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Optimiertes Verfahren zur dynamischen Charakterisierung von Mehrkomponentensensoren für Kräfte und Momente

06.11.2018

Kraft- und Momentsensoren, die im Einsatz dynamischen Belastungen ausgesetzt sind, müssen in vergleichbaren Einsatzszenarien charakterisiert werden. Für periodische Belastungen von Kraftsensoren setzt die PTB einen elektrodynamischen Schwingerreger ein. Dieser eignet sich in der bisherigen Form jedoch nur zur Charakterisierung uniaxialer Sensoren. Zur Untersuchung von Mehrkomponentensensoren muss dieser Aufbau entsprechend erweitert werden.

Zur Charakterisierung von Kraft- und Momentsensoren werden diese Sensoren mit einer bekannten Kraft bzw. einem bekannten Moment belastet und das Signal des Sensors wird mit dieser Last verglichen. Referenzkräfte werden hierzu meist nach der Grundgleichung der Mechanik aus dem Produkt einer bekannten Masse und der Beschleunigung dieser Masse bestimmt. Für Momente wird zusätzlich noch ein Hebelarm zwischen der Krafteinleitung und dem Sensor benötigt.

Der elektrodynamische Schwingerreger der PTB kann zeitlich veränderliche Beschleunigungen in einer Achse erzeugen. Die Beschleunigung wird in der selben Achse von einem Laservibrometer als Referenz gemessen. Wird ein Kraftsensor mit einer bekannten Lastmasse auf dem Schwingerreger befestigt, kann somit die auf den Sensor wirkende Kraft berechnet werden.

Bei der Charakterisierung von Mehrkomponentensensoren ist es erforderlich, diese Referenzkraft in mehreren Richtungen anzuregen und zu messen. Im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten gemeinschaftlichen Forschungsprojektes zwischen PTB und dem Institut für Produktionsmesstechnik (IPROM) der TU Braunschweig wurden diese beiden Punkte speziell untersucht. Um eine Anregung in unterschiedlichen Richtungen realisieren zu können, wurden verschiedene Adaptionselemente entwickelt, mit denen der Sensor auf dem Schwingerreger in unterschiedlichen Orientierungen montiert werden kann. Somit wird zwar weiterhin die Beschleunigung in einer Richtung ausgeführt, allerdings können die Kräfte auf die unterschiedlichen Achsen des Sensors wirken.

Um auch die Beschleunigung in mehreren Richtungen messen zu können, wurde das Vibrometer durch ein photogrammetrisches Messsystem ergänzt. Dieses System verwendet Industriekameras, welche die Lastmasse auf dem Sensor beobachtet. Durch die Verwendung von zwei Kameras je Beobachtung kann die Bewegung der Lastmasse dreidimensional erfasst werden. Aus dem zeitlichen Verlauf der Bewegung kann die Beschleunigung der Masse und somit die auf den Sensor wirkende Kraft errechnet werden. Bild 1 zeigt den Schwingerreger mit montiertem Mehrkomponentensensor und photogrammetrischem Messsystem im Hintergrund.

In einer ersten Versuchsreihe wurde ein kommerziell erhältlicher Mehrkomponentensensor auf seine dynamischen Eigenschaften untersucht. Die Entwicklung des verbesserten Aufbaus und die Ergebnisse der Untersuchung wurden in der Fachzeitschrift Journal of Sensors and Sensor Systems zur Veröffentlichung angenommen [1].

Bild 1: Mehrkomponentensensor mit Belastungsmasse auf dem dynamischen Schwingerreger. Im Hintergrund ist das neu installierte Photogrammetriesystem zur Bestimmung der Beschleunigung in sechs Freiheitsgraden zu sehen. [1]

Literatur:

[1] J. Nitsche, R. Kumme, R. Tutsch: Dynamic characterization of multi-component sensors for force and moment, Journal of Sensors and Sensor Systems, 7, 577–586, 2018, Opens external link in new windowLink

Ansprechpartner:

Jan Nitsche, FB 1.2, AG 1.21, E-Mail: Opens window for sending emailjan.nitsche(at)ptb.de