Quali sono le cause del crosstalk e come compensarlo facilmente

La necessità di avere un unico sensore che misuri le forze in tutte e tre le direzioni dello spazio o che misuri contemporaneamente coppia e forza si può presentare in un’ampia gamma di applicazioni, dagli esperimenti alla robotica, all’assemblaggio e alla produzione. Il sensore multicomponente MCS10 di HBK, provato e testato, è utilizzato ormai da diversi anni come strumento affidabile per questi tipi di misurazioni.

Il principio su cui si basa il funzionamento di un trasduttore multi-asse fa riferimento a un’importante proprietà comune a tutti i sensori basati su estensimetri: tutti questi sensori si basano sul circuito a ponte di Wheatstone.

Come funzionano i sensori basati su estensimetri?

Un estensimetro è un elemento del sensore che converte una deformazione (un allungamento o una compressione) in una modifica della resistenza. Nella pratica, almeno quattro di questi elementi sono connessi a formare un cosiddetto circuito a ponte di Wheatstone. Quando vengono applicati una forza, un momento flettente o una coppia che devono essere oggetto di misura, due degli estensimetri nel circuito a ponte si allungano, mentre gli altri due si comprimono. Se al circuito viene fornita tensione di eccitazione, viene emesso un segnale di tensione facilmente misurabile. Visto che tutti i rapporti sono lineari, è possibile costruire sensori basati su estensimetri molto precisi.

La deformazione subita dagli estensimetri può essere sia positiva che negativa, a seconda della loro posizione nel circuito a ponte di Wheatstone: in due punti del circuito, una deformazione positiva si traduce in una tensione in uscita positiva, negli altri due punti una deformazione negativa si traduce in un segnale in uscita positivo.

Dal momento che due estensimetri nel circuito subiscono una deformazione positiva, ossia un aumento del segnale in uscita in risposta alla tensione, e due estensimetri subiscono una deformazione negativa, ossia un aumento del segnale in uscita in risposta alla compressione, disponendo i sensori in maniera intelligente è possibile fare in modo che un sensore risponda con un segnale in uscita soltanto a un tipo di sollecitazione meccanica.

bending beam with strain gauge installation

Fig. 1: Raggio di curvatura con estensimetri installati. Gli estensimetri in basso subiscono una deformazione positiva in risposta alla compressione, quelli in alto in risposta alla tensione.

bent bending beam with installed strain gauges

Fig. 2: Curvatura del sensore: gli estensimetri in basso si accorciano, quelli in alto si allungano. Il segnale di misura viene generato in base ai diversi effetti.

Application of a tensile force on a strain gauge installation

Fig. 3: Applicazione di una forza di trazione: tutti gli estensimetri subiscono la stessa deformazione in termini di segno e quantità. Il segnale in uscita è uguale a zero.

Se gli estensimetri sono installati sul raggio come illustrato nella figura, quelli in alto si allungano e quelli in basso si accorciano quando il raggio si flette. Se il circuito è progettato in modo tale che gli estensimetri in basso abbiano un impatto negativo sul segnale in uscita e quelli in alto abbiano un impatto positivo, la curvatura si traduce in un segnale che viene misurato (vedi Fig. 2). È importante notare che gli estensimetri in basso hanno una deformazione negativa e un impatto negativo, cosicché l’impatto sul segnale in uscita alla fine è positivo. Se, invece, al raggio si applica una forza di trazione o di compressione, tutti e quattro gli estensimetri si allungano o si accorciano e il segnale in uscita è uguale a zero. In questo modo si ottiene un trasduttore che risponde solo ai momenti flettenti. (vedi Fig. 3)

A differenza dei trasduttori di forza o dei sensori di forza che misurano solo un componente, un sensore multicomponente ha un massimo di sei ponti di misura. Gli estensimetri di ogni ponte di misura sono disposti in modo tale che il segnale in uscita rappresenti solo un momento o la forza in una delle tre direzioni dello spazio.

L’articolo relativo al circuito a ponte di Wheatstone offre una panoramica sul layout, il cablaggio e il posizionamento degli estensimetri per diversi casi di carico.

Crosstalk: come avviene?

Nell’esempio precedente, molto probabilmente verrà rilevato e misurato un piccolo segnale anche se al trasduttore è applicata una forza di trazione. Ciò avviene perché un valore pari esattamente a zero viene misurato solo quando tutti e quattro gli estensimetri subiscono esattamente la stessa deformazione e hanno esattamente la stessa sensibilità. Nella pratica, i corpi oggetto di misura hanno delle tolleranze proprie e gli estensimetri hanno anche sensibilità diverse.

Per questo motivo, ogni sensore multi-asse presenta degli effetti indesiderati dovuti alle interferenze di segnale: questi effetti vengono definiti crosstalk. Anche se si applica solo la forza in una direzione o un momento flettente, sugli altri canali è possibile rilevare un piccolissimo segnale da misurare.

Crosstalk: Come compensarlo?

Il primo passo da fare è quello di considerare se la compensazione è davvero necessaria, dato che, con i sensori della serie MCS10, il crosstalk è ridotto al minimo.

La taratura presso HBK include la misurazione e la valutazione non soltanto del componente a cui si sta applicando il carico, ma anche di tutti gli altri circuiti di misura nel sensore. In questo modo, ci si assicura che il sensore rimanga nei limiti di tolleranza, visto che il crosstalk è una caratteristica tecnica indicata nella specifica. L’effetto di una forza nella direzione z sulle direzioni x e y è noto, così come il suo effetto sui circuiti di misura che registrano la coppia e i momenti flettenti. Naturalmente, ciò vale anche per tutti gli altri componenti.

Il risultato di queste misurazioni è contenuto nella documentazione fornita insieme al sensore ed è espresso in forma di matrice come illustrato qui di seguito:

Fig. 4: Esempio di una matrice di compensazione, come da documentazione fornita con ogni MCS10.

Questo esempio mostra un sensore in grado di misurare forze in tre direzioni dello spazio. Nel caso di un sensore a sei componenti, nelle posizioni in cui in questo caso è stato inserito uno zero, saranno presenti altri coefficienti.

Per poter utilizzare la matrice di compensazione, l’amplificatore deve essere regolato in modo tale che i valori prodotti in uscita siano valori misurati non in scala espressi in mV/V.

F´x è la forza con compensazione del crosstalk; Fx, Fy e Fz sono i segnali misurati dall’amplificatore (in mV/V).

F´x può essere determinata come segue:

F´x=1,28706 * Fx + 0,0027 *Fy + 0,01483*Fz

Per gli altri componenti, in generale vale quanto segue:

In questo esempio, è stato scelto un sensore con tre circuiti di misura per le forze in tre direzioni dello spazio. Naturalmente, è presente anche un sensore in grado di misurare i momenti in tre direzioni in aggiunta a queste forze, per cui si crea un set di sei equazioni in cui ogni equazione prende in considerazione sei coefficienti.

Questi calcoli complessi possono essere gestiti facilmente con gli amplificatori di misura moderni che compensano il crosstalk in fase di misura. Per le misurazioni di correzione, è possibile utilizzare sia il sistema di misura PMX per la produzione che il sistema di acquisizione dati QuantumX.

Per capire come effettuare la compensazione con i nostri sistemi/strumenti DAQ, fare riferimento ai seguenti articoli: