Die Auflösung eines DMS-Sensors
Ein Kraftsensor mit Dehnungsesstreifen wandelt mechanische Dehnung in eine minimale Spannungsänderung um. Daher begrenzt nur der A/D-Wandler oder das Display der Elektronik die Auflösung der Messkette. In unserem Fall wird die die obere Hälfte des Sensors bewegt. Diese bewegte Masse dämpft den Stoß etwas. Im ersten Experiment wird der 10kN Sensor an der Anzeige AE 703 mit einer Auflösung von 10 000 Teilen betrieben. Ein Gewicht wird aufgelegt. Der Aufnehmer erfährt eine Laständerung von etwa 15g – das sind 15g/1019 000g=0,000014, also 0,014 Prozent der Nennlast. Diese Laständerung wird sicher dargestellt. Sogar der absolute Messwert ist korrekt.
Bild: Kraftaufnehmer TS 10kN wird mit 15g belastet: Einstellungen Messrate 6,25/s, Auflösung 10 000 Teile, der Nullpunkt schwankt mit etwa +/- 2g
Die Auflösung lässt sich durch Verwendung einer kleineren Einheit noch erhöhen:
Bild: Auflösungen bis zu 9 999 999 Teile können in ASTAS dargestellt werden
Der Falltest
Der Test wird an einem S-förmigen Aufnehmer, auf den ein 250g-Gewicht fällt, durchgeführt. Da wir möglichst viele Werte erfassen wollen, wird im AE 703 auf maximale Messgeschwindigkeit von 1600 Messungen pro Sekunde umgestellt. Der A/D Wandler nimmt 3200 Werte pro Sekunde auf und mittelt zwei Messwerte zu einem. Somit sinkt die nominale Genauigkeit gegenüber einer geringen Messrate, da z.B. Nullpunktschwankungen stärker eingehen.
Bild: Neben Fallgewicht, Sensor und Anzeige wird auch ein PC mit der Software ASTAS benötigt
Fast-Logging mit ASTAS
Bild: Optionen für Fast Logging
Die Einstellungen sind gar nicht so schwer. Beim Fast Logging läßt sich die Messung über einen Trigger starten. Das erleichtert das Auffinden der interessanten Stelle in einer langen Reihe von Messwerten erheblich. In unserem Beispiel war zu beachten:
- Der Trigger funktioniert nur mit der Basiseinheit, also Newton. Gramm war nicht möglich
- Der Triggerwert muss negativ eingegeben werden, da der Sensor in Richtung negativ belastet wird
- Die Triggerrichtung ist negativ – Die Aufzeichnung soll bei Werten < -50N beginnen
Bild: Nach Drücken des Knopfes „Start“ wartet die Software auf den Trigger. Nach dem Fall des Gewichtes wird 3 s aufgezeichnet
Bild: Ausschnitt aus der Log-Datei
Nachbearbeitung in MS Excel
In der gespeicherten CSV-Datei finden sich die Daten: In Spalte 1 die Messzeit ab Triggerstart und in Spalte 2 der untarierte Messwert. In unserem Beispiel wurde ein Zugkraftaufnehmer auf druck belastet, daher zeigte er negative Kraftwerte an. Diese wurden in einer weiteren Spalte invertiert. Weiterhin wurde der Tarawert von 40N abgezogen und dann ein Diagramm erstellt. Wir sehen hier 16 Werte pro 10 ms, das ist unsere Messrate von 1600 Hz.
Bild: Das Diagramm in MS-Excel
Fazit und Fehlerbetrachung
Das Gewicht von 250g (knapp 2,5N) ist hart aufgeschlagen und sofort wieder von der Sensorober-fläche katapultiert worden. Diese kurze Krafteinwirkung begann bei 2 ms und war bei 4 ms bereits beendet, daher haben wir nur 3 Werte. Der Maximalwert liegt bei etwa 430 N. Dieser Wert ist etwa das 175-fache der Gewichtskraft der Prüfmasse – dies liegt im Erwartungsbereich. Die Fläche unter der Kurve ist der Energieeintrag der fallenden Masse. Wird der Fall gedämpft, z.B. durch eine höhere „tote“ Masse oder durch weniger harte Berührungsflächen, wird die Kurve flacher – die Energiemenge ändert sich nur wenig.
Bei deartigen Messungen ist zu beachten, dass verschiedene Massen beschleunigt werden, um im Sensor eine Dehnung zu erfassen. Dazu gehören neben der halben Sensormasse auch die Anbauteile. Ist das Widerlager nicht unendlich steif und schwer, wird es ebenfalls verformt und nimmt Energie auf. Diese mechanischen Einflüsse verringern die Maximalkraft. Daher wird die Messung nicht mit der nominalen Genauigkeit des Sensors erfolgen können, sondern oft im Bereich zwischen 1-5 Prozent des Messwertes liegen.
Eine dynamische Kraftmesseinrichtung muss nicht teuer sein: Schnelle stoßförmige Belastungen lassen sich mit der Anzeige AE 703 und der Software ASTAS mit wenig Aufwand erfassen. Wird als PC ein Laptop eingesetzt, entsteht eine leistungsfähige, mobile Messkette mit vielfältigen Auswertungs-möglichkeiten z.B mit MS-Excel.
