Übersprechen in Mehrachsen-Kraftmesssystemen kontrollieren

Bei hochpräziser Kraftmessung besteht das Ziel darin, mechanische Eingangsgrößen in unabhängige elektrische Ausgangssignale zu isolieren. Bei Mehrachsen-Sensoren tritt jedoch Übersprechen (Crosstalk) auf, wenn eine Last, die ausschließlich auf eine Achse aufgebracht wird, ein parasitäres Signal in einer anderen Achse erzeugt.

Für Interface Instrumentierung und Mehrachsen-Sensor-Systeme erfordert die Beherrschung dieses Problems einen dualen Ansatz: die Minimierung der mechanischen Kopplung am Federkörper und die Anwendung mathematischer Kompensation durch Präzisionselektronik.

In dieser technischen Diskussion beleuchten wir die Ursachen, Überlegungen und Best Practices für das Management von Übersprechen beim Einsatz von Mehrachsen-Sensoren.

Mechanische und elektrische Ursachen von Übersprechen

Übersprechen ist selten das Ergebnis eines einzelnen Fehlers, sondern vielmehr die Summe kleiner physikalischer und elektrischer Wechselwirkungen. Hier sind Beispiele, die diesen Punkt in Bezug auf Crosstalk-Quellen veranschaulichen.

• Federkörpergeometrie und Bearbeitung – Minimale Abweichungen in der Symmetrie eines Sensors oder der Ausrichtung seiner internen Messelemente können dazu führen, dass eine vertikale Last ein leichtes Biegemoment erzeugt.
• DMS-Ausrichtung – Wenn ein Dehnungsmessstreifen, der zur Messung axialer Dehnung vorgesehen ist, bei der Installation leicht verdreht wird, erfasst er einen Anteil der Querdehnung orthogonaler Lasten.
• Poissonsche Querkontraktionszahl – Die physische Ausdehnung eines Materials unter Druck kann von Dehnungsmessstreifen in benachbarten Kanälen erfasst werden, wenn die Wheatstone-Brückenschaltung nicht perfekt abgeglichen ist.
• Kabelinterferenzen – In Mehrkanal-Systemen kann kapazitive Kopplung zwischen benachbarten Leitern in einem Kabel ein Signal von einer Achse auf eine andere spiegeln und als mechanisches Übersprechen erscheinen.

Mathematische Kompensation über die Empfindlichkeitsmatrix

Um die tatsächlichen Kräfte zu ermitteln, behandeln wir den Mehrachsen-Sensor als lineares System. Für einen 6-Achsen-Sensor, der Kräfte und Momente misst, wird die Beziehung zwischen Rohspannung und aufgebrachten Lasten durch eine Empfindlichkeitsmatrix definiert.

Die Diagonalelemente repräsentieren die primäre Empfindlichkeit, während die Nebendiagonalelemente das Übersprechen quantifizieren. Um die tatsächlichen Lasten zu ermitteln, muss die Instrumentierung die inverse Koeffizientenmatrix anwenden.

Durch die Durchführung dieser Matrixmultiplikation in Echtzeit subtrahiert die Instrumentierung mathematisch die parasitären Signale und reduziert das Übersprechen von mehreren Prozentpunkten auf einen Bruchteil eines Prozents des Vollbereichsausgangs.

Hier sind vier konkrete Beispiele, die Möglichkeiten zur Steuerung von Empfindlichkeit und Übersprechen aufzeigen:

• Instrumentierungsstrategien zur Fehlerreduzierung, die mit der Auswahl des richtigen Signalkonditionierers beginnen, sind ebenso entscheidend wie das Sensordesign selbst. Interface bietet Werkzeuge, die speziell für die Mehrkanalensynchronisation und Matrixberechnung entwickelt wurden. Lesen Sie mehr in unserem Rückblick auf das Webinar zu innovativer Mehrachsen-Technik und Instrumentierung.
• Das BX8 Mehrkanal-Datenerfassungssystem ist ein Instrument, das für Mehrachsen-Sensoren entwickelt wurde. Es verfügt über eine integrierte Matrixberechnungsfunktion, die es dem Benutzer ermöglicht, die Kalibrierkoeffizienten direkt einzugeben. Das BX8-HD15 BlueDAQ Series Datenerfassungssystem für diskrete Sensoren mit Laborgehäuse führt die Kreuzkompensation intern durch und liefert einen linearisierten, korrigierten digitalen Ausgang.
• 9840 Intelligent Indicator – für einfachere Systeme ist dies ein hochstabiler Anzeiger, der die präzisen Erregerspannungen liefert, die zur Aufrechterhaltung des Brückengleichgewichts erforderlich sind. Jede Schwankung der Erregerspannung kann vom System als Kraftänderung an einer unbelasteten Achse fehlinterpretiert werden. Sehen Sie sich den 9840-400-1-T 4-Kanal Intelligent Indicator für vollständige Spezifikationen an.
• 6-Leiter-Brückenergänzung unter Verwendung von Sense-Leitungen stellt sicher, dass die Spannung an der DMS-Brücke unabhängig von der Kabellänge konstant bleibt. Dies bewahrt die Integrität der Empfindlichkeitsmatrix, die auf einer stabilen ratiometrischen Beziehung basiert. Lesen Sie den Artikel Überlegungen zur Brückenergänzung.

Best Practices für die Systemintegration

Selbst mit ausgefeilter Elektronik bestimmt die physische Installation das Basis-Übersprechen des Systems.

#1 – Präzision der Montagefläche ist essenziell. Hochleistungssensoren erfordern Montageflächen, die auf extreme Ebenheit bearbeitet sind. Jede Verwölbung in der Platte erzeugt Vorspannungen auf den Dehnungsmessstreifen und erhöht die Nichtlinearität.

#2 – Abschirmung und Erdung können elektrisches Übersprechen verhindern. Verwenden Sie Kabel, bei denen jedes Paar von DMS-Leitungen einzeln abgeschirmt ist. Alle Abschirmungen sollten an einem einzigen Sternpunkt am Messverstärker geerdet werden, um Erdschleifen zu vermeiden.

#3 – Ausrichtung ist der Ausgangspunkt. Die Verwendung von Präzisions-Passstiften oder Zentrierhilfen stellt sicher, dass die Sensorachsen perfekt mit den Maschinenachsen ausgerichtet sind. Dies verhindert geometrisches Übersprechen, bei dem eine Last in einem leichten Winkel relativ zum beabsichtigten Vektor aufgebracht wird.

Durch die Kombination von präzisionsgefertigten Sensoren mit matrixfähiger Instrumentierung wie dem BX8 können Ingenieure den Grad der Achsenisolation erreichen, der für die anspruchsvollsten Tests in der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie erforderlich ist.

Um mehr über Mehrachsen-Technik und Übersprechen zu erfahren, schauen Sie sich unser Webinar mit detaillierteren Informationen an.