クロストークの原因とその簡単な補正方法

1台のセンサで3つの空間方向すべての力を計測したり、トルクと力を同時に計測したりする必要性は、実験、ロボット工学、組み立て、生産など、さまざまな用途で発生します。HBKのMCS10マルチコンポーネントセンサは、このような計測作業に長年使用されてきた実績を持つ信頼性の高いツールです。

多軸ひずみセンサの動作原理は、すべてのひずみゲージセンサが共通する重要な特性に基づいています。これらはホイートストンブリッジサーキットに依存しています。

ひずみゲージベースのセンサの動作原理

ひずみゲージは、ひずみ（伸びまたは圧縮）を抵抗値の変化に変換するセンサエレメントです。実際には、少なくとも 4つのこのような要素が接続されて、いわゆるホイ－ストンブリッジ回路が形成されています。計測する力、曲げモーメント、またはトルクが適用されると、ブリッジ回路内の2つのひずみゲージが伸び、他の2つは圧縮されます。この回路に励起電圧が供給されると、計測可能な電圧信号が出力されます。すべての要素間の相関性が直線性を持っているので、ひずみゲージに基づいて非常に正確なセンサを構築できます。

ひずみゲージが正ひずみと負ひずみのどちらを計測するかは、ホイートストンブリッジ回路内のそれらの位置によって異なります。回路内の2つのポイントでは、正のひずみが正の出力電圧になり、他の2つのポイントで負のひずみが正の出力信号になります。

2つのひずみゲージがブリッジ回路で正のひずみを計測するため（例：張力に応じて出力信号を増加する)、また、2つのひずみゲージに負のひずみが発生します。つまり、圧縮に応じて出力信号が増加します。これは、センサが1つのタイプの機械的応力だけに対して出力信号で応答するひずみゲージを巧みに配置することで確認できます。

図 1：歪みゲージが取り付けられたベンディングビーム。下側のひずみゲージでは、圧縮に応答して正のひずみが発生し、上側にあるゲージでは張力に応答したひずみが発生します。

bent bending beam with installed strain gauges

図 2：センサの曲がり：下側のひずみゲージが短くなり、上側のひずみゲージが長くなります。計測信号は、異なる効果によって生成されます。

Application of a tensile force on a strain gauge installation

図 3：引張力の適用：すべてのひずみゲージは、符号と量に関して同じひずみを経験します。出力信号はゼロです。

図に示すように、ビームにひずみゲージが取り付けられている場合は、上側のひずみゲージが長くなり、ビームが曲がると下側のひずみゲージが短くなります。回路が、下側のひずみゲージが出力にマイナスの影響を与えるように設計されており、上側にあるひずみゲージが出力にプラスの影響を与えるように設計されている場合、曲げにより信号が計測されます（図 2）。下側のひずみゲージには負のひずみと負の影響があるため、出力への影響は最終的にプラスになることに注意することが重要です。一方、ビームに引張り力または圧縮力が適用されている場合、4つのすべてのひずみゲージが長くなるか短くなり、出力信号がゼロになります。このため、曲げモーメントにのみ反応するセンサが作成できます。（図3参照）

1 つのコンポーネントのみを計測するフォーストランスデューサまたはトルクセンサとは異なり、マルチコンポーネントセンサには最大6つの計測ブリッジがあります。各計測ブリッジのひずみゲージは、出力信号が 1つのモーメントまたは 3つの空間方向のいずれかの力のみを表すように配置されています。

さまざまな荷重ケースのレイアウトと配線の概要、およびひずみゲージの配置については、ホイーストンブリッジ回路の記事を参照してください。

クロストーク：クロストークの発生原因：

上記の例では、センサに引張力を加えても、小さな信号が計測される可能性が高くなります。これは、 4つのすべてのひずみゲージがまったく同じひずみを持ち、まったく同じ感度を持つ場合にのみ、正確にゼロが計測されるためです。実際には、計測ボディには公差があり、各ひずみゲージの感度も異なります。

このため、すべての多軸センサには、クロストークと呼ばれる不要な信号干渉の影響があります。一方向の力のみ、または曲げモーメントのみが適用されている場合でも、他のチャンネルでは非常に小さい計測信号を検出できます。

クロストーク：クロストークを補正する方法

まず、 MCS10 シリーズのセンサを使用してクロストークを最小に抑えるため、補償が必要かどうかを検討します。

HBKでのキャリブレーションには、負荷が適用されているコンポーネントだけでなく、センサ内の他のすべての計測回路の計測と評価が含まれます。これにより、クロストークはデータシートで指定されている技術的な機能であるため、センサは許容範囲内に留まります。x方向と y方向

の z方向の力の効果、およびトルクと曲げモーメントを記録する計測回路への影響が知られています。もちろん、これは他のすべてのコンポーネントにも適用されます。

これらの計測結果は、センサに付属のマニュアルに記載されています。次のようなマトリックスで表されます。

この例は、 3つの空間方向の力を計測できるセンサを示しています。6成分センサを使用すると、ここにゼロを挿入する代わりに、追加の係数を見つけることができます。

補正マトリックスを使用できるようにするには、そのアンプが、スケールされていない計測値をmV/V 単位で出力するように調整する必要があります。

F´x はクロストーク補償力、 Fx 、 FY 、および FZ はアンプで計測される信号( mV/V 単位)です。

これにより、 F´x は次のように決定されます。

F' x = 1.28706 * Fx + 0.0027 * FY + 0.01483 * FZ

その他のコンポーネントについては、一般に次のことが当てはまります：

この例では、 3 つの計測回路を持つセンサが 3 空間方向の力に対して選択されています。もちろん、これらの力に加えて 3 方向でモーメントを計測できるセンサも存在します。そのため、6つの係数を考慮した 6つの方程式のセットが作成されます。

このような複雑な計算は、計測中のクロストークを補償する最新の計測アンプで簡単に処理できます。生産用のPMX計測システムとQuantumX データ収集システムの両方を使用して補正計測を実行できます。

当社の DAQシステム/機器で補償を行う方法については、以下の記事を参照してください。