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Ein Kalibrierverfahren für einen Kraftvektorsensor mittels Kugelkalibrierkörper

17.11.2008

Kraft-Normalmesseinrichtungen erzeugen einen Kraftvektor, dessen Richtung durch die Erdbeschleunigung bestimmt wird. Zur Kalibrierung von Kraftvektorsensoren werden verschiedene Ausrichtungen von Kraftvektoren bezüglich des Koordinatensystems des Kraftvektorsensors benötigt. Dazu wurde ein spezieller Kalibrierkörper entwickelt. Aus den Signalen der Messkanäle des Sensors und dem Kraftvektor wurde eine Übertragungsmatrix berechnet, die Aufschluss über die Signale der Einzelkomponenten gibt sowie ein Übersprechen der Kanäle anzeigt.

Präzisions-Kraftaufnehmer messen die Kraft entlang einer durch ihre Bauform vorgegebene Achse. Um die steigende Nachfrage nach Mehrkomponenten-Kraftaufnehmern gerecht zu werden, wurde in einem Kooperationsprojekt ein entsprechender Aufnehmer, der Kraftvektorsensor, entwickelt, der in den Kraft-Normalmesseinrichtungen der PTB kalibriert werden soll. Dafür werden in der PTB verschiedene Verfahren untersucht und verglichen (siehe auch No matching tab handler could be found for link handler key record:tt_news:1554.).

Kraft-Normalmesseinrichtungen erzeugen definierte Kräfte meist durch Massestapel im Schwerefeld der Erde, deren Gewicht über ein Gehänge auf den zu kalibrierenden Kraftaufnehmer einwirkt. Die Richtung des Kraftvektors wird dabei durch die Richtung der Erdbeschleunigung bestimmt. Einachsige Kraftaufnehmer werden so ausgerichtet, dass die Achse der Kraft-Normalmesseinrichtung und die Achse des Aufnehmers auf einer Geraden liegen. Um den Kraftvektorsensor zu kalibrieren, müssen Vektoren verschiedener Richtungen bezüglich des Bezugssystems des Sensors erzeugt werden. Dafür wurde ein Kalibrierkörper entwickelt, auf dem der Kraftvektorsensor befestigt wird. Durch Rotation des Kalibrierkörpers verdreht sich das Bezugssystem des Sensors. Der Kalibrierkörper wurde so dimensioniert, dass durch die Rotation der Ursprung des Bezugssystems immer in der Achse der Kraft-Normalmesseinrichtung bleibt (Bild 1). So muss der Aufbau nur zu Beginn der Messungen ausgerichtet werden. Die Neigung des Sensors zur Achse der Kraft-Normalmesseinrichtung wird mit Neigungssensoren bestimmt, so dass daraus und aus der Gesamtbelastung durch den Massestapel der wirksame Kraftvektor bestimmt werden kann.

Kraftvektorsensor mit dem Kugelkalibrierkörper in der 100-kN-K-NME

Bild 1: Kraftvektorsensor mit dem Kugelkalibrierkörper in der 100-kN-K-NME

Aus den Signalen der Messkanäle und dem wirksamen Kraftvektor wird die Übertragungsmatrix ermittelt. Diese sagt aus, welche Messsignale die Einzelkomponenten der einwirkenden Kraft- und Momentvektoren auf den verschiedenen Kanälen des Kraftvektorsensors erzeugen. Aus der Matrix kann man unter anderem das Übersprechen der Kanäle ermitteln. Die ebenfalls aus dieser Matrix zu berechnende Entkopplungsmatrix kann im Auswerteprogramm hinterlegt werden, um aus den Messwerten die Komponenten des Kraft- und des Momentvektors zu berechnen und so das Übersprechen zu korrigieren.
Im Mess- und Auswerteprogramm können umfangreiche mathematische Modelle hinterlegt werden, die nicht nur das Übersprechen mit Gleichung bis zu dritten Grades korrigieren, sondern die gemessenen Kraft- und Momentvektoren können auch in verschiedene Darstellungsformen, wie zum Beispiel Komponenten in x-, y- und z-Richtung oder Betrag und Richtung des Vektors, umgerechnet werden oder in ein anderes Bezugskoordinatensystem transformiert werden.
Für dieses Kalibrierverfahren soll ein umfassendes Messunsicherheitsbudget aufgestellt werden. Anhand von Untersuchungen am Messaufbau und vergleichenden Messungen mit anderen Verfahren werden die einzelnen Komponenten des Messunsicherheitsmodells (Bild 2) bestimmt. Insbesondere das Übersprechen der Kanäle und die Unsicherheit des Kalibrierkörpers bezüglich der Darstellung einzelner Lastkomponenten sind zu berücksichtigen.
Ziel dieser Arbeiten ist es, dem Anwender einen Sensor zur Verfügung zu stellen, der als Transfernormal in der PTB kalibriert werden kann.

Messunsicherheitsmodell des Kraftvektorsensors

Bild 2: Messunsicherheitsmodell des Kraftvektorsensors

Ansprechpartner:

Sara Lietz, FB 1.2, AG 1.21 e-mail: Sara.Lietz@ptb.de
Falk Tegtmeier, FB 1.2, AG 1.21, e-mail: Falk.Tegtmeier@ptb.de