Grundlagen Mehrkomponenten Sensoren

6-Achsen Kraft-/Momenten-Sensoren

KRÄFTE und MOMENTE

Diese Sensoren K6D und F6D eignen sich zur Messung von Kräften und Momenten in den 3 Richtungen des Koordinatensystems.

Sie bestehen aus insgesamt 6 Dehnungsmessstreifen Vollbrücken.

Die 6 Messsignale werden über einen 24-poligen Steckverbinder zur weiteren Verarbeitung mit einem Messverstärker zur Verfügung gestellt.

Zur Berechnung der Kräfte und Momente aus den 6 Messsignalen wird eine Kalibriermatrix benötigt. Die Kalibriermatrix stellt den Zusammenhang her zwischen den 6 Messsignalen und den Kräften Fx, Fy, Fz, und den Momenten Mx, My, und Mz (ba-k6d.pdf). Durch die Anwendung spezieller Kalibriermatrizen (Matrix Plus) lässt sich die Genauigkeit optimieren und das Übersprechen für einen bestimmten Lastfall minimieren.

Die Anwendung der Kalibriermatrix geschieht z.B. im Messverstärker GSV-8DS, so dass über die USB Schnittstelle oder über die Analogausgänge jeder Messkanal einer Kraft bzw. einem Moment entspricht.

(Kanal 1: Fx, Kanal 2: Fy, Kanal 3: Fy, Kanal 4: Mx, Kanal 5: My, Kanal 6: Mz).

Zur Berechnung der Kräfte und Momente müssen alle 6 Kanäle ausgewertet werden. Der Vektor mit den 6 DMS Signalen wird mit einer 6x6 Matrix multipliziert, um einen Vektor (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz) zu erhalten.

Kompakt und Genau

Ein Mehrkomponenten-Sensor ersetzt gleichzeitig bis zu 6 einachsige Sensoren. Ein Dreiachsen Kraftsensor vereint drei einachsige Kraftsensoren in einem Bauteil.

Die Genauigkeit, die mit einem Drei-Achs-Kraftsensor oder einem sechs Komponenten Sensor erzielt wird, lässt sich nicht durch die Kombination von 3- oder 6 einachsigen Sensoren realisieren: Herkömmliche Kraftsensoren reagieren empfindlich auf die „schiefe“ Einleitung von Kräften: Es entsteht ein Messfehler durch die Einleitung einer Kraft quer zur eigentlichen Messrichtung, der oft nicht genau beziffert werden kann. Bei der Kombination von drei Kraftsensoren in einer Serienschaltung nimmt ein Kraftsensor die Belastung in drei Dimensionen auf, obwohl er nur für eine Belastungsrichtung konzipiert ist. Zusätzlich bedeutet die Serienschaltung von Sensoren auch eine Serienschaltung (und damit eine Reduzierung) von Federsteifigkeiten. Versucht man dagegen die einzelnen Achsen durch Linearführungen zu trennen, werden Fehler in der Größenordnung von 10% und mehr verursacht durch die Haftreibung in Verbindung mit den geringen Messwegen von Kraftsensoren.

Drei-Achsen-Kraftsensoren und Mehrkomponenten Sensoren bieten höchste Genauigkeit und höchste Steifigkeit mit einer einfachen und kompakten Konstruktion.

Übersprechen (Crosstalk)

Die Einleitung einer Kraft oder eines Momentes in einer Messachse hat auch die Anzeige in den dazu senkrechten Achsen zur Folge. Dieser Effekt wird als Übersprechen "Crosstalk" bezeichnet.

Bei Drei-Achsen Kraftsensoren und bei Mehrkomponenten Sensoren beträgt das Übersprechen bei Einwirkung der Nennlast ca. 1% der Nennlast der übrigen Achsen.

Das Übersprechen ist proportional zur Höhe der Belastung. Mit zunehmenden Hebelarmen bzw. mit größeren Momenten nehmen die Verformung des Sensors und das Übersprechen zu.

Die Kalibrierung erfolgt in der Ebene der Stirnfläche der Sensoren.

Im Unterschied zu Dreiachsen-Kraftsensoren lässt sich bei Mehrkomponenten Sensoren das Übersprechen im jeweiligen Arbeitspunkt minimieren durch eine Kalibrierung im Arbeitspunkt. Durch Anwendung einer zweiten Kalibriermatrix (Matrix Plus) lässt sich das Übersprechen in diesem Arbeitspunkt auf 0,2% bis 0,5% reduzieren.