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PTB-Reports Mechanik und Akustik (MA)

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Title: Untersuchungen an Silizium-Verformungskörpern für die Anwendung in der Präzisions-Kraftmess- und Wägetechnik
Author(s): S. Mäuselein
Editor: Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Report type: PTB-Report
Year: 2009
Document number: PTB-MA-86
Pages: XV, 129
ISBN: ISBN 978-3-86509-994-5 ; ISSN 0179-0595
Abstract: Konventionelle Wägezellen (WZ) mit Dehnungsmessstreifen (DMS) erreichen maximal 6 000 Teilungsschritte für eichfähige Anwendungen. Damit sind sie auf Einsatzbereiche geringer bis mittlerer Präzision beschränkt. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger Sensor, basierend auf der Technologie der DMS-WZ, für den Einsatzbereich hoher Präzision entwickelt und untersucht. Der Sensor besteht aus einem einkristallinen Silizium-Federkörper (Si-FK) mit Dünnschicht-DMS. Da sich einkristallines Si bei Belastung ideal elastisch verformt, sind Zeitabhängigkeiten und Hysterese des Si-FKs vernachlässigbar gering. Die Applikation der DMS mittels Dünnschichtverfahren führt zu einer direkten Verbindung zwischen FK und DMS. Aus diesem Grund sind die Zeitabhängigkeiten während der Dehnungsübertragung vom FK zum DMS im Vergleich zu konventionellen Klebeverfahren erheblich reduziert und die Reproduzierbarkeit der Dehnungsmessung ist deutlich erhöht. Die mechanischen Eigenschaften der Si-FK werden neben der Geometrie maßgeblich von der Orientierung des anisotropen Si im FK bestimmt. Numerische Berechnungen mit der Finiten Elemente Methode führten zu einer für Si optimierten FK-Geometrie und zeigten die Einflüsse verschiedener Orientierungen des Si. Weiterhin wurde eine geeignete Einspannung des FKs entwickelt, die einen vernachlässigbaren Einfluss auf das Dehnungsverhalten im Bereich der DMS aufweist. Zur Erforschung des last- und zeitabhängigen Verhaltens der Si-WZ, wurden fünf Si-WZ gleicher Geometrie hergestellt und experimentell untersucht. Die Untersuchungen erfolgten im Temperaturbereich von ­10°C bis 40°C. Das Zeitverhalten des Messsignals der Si-WZ nach Lastwechseln unter konstanten Randbedingungen wurde im Vergleich zu konventionellen DMS-WZ deutlich verbessert. Die relative Änderung des Messsignals innerhalb der ersten zehn Minuten betrug nur 2·10.sup.-5.nosub. für Si-WZ. Zehn Minuten nach den Lastwechseln waren keine weiteren Zeitabhängigkeiten feststellbar. Die Kennlinien der Si-WZ zeigten im Vergleich zu konventionellen DMS-WZ um mehr als eine Größenordnung verbesserte Eigenschaften bezüglich Hysterese, Nullpunktsverhalten und Reproduzierbarkeit der Messwerte. Die Nichtlinearität war vergleichbar mit derer konventioneller DMS-WZ und muss beim Einsatz der Si-WZ in Bereichen mit hohen Anforderungen an die Präzision kompensiert werden. Zur Bewertung des Einsatzbereiches der Si-WZ, wurden die Messdaten bezüglich Nichtlinearität und Temperaturverhalten digital kompensiert und in Anlehnung an die internationale OIML-Empfehlung R60, zur Prüfung von WZ für eichpflichtige Anwendungen, ausgewertet. Die anhand der Kriech- und Richtigkeitsprüfung bewerteten Si-WZ erreichten mehr als 30 000 Teilungsschritte für eichfähige Anwendungen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Si-WZ mit Dünnschicht-DMS unter Anwendung digitaler Kompensationsverfahren für den Einsatzbereich hoher Präzision in der Wäge- und Kraftmesstechnik bestens geeignet sind.
Note: Untersuchungen an Silizium-Verformungskörpern für die Anwendung in der Präzisions-Kraftmess- und Wägetechnik ; (PTB-Bericht PTB-MA-86) ; Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2009

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