什么是串擾?如何進行串擾補償?

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什么是串擾?如何進行串擾補償?的圖1

什么是串擾?如何進行串擾補償?的圖2    
串擾是如何引起的?如何輕松地進行補償?  

 
在很多應用中,例如在實驗、機器人、裝配生產過程中,都需要一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久經考驗的MCS10多分量傳感器多年來一直是此類測量任務的可靠工具。  

 
與所有基于應變的傳感器一樣,多分量傳感器需要采用惠斯通電橋。  

基于應變的傳感器是如何工作的?


應變片是一種將應變(即拉伸或壓縮)轉換為電阻變化的傳感器部件。在應用中,至少需要四個這樣的部件連接組成所謂的 惠斯通電橋 。當施加力、彎矩或扭矩時,橋路中的兩個應變片被拉伸,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。由于應變片具有優異的線性,因此,基于應變的傳感器非常精確可靠。應變片產生正應變或負應變取決于它們在惠斯通電橋中的位置。


因為兩個應變片在橋路中表現為正應變(對張力響應),而另外兩個表現為負應變(對壓力響應),我們可以通過巧妙地布置應變片,確保傳感器只對一種機械應力作出響應。  

 
什么是串擾?如何進行串擾補償?的圖3  
圖1 安裝應變片的彎曲梁。底部的應變片在壓力作用下產生正應變,頂部的應變片對張力響應。  

 
什么是串擾?如何進行串擾補償?的圖4  
圖2 傳感器彎曲:底部的應變片變短,頂部的應變片變長,并導致測量信號產生。  

 
什么是串擾?如何進行串擾補償?的圖5  
圖3 應用:所有的應變片應變大小和方向相同,輸出信號為零。  

 
如圖所示,如果將應變片安裝在梁上,當梁發生彎曲時,頂部的應變片變長,底部的應變片變短。如果橋路按照如此方式設計,則底部的應變片將對輸出產生負影響,頂部的將產生正影響,并導致測量信號產生 (見圖2)。另外,如果對梁施加拉向或壓向力,所有四個應變片都變長或變短,則輸出信號為零。通過這種方式,我們可以設計一個只對彎矩響應的傳感器(見圖3)  

 
與僅測量單個方向的力傳感器或扭矩傳感器不同,多分量傳感器最多有六個測量橋路。每個橋路應變片的布置方式應確保輸出信號僅為三個方向之一的力矩或力。 不同負載情況下應變片的布置及定位,可參考惠斯通電橋 一文。  

串擾是如何產生的?


在上面的例子中,即使只施加一個方向的力或彎矩,也可以在其他方向上檢測到非常小的測量信號。這是因為只有當所有四個應變片具有完全相同的應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,每個應變片的靈敏度也不盡相同。


因此,每個多分量傳感器都存在被稱為串擾,也就是不需要信號的干擾效應。


串擾如何補償?


第一步是考慮是否有必要進行補償,因為MCS10系列傳感器已經將串擾降至最低。HBK傳感器在進行校準時,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,以確保傳感器在規定的誤差范圍內 - 因為串擾是技術參數表中規定的技術特性。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:

什么是串擾?如何進行串擾補償?的圖6

圖4 MCS10串擾補償矩陣示例


上面這個例子是一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(Mx,My,Mz 處不為零)。


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

F′x 是串擾補償力; 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,以下一般是通用的:

什么是串擾?如何進行串擾補償?的圖7

在本示例中,采用的是一個三分量力傳感器。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,一共有六個方程,每個方程有六個系數。


這種復雜的計算通過現代放大器,可以非常輕松地進行處理和串擾補償。例如PMX和QuantumX數據采集系統都可以用來進行校正測量。



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