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多分量傳感器中的串?dāng)_ 是什么原因引起的,如何補償?
閱讀次數(shù):8990   發(fā)布時間:2021/1/28 8:45:23
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 在很多應(yīng)用中,例如在實驗、機器人、裝配或是在生產(chǎn)中,都需要個傳感器來測量三個空間方向上的力,或者同時測量扭矩和力。HBK 久經(jīng)考驗的 MCS10 多分量傳感器多年來直是此類測量任務(wù)的可靠工具。

與所有基于應(yīng)變的傳感器樣,多分量傳感器需要采用惠斯通電橋

基于應(yīng)變的傳感器是如何工作的?

應(yīng)變片是種將應(yīng)變(即拉伸或壓縮)轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器部件。在應(yīng)用中,至少需要四個這樣的部件連接組成所謂的 惠斯通電橋 。當(dāng)施加力、彎矩或扭矩時,橋路中的兩個應(yīng)變片被拉伸,而另外兩個被壓縮。通過對此類橋路提供激勵電壓,則可輸出電壓信號。由于應(yīng)變片具有優(yōu)異的相關(guān)線性,因此,基于應(yīng)變的傳感器非常精確可靠。

應(yīng)變片產(chǎn)生正應(yīng)變或負應(yīng)變?nèi)Q于它們在惠斯通電橋中的位置。因為兩個應(yīng)變片在橋路中表現(xiàn)為正應(yīng)變(對張力響應(yīng)),而另外兩個表現(xiàn)為負應(yīng)變(對壓力響應(yīng)),我們可以通過巧妙地布置應(yīng)變片,確保傳感器只對種機械應(yīng)力作出響應(yīng)。如果將應(yīng)變片安裝在梁上,當(dāng)梁發(fā)生彎曲時,頂部的應(yīng)變片變長,底部的應(yīng)變片變短。如果橋路按照如此方式設(shè)計,則底部的應(yīng)變片將對輸出產(chǎn)生負影響,頂部的將產(chǎn)生正影響,并導(dǎo)致測量信號產(chǎn)生 (見圖 2)。需要特別指出的是,雖然底部應(yīng)變片產(chǎn)生負應(yīng)變和負影響,但對輸出的影響總是正的。另外,如果對梁施加拉向或壓向力,所有四個應(yīng)變片都變長或變短,則輸出信號為零。通過這種方式,我們可以設(shè)計個只對彎矩響應(yīng)的傳感器。(見圖3)

與僅測量單個方向的力傳感器或扭矩傳感器不同,多分量傳感器多有六個測量橋路。每個橋路的應(yīng)變片的布置方式應(yīng)確保輸出信號僅為三個方向之的力矩或力。

不同負載情況下應(yīng)變片的布置及定位,詳見 惠斯通電橋 文。

串?dāng)_—是如何產(chǎn)生的?

在上面的例子中,即使對傳感器施加張力,也很可能測量到小信號。這是因為只有當(dāng)所有四個應(yīng)變片具有完全相同的應(yīng)變并具有完全相同的靈敏度時,測量信號才可能完全為零。實際上,測量體有公差,每個應(yīng)變片的靈敏度也不盡相同。

因此,每個多分量傳感器都有被稱為串?dāng)_ - 也就是不需要信號的干擾效應(yīng)。即使只施加個方向的力或彎矩,也可以在其他方向上檢測到非常小的測量信號。


串?dāng)_ - 如何補償?

第步是考慮是否有必要進行補償,因為MCS10系列傳感器已經(jīng)將串?dāng)_降至低。

HBK 傳感器在進行校準(zhǔn)時,不僅要測量和評估被施加負載的部件,還要測量和評估傳感器中的所有其他測量電路,以確保傳感器在規(guī)定的誤差范圍內(nèi) - 因為串?dāng)_是技術(shù)參數(shù)表中規(guī)定的技術(shù)特性。例如z方向的力對x和y方向的影響,以及對扭矩和彎矩的測量電路的影響。

這些特性可在傳感器隨附的文檔中找到。用如下矩陣表示:


圖4:MCS10 串?dāng)_補償矩陣示例

上面這個例子是個可以測量三個空間方向力的傳感器。對于六分量傳感器,將會有附加系數(shù)(Mx,My,Mz 處不為零)。

為了能夠進行矩陣補償,必須調(diào)整放大器,使其以 mV/V. 形式輸出未標(biāo)度的測量值。

F´x 是串?dāng)_補償力; Fx, Fy 和 Fz 是放大器測量的信號 (mV/V).

F´x 可通過以下方式確定:

F´x=1.28706 * Fx + 0.0027 *Fy + 0.01483*Fz

對于其他部件,以下般是通用的:

在本示例中,采用的是個三分量力傳感器。除了這些力之外,還存在可以測量三個方向力及扭矩的傳感器,共有六個方程,每個方程有六個系數(shù)。

這種復(fù)雜的計算通過現(xiàn)代放大器,可以非常輕松地進行處理和串?dāng)_補償。例如 PMX 和 QuantumX 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都可以用來進行校正測量。

原創(chuàng)作者:深圳市賽德力檢測設(shè)備有限公司

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