DE102006004285A1

DE102006004285A1 - Sensoranordnung mit Dehnungsmessstreifen

Info

Publication number: DE102006004285A1
Application number: DE200610004285
Authority: DE
Inventors: Harry Kaiser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2007-08-02

Abstract

Es wird eine Sensoranordnung mit Dehnungsmessstreifen vorgeschlagen, bei der zur Bildung einer Messzelle (3) die Dehnungsmessstreifen auf einem Messelement (3) angebracht sind und die Messzelle (3) in einem Biegebalken (1) als Träger befestigt ist, wobei die Dehnung oder Stauchung des Biegebalkens (1) zur Bildung des Ausgangssignals der Sensoranordnung führt. Die Messzelle (1) ist mit dem Biegebalken (1) in einer Ausnehmung des Biegebalkens (1) ein- oder beidseitig verschweißt, vorzugsweise mittels Laserschweißens.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit Dehnungsmessstreifen, insbesondere für an einem Druckzuführungsteil liegende Sensorelemente, mit denen mechanische Kenngrößen eines Fahrzeugs, wie zum Beispiel die Beladung oder sonstige Gewichts- oder Beschleunigungsgrößen erfassbar sind, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus der DE 698 20 937 T2 ist eine Sensoranordnung mit Dehnungsmessstreifen als sogenannte Kraftmesszelle bekannt, bei der die Dehnungsmessstreifen in vergleichbarer Weise aus einem einen elektrischen Widerstand aufweisenden Draht bestehen, der auf einem Grundelement mäanderförmig angeordnet und dann die Dehnungsmessstreifen zu einer Wheatstoneschen-Messbrücke verschaltet sind. Die Dehnungsmessstreifen sind hier auf einem Biegekörper aufgeklebt, der sich bei einer mechanischen Belastung weitet oder zusammenzieht und sich somit auf der Oberfläche der Widerstandswert der Dehnungsmessstreifen verändert.

Bei dieser Kraftmesszelle mit dem oben genannten Aufbau ist es im Allgemeinen sehr schwierig einen als Kriechen bekannten Effekt zu vermeiden, der aus dem obigen Aufbau resultiert. Das Kriechen ist hierbei ein Effekt, bei dem in einem Zustand, in dem eine konstante Belastung auf den Biegekörper aufgebracht wird, der gemessene Wert des Ausgangssignals der Dehnungsmessstreifen über eine bestimmte Zeitdauer schwankt.

Der Kriecheffekt hängt im wesentlichen mit der Elastizität und der Gestaltung des Biegekörpers und vor allem mit den Eigenschaften des Klebstoffs zusammen, mit dem die Dehnungsmessstreifen nach dem Stand der Technik an dem Biegekörper angebracht sind.

Es sind verschiedene Methoden bekannt um diesen Kriecheffekt durch entsprechende Gestaltungen der Lage und Abmessungen des Widerstandsdrahtes der Dehnungsmessstreifen oder des Grundelements für die Dehnungsmessstreifen zu verringern, wobei die aus dem Stand bekannte Verwendung einer ganz speziellen chemischen Zusammensetzung des Grundelements eine relativ eng einzuhaltende Einmischung von Füllstoffen erfordert um das gewünschte Indexverhältnis zur Kompensation von Kriecheffekten zu gewährleisten.

Für sich gesehen ist andererseits beispielsweise aus der DE 197 11 366 A1 ein Drucksensor bekannt, der in Bremssystemen in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann. Als Druckwandler enthält diese Sensoranordnung eine handelsübliche Messzelle, welche mittels eines Flansches montiert wird. Auf der Membrane dieser Messzelle ist hier z.B. eine Widerstandsbrückenschaltung aus Polysilizium aufgebracht.

Diese bekannte Messanordnung ist vor allem für die Messung von Drücken in hydraulischen Systemen so ausge bildet, dass hier die Vermeidung von Luftpolstern im Messbereich im Vordergrund steht. Das hydraulische Medium wird zur Messung des Drucks über ein Messrohr an die Messzelle herangeführt, so dass hier eine große Zahl von Einzelteilen erforderlich sind, die separat befestigt und miteinander verbunden werden müssen. Die hydraulische Leitungsführung ist dabei insbesondere hinsichtlich der Bildung von Luftpolstern an den Verbindungsstellen anfällig, die zu Fehlmessungen und im Extremfall zu Fehlfunktionen des angesteuerten Aggregats, zum Beispiel ein Bremsaggregat, führen können. Zur Vermeidung der Bildung von Luftpolstern wird hier eine Laserverschweißung vorgeschlagen, mit der durch eine entsprechende Gestaltung der Schweißnaht die Bildung von nicht durchströmten Hohlkammern, die zur Bildung von Luftpolstern dienen können, weitgehend vermieden wird.

Offenbarung der Erfindung

Bei der eingangs erwähnten Sensoranordnung mit einer Messzelle, die auf einem Träger für die Zuführung der Messgröße fest angebracht ist, wird die Messzelle in einem Biegebalken als Träger angebracht und die Dehnung oder Stauchung des Biegebalkens führt zur Bildung des Ausgangssignals der Sensoranordnung. Diese Sensoranordnung ist erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass im Bereich der Befestigungsstelle der Messzelle diese in einer Ausnehmung des Trägers verschweißt ist. Insbesondere kann die Messzelle hierbei ein- oder beidseitig des Biegebalkens angeschweißt werden, vorzugsweise auch mittels eines Laserschweißprozesses.

Dadurch, dass die Dehnungsmessstreifen, bzw. die Messzelle erfindungsgemäß durch Schweißen mit dem Biegebalken verbunden sind, entfällt der in der Beschreibungseinleitung erwähnte Kriecheffekt, welcher bei den bisher bei Dehnungsaufnehmern verwendeten Klebeprozessen für die Messzelle auftritt.

Es können hier dadurch übliche, auch für andere Verwendungszwecke geschaffene handelsübliche Messzellen verwendet werden, die mit einem prozesssicheren Schweißverfahren, bei dem keine hohe Dichtigkeit der Schweißnähte erforderlich ist, einfach befestigt werden können.

Die Dehnungsmessstreifen können beispielsweise in Metall-Dünnschichttechnik auf eine Glasschicht der Messzelle aufgebracht werden oder es können die Dehnungsmessstreifen der Messzelle auch aus Widerstandselementen aus Polysilizium bestehen.

Im Bereich der Anbringung der Messzelle, zum Beispiel in einer mittigen Bohrung, kann auch zur Erhöhung des Messeffekts ein- oder beidseitig eine Einschnürung am Biegebalken angeordnet sein, wodurch sich der Biegebalken dann im eingeschnürten bzw. verjüngten Bereich besonders stark durchbiegt.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann über die Messzelle eine Leiterplatte mit einer Auswerteelektronik angebracht und mit dieser elektrisch verbunden werden. Über die Messzelle und/oder die Auswerteelektronik kann dann noch auf einfache herkömmliche Weise ein Steckergehäuse mit Anschlusspins übergestülpt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf einen Biegebalken als Träger für eine Messzelle, die Bestandteil einer Sensoranordnung mit Dehnungsmessstreifen ist,
2 einen Schnitt durch den Bereich des Trägers nach der 1, der die Messzelle trägt, mit der Verschweißung der Messzelle im Biegebalken,
3 eine Draufsicht auf den Biegebalken nach der 1 mit einer an die Messzelle angefügten Auswerteelektronik und
4 die komplette montierte Anordnung des Biegebalkens mit den zuvor beschriebenen Bauelementen und einem Steckergehäuse sowie mit Befestigungselementen.
Beim Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung als Kraftsensor ist eine Grundplatte als Biegebalken 1 ausgeführt. In einer mittigen Bohrung 2 ist eine Messzelle 3 mittels eines Laserschweißprozesses eingefügt, die aus einer herkömmlichen Druck- oder Kraftsensormesszelle bestehen kann. Weiterhin sind Einschnürungen 4 vorhanden, mit denen der Messeffekt dadurch erhöht wird, dass der Biegebalken 1 im Bereich der eingeschweißten Messzelle 3 geschwächt ist und sich daher im verjüngten Bereich besonders stark durchbiegt. Alternativ sind auch zusätzlich zu Befestigungsbohrungen 5 für den Biegebalken 1 weitere Bohrungen im Be reich der Messzelle 3 einfügbar um den gleichen Effekt zu erzielen.
Die Messzelle 3 ist beispielsweise aus Edelstahl hergestellt und weist eine durch Glasschichten isoliert auf gebrachte, hier im Detail nicht erkennbare Sensorschaltung mit Dehnungsmessstreifen (DMS) auf. Diese Sensorschaltung kann in herkömmlicher Weise als eine Wheatstonesche-Brückenschaltung in Metalldünnschichttechnik mit entsprechenden Widerständen als DMS ausgeführt werden, die bei einer Dehnung oder Stauchung eine Änderung des Widerstandswertes erfahren. Wird der Biegebalken 1 nach der 1 gedehnt, so werden zwei Widerstände der Wheatstoneschen Brückenschaltung gedehnt und der jeweilige Widerstandswert ändert sich. Die anderen zwei um 90° versetzten Widerstände bleiben konstant, so dass sich in an sich bekannter Weise eine messbare Verstimmung der Brückenschaltung ergibt.
Aus 2 ist ein Detailschnitt im Bereich der Befestigung der Messzelle 3 am Biegebalken 1 erkennbar. Hier sind erfindungsgemäße Schweißstellen 6 auf der Oberseite und 7 auf der Unterseite ersichtlich. Diese Schweißstellen 6 und 7 sind auf einfache Weise ausführbar und brauchen zur Gewährleistung der Vermeidung des Kriecheffekts in den meisten Anwendungsfällen auch keine Dichtigkeit aufweisen.
Eine weiter vervollständigte Darstellung nach 3 zeigt den Biegebalken 1 mit der Messzelle 3, auf den eine Leiterplatte 8 mit einer Auswerteelektronik für die Ausgangssignale der Wheatstoneschen Brückenschaltung elastisch aufgeklebt ist. Aus der Leiterplatte 8 ragen noch Anschlusspins 9 heraus.
4 zeigt die fertig montierte Sensoranordnungen, bei der auf die Leiterplatte 8 mit der Auswerteelektronik und den Anschlusspins 9 noch ein Steckergehäuse 10 übergestülpt, bzw. gerastet oder geklebt ist. Mit Befestigungsschrauben 11 ist diese Anordnung dann zur Aufnahme einer Kraft oder einem Druck an ein entsprechendes Aggregat anbaubar.
Die Erfindung ist beispielsweise zur Erfassung von mechanischen Kräften oder Drücken, zum Beispiel zur Be ladungserkennung, an Kraftfahrzeugen einsetzbar.

Claims

Sensoranordnung mit Dehnungsmessstreifen, bei der – zur Bildung einer Messzelle (3) die Dehnungsmessstreifen auf einem Messelement (3) angebracht sind und die Messzelle (3) in einem Biegebalken (1) als Träger befestigt ist, wobei die Dehnung oder Stauchung des Biegebalkens (1) zur Bildung des Ausgangs Signals der Sensoranordnung führt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messzelle (1) mit dem Biegebalken (1) in einer Ausnehmung des Biegebalkens (1) verschweißt ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messzelle (3) beidseitig des Biegebalkens (1) mittels Schweißnähten (6,7) angeschweißt ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messzelle (3) mittels Laserschweißen am Biegebalken (1) angeschweißt ist.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Dehnungsmessstreifen in Metall-Dünnschichttechnik auf eine Glasschicht der Messzelle (3) aufgebracht sind.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Dehnungsmessstreifen der Messzelle (3) aus Widerstandselementen aus Polysilizium bestehen.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, durch gekennzeichnet, dass – im Bereich der Anbringung der Messzelle (3) ein- oder beidseitig eine Einschnürung (4) am Biegebalken (1) angeordnet ist.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – über die Messzelle (3) eine Leiterplatte (8) mit einer Auswerteelektronik und mit Anschlusspins (9) angebracht und mit dieser elektrisch verbunden ist
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – über die Messzelle (3) und/oder die Leiterplatte (8) mit der Auswerteelektronik ein Steckergehäuse (10) angebracht ist.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sensoranordnung zur Beladungsmessung in einem Kraftfahrzeug eingesetzt ist.