Um die Genauigkeit eines multidimensionalen Sensors zu definieren, soll zuerst zwischen zwei wichtigen Begriffen unterschieden werden:
Der Begriff "Genauigkeitsklasse", der in allen Datenblättern und Produktbeschreibungen erscheint, bezieht sich auf die Sensor-Genauigkeit.
In dem Dokument Sensoren::Genauigkeit gibt es eine ausführliche Erläuterung dieses Begriffs und eine Zusammenfassung der wichtigsten Kriterien für die Genauigkeitsklasse:
Bei Kraft- und Drehmomentsensoren werden folgende Eigenschaften zur Einstufung in eine Genauigkeitsklasse herangezogen:
- relative Standardmessunsicherheit
- relative Linearitätsabweichung und Hysterese
- temperaturbedingte Drift des Nullsignals
- temperaturbedingte Drift der Steigung der Kennlinie
Bei den Mehrachsen- und Mehrkomponenten-Sensoren tritt ein weiterer Effekt auf, das so genannte Übersprechen. Hier ist eine Erläuterung aus dem Dokument Mehrkomponenten Sensoren:
Übersprechen (Crosstalk)
Die Einleitung einer Kraft oder eines Momentes in einer Messachse hat auch eine 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. In dieser Ebene befindet sich auch der Ursprung des Mehrachsen-Kraftsensors. In der tatsächlichen Anwendung befindet sich der Kraftangriffspunkt (Arbeitspunkt) meist nicht im Ursprung des Mehrachsen-Kraftsensors. Dadurch entstehen zusätzliche Momente.
Bei der Auswahl des Messbereiches müssen diese zusätzlichen Momente berücksichtigt werden, um eine Überlastung des Sensors auszuschließen.
Sollen die Momente um den Kraftangriffspunkt berechnet werden, so ist eine zusätzliche Rechenoperation oder alternativ eine Transformation der Kalibriermatrix notwendig. Die Rechenoperation ist in der Anleitung ba-k6d.pdf beschrieben. Die Software GSVmulti gestattet die Eingabe des Abstandes des Kraftangrifsspunktes vom Koordinaten-Ursprung.
Das Übersprechen im jeweiligen Arbeitspunkt lässt sich minimieren durch eine Kalibrierung im Arbeitspunkt. Die zusätzlichen Momente werden dann bei der Kalibrierung im Arbeitspunkt berücksichtigt und in die Fehlerkompensation einbezogen.
Methoden der Kalibrierung
Kalibrierung für spezielle Lastvektoren
Mit der Option "Matrix Plus" lässt sich das Übersprechen in diesem Arbeitspunkt auf 0,2% bis 0,5% reduzieren. Die Option Matrix Plus beinhaltet
- einen quadratischen Ansatz zur Fehlerkompensation und/oder
- eine Kalibrierung im Arbeitspunkt der geplanten Anwendung des Sensors und/oder
- eine Kalibrierung mit dem Lastvektor der geplanten Anwendung im Ursprung des Sensors.
Der quadratische Ansatz zur Fehlerkompensation minimiert das Übersprechen exakt im Arbeitspunkt. Bei höheren Belastungen kann der quadratische Ansatz zu größeren Fehlern führen, als eine Fehlerkompensation mit linearem Ansatz.
Die Kalibrierung mit dem Lastvektor der geplanten Anwendung minimiert ebenfalls das Übersprechen für diesen Lastvektor.
Die Auswahl des jeweiligen Verfahrens ist abhängig von der Verfügbarkeit der Kalibrierzubehöre und von den individuellen Anforderungen der Anwendung.
Universelle Kalibrierung
Für Anwendungen, bei denen der Lastvektor unbekannt ist, wird eine Kalibrierung mit 100% Nennlast empfohlen. Zur Minimierung des Übersprechens kann zusätzlich ein quadratischer Ansatz "Matrix Plus" angewendet werden mit einer mathematischen Optimierung für die Lastfälle 20%, 40%, 60% und 80% der Nennlast.
Der Wert des Übersprechens wird in jedem Datenblatt von Mehrachsen- und Mehrkomponenten-Sensoren separat von der Genauigkeitsklasse angegeben.
Hier können Sie "Matrix Plus" direkt bestellen.
1-Achsen Kraftsensoren
Auch bei der Anwendung von 1-Achsen Kraftsensoren können Querkräfte und Momente eingeleitet werden. Dies führt auch hier zu einer Anzeige eines Messwertes infolge des Übersprechens. Bei konstanter Querkraft oder bei konstantem Moment führt dies zu einer Verschiebung des Nullpunktes. Diese kann mit Hilfe der Nullsetzfunktion abgeglichen werden oder kann rechnerisch als Offset berücksichtigt werden.
Zusammenfassung
Genauigkeit und Übersprechen werden bei 6-Achsen (Kraft-/Momenten) Sensoren getrennt ausgewiesen. Die Genauigkeitsklasse wird typischerweise mit 0,2% angegeben. das Übersprechen mit 1%. In der Regel führt die temperaturbedingte Drift von 6-Achsen Sensoren zu einer Herabsetzung der Genauigkeitsklasse auf 0,2%. Reproduzierbarkeit (Standarmessunsicherheit) und Linearität sind in der Größenordnung von 1-Achsen Kraftsensoren mit Genauigkeitsklasse 0,1%.
Durch spezielle Kalibrierverfahren lässt sich das Übersprechen minimieren auf eine Größenordnung von 0,2%...0,5%.
