Modellbasierte dynamische Kalibrierung von Kraftaufnehmern

Die zuverlässige Messung dynamischer Kräfte spielt in der Industrie eine wichtige Rolle. Um dafür eine metrologische Infrastruktur bereitzustellen, wird an der PTB der Ansatz verfolgt, das dynamische Verhalten des Kraftaufnehmers mithilfe eines mathematischen Modells zu beschreiben. Aufnehmer und Kalibriereinrichtung werden dabei als Serienanordnung von Masse- Feder-Dämpfer-Elementen modelliert. Massen, Steifigkeiten und Dämpfungen des Kraftaufnehmers werden über die Modellgleichung aus dynamischen Messdaten identifiziert. Das Ziel ist die allgemeine Charakterisierung des dynamischen Verhaltens, unabhängig von der jeweiligen Messanwendung oder der Art der Kraftanregung. Dabei sollten Kalibrierungen mit stoß- oder sinusförmigen Anregungen konsistente Parameter liefern.

Bei früheren Tests mit einem Kraftaufnehmer hoher Bandbreite hatten sich keine konsistenten Ergebnisse ergeben. Ein neues Modell kann dies nun vollständig erklären. Der als Fallstudie verwendete Kraftaufnehmer (Messbereich ± 1 kN, Krafteinleitung über zwei Gewindezapfen) wurde dabei mit stoß- bzw. sinusförmigen Kräften beaufschlagt. Zusätzlich angebrachte Belastungsmassen ermöglichten eine gezielte Veränderung des dynamischen Verhaltens. Die Stoßdauer lag in der Größenordnung von 0,1 ms bis 1 ms. Die maximale Anregungsfrequenz betrug 30 kHz.

Der Kraftaufnehmer besitzt zwei dominante Resonanzen, deren Ausprägung von der Größe der angekoppelten Masse abhängt. Bei einer typischen Stoßanregung ohne Belastungsmasse wird die tiefste Resonanz vom schwingenden Aufnehmergehäuse verursacht, bei einer Sinusanregung mit großen Massewerten von der elastisch gekoppelten Masse selbst. Das neue Modell aus drei elastisch gekoppelten Massen betrachtet eine beidseitig elastische Ankopplung des Aufnehmers. Die mit den unterschiedlichen Messaufbauten gemessenen Resonanzen wurden mit denen des Modells verglichen und so die Steifigkeitsparameter des Aufnehmers identifiziert.

Die verbesserte modellbasierte dynamische Kalibrierung lieferte konsistente Parameter aus Messdaten mit sinus- und stoßförmiger Kraftanregung. Dies belegt die Eignung der neuen Kalibriermethodik. Ergänzende Untersuchungen mit Finite- Elemente-Methoden bestätigten die Ergebnisse. Das dynamische Messverhalten des Kraftaufnehmers lässt sich folglich mit einer entsprechenden Modellerweiterung auf eine konkrete Messanwendung übertragen.