Messen in 3D: Was leistet ein Mehrkomponenten-Sensor?

Wenn beispielsweise in der Robotik Kräfte oder Drehmomente gleichzeitig entlang mehrerer Vektorachsen gemessen werden sollen, empfiehlt sich der Einsatz sogenannter Mehrkomponenten-Sensoren: Hier sparen die „Mehrachser“ einfach viel Platz und Installationsaufwand im Vergleich zur Installation mehrerer einachsiger Sensoren. Bei der Auswahl des passenden Mehrkomponenten-Sensors sollte vor allem auch das Thema „Crosstalk“ beachtet werden.

Ein Mehrkomponenten-Sensor (auch Mehrachsen-Sensor genannt) misst Kräfte/ Momente, die in mehr als einer Raumrichtung auftreten – wie z.B. Messungen in x- und y-Richtung. Einige Mehrkomponenten-Aufnehmer können nicht nur Kräfte in entsprechender Achsrichtung (2K / 3K) messen, sondern auch Drehmomente, die um die Achsen wirken. Werden neben den Kräften auch Drehmomente ermittelt, kann ein Mehrkomponentensensor also maximal bis zu sechs Komponenten (3xF, 3xM) messen.

Zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten

Somit ermöglicht ein einzelner „Mehrkomponenten-Sensor“ die quasi 3-dimensionale Messung von physikalischen Größen. Mit dieser Eigenschaft kommen sie bevorzugt in Anwendungen zum Einsatz, in denen eine mehrdimensionale Belastung bestimmt werden soll, die in Form von x-, y- und z-Vektoren beschrieben ist. Typische Anwendungsgebiete finden sich z.B. in der Robotik oder Maschinenüberwachung (z.B. in der Flugzeugmontage oder Tunnelbohrmaschinen) zur Grenzlastüberwachung und in diversen Prüfständen (z.B. Reifentest- oder Auswuchtmaschinen) zur Datenerfassung des Prüflings sowie in Strukturtests von Offshore-Anwendungen.

Mehrkomponentensensoren ermöglichen das Messen von Kräften und Momenten an 3 Achsen.

Beispiel der Kompensationsmatrix eines Mehrkomponentenaufnehmers
Beispiel der Kompensationsmatrix eines Mehrkomponentenaufnehmers
Robotik und Flugzeugmontage sind typische Anwendungsgebiete.
Robotik und Flugzeugmontage sind typische Anwendungsgebiete. Foto: Shutterstock.

Minimieren des Übersprechens

Ein typisches Problem bei Messaufgaben mit mehreren Lasten, die auf Mehrkomponenten-Sensoren einwirken, ist das sogenannte „Übersprechen“ („Crosstalk“). Wird eine Last in nur einer Richtung angelegt, so ergibt dies prinzipbedingt (physikalischer Poissoneffekt) aufgrund der Querempfindlichkeit des Sensors auch ein minimales Ausgangssignal in den anderen Achsen. Dennoch gibt es hier technische Möglichkeiten, diese Querdehnungseffekte (Crosstalk) zu minimieren. So ist es zum Beispiel mit den HBM-Messverstärkersystemen PMX oder QuantumX möglich, Kompensations-Berechnungen über die so genannte Matrixkompensation individuell durchzuführen. Diese Kompensation kann das Übersprechen um den Faktor 3 bis 5 reduzieren. Die individuelle Kompensationsmatrix eines Mehrkomponentenaufnehmers ist Voraussetzung, um das Übersprechen bewerten zu können und mit intelligenter Messtechnik das Übersprechen auf ein Minimum reduzieren zu können. Die Transparenz und der Umgang eines Sensorherstellers mit dem Thema Übersprechen sollte auf jeden Fall bei der Auswahl eines Mehrkomponenten-Sensors genau geprüft werden.