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在很多應(yīng)用中，例如在實(shí)驗(yàn)、機(jī)器人、裝配或是在生產(chǎn)中，都需要個(gè)傳感器來(lái)測(cè)量三個(gè)空間方向上的力，或者同時(shí)測(cè)量扭矩和力。HBK 久經(jīng)考驗(yàn)的 MCS10 多分量傳感器多年來(lái)直是此類(lèi)測(cè)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(gè)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(shí)，橋路中的兩個(gè)應(yīng)變片被拉伸，而另外兩個(gè)被壓縮。通過(guò)對(duì)此類(lèi)橋路提供激勵(lì)電壓，則可輸出電壓信號(hào)。由于應(yīng)變片具有優(yōu)異的相關(guān)線(xiàn)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(fù)應(yīng)變?nèi)Q于它們?cè)诨菟雇姌蛑械奈恢谩?span style="background-color: rgb(255, 255, 255);">因?yàn)閮蓚€(gè)應(yīng)變片在橋路中表現(xiàn)為正應(yīng)變（對(duì)張力響應(yīng)），而另外兩個(gè)表現(xiàn)為負(fù)應(yīng)變（對(duì)壓力響應(yīng)），我們可以通過(guò)巧妙地布置應(yīng)變片，確保傳感器只對(duì)種機(jī)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(shí)，頂部的應(yīng)變片變長(zhǎng)，底部的應(yīng)變片變短。如果橋路按照如此方式設(shè)計(jì)，則底部的應(yīng)變片將對(duì)輸出產(chǎn)生負(fù)影響，頂部的將產(chǎn)生正影響，并導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生 (見(jiàn)圖 2)。需要特別指出的是，雖然底部應(yīng)變片產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變和負(fù)影響，但對(duì)輸出的影響總是正的。另外，如果對(duì)梁施加拉向或壓向力，所有四個(gè)應(yīng)變片都變長(zhǎng)或變短，則輸出信號(hào)為零。通過(guò)這種方式，我們可以設(shè)計(jì)個(gè)只對(duì)彎矩響應(yīng)的傳感器。（見(jiàn)圖3）

與僅測(cè)量單個(gè)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(gè)測(cè)量橋路。每個(gè)橋路的應(yīng)變片的布置方式應(yīng)確保輸出信號(hào)僅為三個(gè)方向之的力矩或力。

不同負(fù)載情況下應(yīng)變片的布置及定位，詳見(jiàn) 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(duì)傳感器施加張力，也很可能測(cè)量到小信號(hào)。這是因?yàn)橹挥挟?dāng)所有四個(gè)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(shí)，測(cè)量信號(hào)才可能完全為零。實(shí)際上，測(cè)量體有公差，每個(gè)應(yīng)變片的靈敏度也不盡相同。

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

串?dāng)_ - 如何補(bǔ)償?

第步是考慮是否有必要進(jìn)行補(bǔ)償，因?yàn)镸CS10系列傳感器已經(jīng)將串?dāng)_降至低。

HBK 傳感器在進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，不僅要測(cè)量和評(píng)估被施加負(fù)載的部件，還要測(cè)量和評(píng)估傳感器中的所有其他測(cè)量電路，以確保傳感器在規(guī)定的誤差范圍內(nèi) - 因?yàn)榇當(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(duì)x和y方向的影響，以及對(duì)扭矩和彎矩的測(cè)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(bǔ)償矩陣示例

上面這個(gè)例子是個(gè)可以測(cè)量三個(gè)空間方向力的傳感器。對(duì)于六分量傳感器，將會(huì)有附加系數(shù)（Mx,My,Mz 處不為零）。

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

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

F´x 可通過(guò)以下方式確定:

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

對(duì)于其他部件，以下般是通用的：

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

這種復(fù)雜的計(jì)算通過(guò)現(xiàn)代放大器，可以非常輕松地進(jìn)行處理和串?dāng)_補(bǔ)償。例如 PMX 和 QuantumX 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都可以用來(lái)進(jìn)行校正測(cè)量。

原創(chuàng)作者：深圳市賽德力檢測(cè)設(shè)備有限公司

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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(bǔ)償？
閱讀次數(shù)：8990 發(fā)布時(shí)間：2021/1/28 8:45:23

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