupled together via a connecting element in the form of a fastening screw and a spacer, in the form of a threaded bolt or by positive locking of pressure pin, so that thus a spring joint guide is formed. Between the ground electrodes, a rigidly fixed to the ends of the Verformungskorper electrically non-conductive board is arranged on its surfaces in defined distances and parallel to the ground electrode surfaces carries two active electrodes, so that the spring joint guided rigid centers of the deformation body and the intermediate board with the active Electrodes form a plate-gap differential capacitor whose active electrodes are fixed and lie between the lying at ground potential, spring-guided movable ground electrodes.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Verformungskörper auch aus elektrisch nichtleitendem Material bestehen können und an den der elektrisch leitenden auf Massepotential liegenden Platine zugewandten Flächen aktive Elektroden tragen.Another feature of the invention is that the deformation body can also consist of electrically non-conductive material and wear active electrodes on the electrically conductive surface lying at ground potential facing surfaces.

Die aktiven Elektroden des Plattenabstandsdifferentialkondensators sind mit einer im Kraftsensor integrierten elektronischen Auswerteschaltung verbunden, wobei sich die Auswerteschaltung im Hohlraum zwischen den Platten befindet und die Anschlußklemmen durch eine Öffnung geführt sind. Zur Verbesserung der elektrischen und dynamischen Eigenschaften kann der Hohlraum mit einem Füllstoff ausgefüllt werden.The active electrodes of the plate-gap differential capacitor are connected to an electronic evaluation circuit integrated in the force sensor, wherein the evaluation circuit is located in the cavity between the plates and the terminals are guided through an opening. To improve the electrical and dynamic properties of the cavity can be filled with a filler.

Die elastische Verformung der Verformungskorper bei Belastung bewirkt eine der zu messenden Kraft proportionale Elektrodenabstandsänderung und damit eine Änderung des elektrischen Kapazitätswertes. Die Verwendung von monikristallinem Silizium als Werkstoff für die Verformungskorper sichert eine geringe Hysterese. Zum Schutz gegen mechanische Überlastung ist ein definierter Abstand zwischen der Auflagefläche und einem Anschlag oder der Anschlagfläche am biegesteifen Zentrum vorhanden, der kleiner als der minimale Plattenabstand ist. Die axiale Anordnung einer Kugelkalotte gewahrleistet eine definierte punktförmige Krafteinleitung.The elastic deformation of the deformation body under load causes an electrode distance change proportional to the force to be measured and thus a change in the electrical capacitance value. The use of monocrystalline silicon as a material for the Verformungskorper ensures low hysteresis. To protect against mechanical overload, a defined distance between the bearing surface and a stop or the abutment surface at the rigid center is present, which is smaller than the minimum plate spacing. The axial arrangement of a spherical cap ensures a defined punctiform application of force.

Der einfache Aufbau und die Federgelenkfuhrung in Form der durch das Verbindungselement miteinander axial fest gekoppelten biegesteifen Zentren der Verformungskorper sichern eine hohe Quersteifigkeit und Parallelität der Elektrodenflächen, gewahrleisten gute meßtechnische Eigenschaften und gestatten in Verbindung mit der integrierten Auswerteelektronik die Abbildung der elastischen Verformung der Verformungskorper auf ein weiterverarbeitbares elektromagnetisches Meßsignal,so daß die Erfindung vorteilhaft mikroelektronik- und mikrocomputerkompatibel einsetzbar ist.The simple structure and the Federgelenkfuhrung in the form of the interconnected by the connecting element axially rigid bending centers of Verformungskorper ensure high transverse stiffness and parallelism of the electrode surfaces, ensure good metrological properties and allow in conjunction with the integrated evaluation of the image of the elastic deformation of the Verformungskorper on weiterverarbeitbares electromagnetic measurement signal, so that the invention is advantageously microelectronics and microcomputer compatible used.

Ausführungsbeispieleembodiments

Die Erfindung soll nachfolgend an Ausfuhrungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen naher erläutert werden. Es zeigenThe invention will be explained in more detail below by exemplary embodiments and the accompanying drawings. Show it

Fig. 1. schematische Darstellung eines kapazitiven Kraftsensors als Plattenabstandsdifferentialkondensator und Federgelenkführung ausgebildet, bei dem die biegesteifen Zentren kreisringförmige Plattenfedern als Verformungskorper mit einer Befestigungsschraube und einer Distanzbuchse gekoppelt sind.Fig. 1. Schematic representation of a capacitive force sensor formed as a plate-gap differential capacitor and spring joint guide, in which the rigid centers are coupled annular plate springs as Verformungskorper with a fastening screw and a spacer bushing.

Fig. 2: schematische Darstellung eines kapazitiven Kraftsensors als Plattenabstandsdifferentialkondensator und Federgelenkführung ausgebildet, bei dem die biegesteifen Zentren von Biegebalken als Verformungskorper mit einem Gewindebolzen gekoppelt sind.Fig. 2: schematic representation of a capacitive force sensor formed as a plate-gap differential capacitor and spring joint guide, in which the rigid centers of bending beams are coupled as a deformation body with a threaded bolt.

Fig.3. schematische Darstellung eines kapazitiven Kraftsensors als Plattenabstandsdifferentialkondensator und Federgelenkfuhrung ausgebildet, bei dem die biegesteifen Zentren kreisringformiger Plattenfedern der Verformungskorper als Druckzapfen ausgebildet, formschlüssig aneinander liegen.Figure 3. Schematic representation of a capacitive force sensor formed as a plate-gap differential capacitor and Federgelenkfuhrung, in which the rigid centers kreisringformiger plate springs of the deformation formed as a pressure pin, are positively against each other.

In Fig. 1 ist ein kapazitiver Kraftsensor dargestellt, bei dem zwei Verformungskörper 5 in Gestalt von kreisringformigen Plattenfedern mit definierter geometrischer Gestalt an ihren äußeren Enden 19 durch Befestigungsschrauben 10 und durch Sicherungselemente 14 fest verbunden sind. Beide Verformungskorper 5 sind an ihren biegesteifen Zentren 18 axial über ein Verbindungselement 7 in Form einer Befestigungsschraube und eine Distanzbuchse 8 miteinander fest gekoppelt, so daß damit eine Federgelenkfuhrung gebildet wird. Zwischen den beiden Verformungskorpern 5, die gleichzeitig Masseelektroden mit den Masseelektrodenflachen 6 darstellen, ist eine mit den äußeren Enden 19 der Verformungskorper 5 starr befestigte, elektrisch nichtleitende Platine 1 angeordnet. Auf deren Oberflachen befinden sich in definierten Plattenabstanden 16 parallel zu den Masseelektrodenflachen 6 zwei aktive Elektroden 2 Auf diese Weise bilden die federgelenkgeführten biegesteifen Zentren 19 der Verformungskorper 5 und die dazwischenliegende Platine 1 mit den aktiven Elektroden 2 einen Plattenabstandsdifferentialkondensator, bei dem die aktiven Elektroden 2 feststehen und zwischen den auf Massepotential liegenden federgefuhrt beweglichen Masseelektroden liegen. Bei Krafteinwirkung F über die Kugelkalotte 9 auf die Verformungskorper 5 erfolgt dadurch eine der Kraft proportionale Änderung der Plattenabstande 16 zwischen den Elektroden. Die Plattenabstandsanderung bewirkt eine Veränderung der elektrischen Kapazität, die in der elektronischen Auswerteschaltung 3 auf ein Meßsignal abgebildet wird und an den Anschlußklemmen 4, die durch eine Öffnung 11 gefuhrtIn Fig. 1, a capacitive force sensor is shown in which two deformation body 5 in the form of kreisringformigen plate springs with a defined geometric shape at their outer ends 19 by fastening screws 10 and by securing elements 14 are fixedly connected. Both deformation bodies 5 are fixedly coupled to each other at their rigid centers 18 axially via a connecting element 7 in the form of a fastening screw and a spacer bushing 8, so that thus a Federgelenkfuhrung is formed. Between the two deformation bodies 5, which simultaneously represent ground electrodes with the ground electrode surfaces 6, a with the outer ends 19 of the deformation body 5 rigidly fixed, electrically non-conductive board 1 is arranged. In this way, form the spring joint guided rigid centers 19 of the deformation body 5 and the intermediate board 1 with the active electrodes 2 a plate-gap differential capacitor, in which the active electrodes 2 are fixed and between the lying at ground potential spring-guided movable ground electrodes. Upon application of force F via the spherical cap 9 to the deformation body 5, this results in a force-proportional change of the plate spacings 16 between the electrodes. The plate distance change causes a change in the electrical capacitance, which is mapped in the electronic evaluation circuit 3 to a measuring signal and at the terminals 4, which passes through an opening 11

sind, abgegriffen werden kann. Der definierte Abstand 12 der Anschlagfläche 15 am biegesteifen Zentrum 18 und der Auflagefläche 13 ist kleiner als der minimale Plattenabstand 16, so daß damit ein Schutz gegen mechanische Überlastung gegeben ist und eine Beschädigung der Elektroden vermieden wird.are, can be tapped. The defined distance 12 of the abutment surface 15 at the rigid center 18 and the support surface 13 is smaller than the minimum plate spacing 16, so that there is a protection against mechanical overload and damage to the electrodes is avoided.

Im Hohlraum 20 befindet sich ein spezieller Füllstoff, wobei die Öffnung 11 geschlossen ist. Damit verbessern sich die elektronischen und dynamischen Eigenschaften.In the cavity 20 is a special filler, wherein the opening 11 is closed. This improves the electronic and dynamic properties.

In Fig. 2 ist ein kapazitiver Kraftsensor dargestellt, bei dem die Verformungskörper 5 als Biegebalken ausgebildet sind, die miteinander durch ein festes Verbindungselement 7 in Form eines Gewindebolzens axial gekoppelt sind.In Fig. 2, a capacitive force sensor is shown, in which the deformation body 5 are formed as bending beams, which are axially coupled together by a fixed connection element 7 in the form of a threaded bolt.

Der Schutz gegen mechanische Überlastung wird durch den Anschlag 17 in Verbindung mit der Anschlagfläche 12 erreicht. Die Ausführung nach Fig. 2 gestattet die Realisierung von Baugrößen geringer Breite.The protection against mechanical overload is achieved by the stop 17 in conjunction with the stop surface 12. The embodiment of FIG. 2 allows the realization of sizes of small width.

Ein kapazitiver Kraftsensor, bei dem die biegesteifen Zentren 18 der Verformungskörper 5, in Form kreisringförmiger Plattenfedern, als Druckzapfen 21 gestaltet und formschlüssig verbunden sind, wird in Fig. 3 dargestellt. Diese Ausführung ermöglicht bei verringerter Anzahl von Bauteilen die Verwendung von Verformungskörpern 5 ohne durchgehende Bohrungen in den biegesteifen Zentren 18.A capacitive force sensor, in which the rigid centers 18 of the deformation body 5, in the form of annular plate springs designed as a pressure pin 21 and are positively connected, is shown in Fig. 3. This embodiment allows for a reduced number of components, the use of deformation bodies 5 without through holes in the rigid centers 18th

Claims

1. Capacitive force sensor with integrated electronic Auswerterschaltung and using mechanical deformation body which are connected to each other at their outer ends releasably or permanently connected and non-positively coupled in their centers by a fixed connection element and / or form-fitting, characterized in that the deformation body (5 ) have a rigid center (18) and that between the deformation bodies (5) an insulated, rigidly mounted board (1) is arranged on their surfaces at defined plate intervals (16) of the ground electrode surfaces (6), in particular of the Board (1) facing surfaces of the rigid centers (18) are formed, two active electrodes (2) carries, the surface ends of which face the ground electrode surfaces (6) in parallel.

2. Capacitive force sensor according to claim 1, characterized in that the deformation body (5) consist of electrically non-conductive material and on their the active electrodes (2) facing surfaces carrying electrically conductive ground electrodes.

3. Capacitive force sensor according to claim 1 and 2, characterized in that the deformation bodies consist of a hysteresis-poor material, in particular monocrystalline silicon.

4. Capacitive force sensor according to claim 1 to 3, characterized in that the deformation body (5) at its outer ends (19) with each other and with the board (1) by fastening screws (10) releasably connected and secured with securing elements (14) and that the rigid centers (18) of the deformation body (5) are preferably mechanically coupled via a connecting element (7) in the form of a fastening screw and a spacer bushing (8) or in the form of a threaded bolt and as a pressure pin (21) are formed, the surfaces of which lie against each other in a form-fitting manner ,

5. Capacitive force sensor according to claim 1 to 4, characterized in that a defined distance (12) between the support surface (13) and the stop surface (15) at the rigid center (18) or in that a stop (17) is arranged.