크로스토크란 무엇이며, 어떻게 보정받을 수 있을까요?

세 공간 방향의 힘을 모두 측정하거나 토크와 힘을 동시에 측정하기위한 단일 센서의 필요성은 실험, 로봇 공학, 조립 또는 생산과 같은 광범위한 응용 분야에서 발생할 수 있습니다. HBK의 검증된 MCS10 다채널 센서는 수년 동안 이러한 측정 작업을 위한 신뢰할 수 있는 도구였습니다.

다축 트랜스듀서의 작동 원리는 모든 스트레인 게이지 센서가 공통적으로 갖는 중요한 속성을 기반으로합니다. 이들은 휘트 스톤 브리지 회로를 기반으로 합니다.

스트레인 게이지 기반 센서는 어떻게 작동하나요?

스트레인 게이지는 스트레인 (예 : elongation 또는 compression)을 저항 변화로 변환하는 센서 요소입니다. 실제로 적어도 4 개의 요소가 연결되어 휘트스톤 브리지 회로를 구성합니다. 측정 할 힘, 굽힘 모멘트 또는 토크가 가해지면 브리지 회로의 스트레인 게이지 중 두 개가 늘어나고 나머지 두 개는 압축됩니다. 이 회로에 excitation 전압이 공급되면 측정 가능한 전압 신호가 출력됩니다. 모든 상관 관계의 선형성으로 인해 스트레인 게이지 기반으로 매우 정밀한 센서를 구축 할 수 있습니다.

스트레인 게이지가 포지티브 또는 네거티브 스트레인을 경험하는지 여부는 휘트스톤 브리지 회로에서의 위치에 따라 다릅니다. 회로의 두 지점에서 포지티브 변형은 포지티브 출력 전압을 생성하고 다른 두 지점에서 네거티브 변형은 포지티브의 출력 신호를 생성합니다.

두 개의 스트레인 게이지는 각각 브리지 회로에서 포지티브 스트레인 (예 : 장력에 대한 출력 신호 증가)을 거치고, 두 개의 스트레인 게이지는 네거티브 스트레인 (예 : 압축에 대한 출력 신호 증가)을 경험하기 때문에 깔끔하게 배열할 수 있습니다. 센서가 한 가지 유형의 기계적 응력에 대해서만 출력 신호로 응답하는 스트레인 게이지를 정돈되게 배열할 수 있습니다.

bending beam with strain gauge installation

그림 1 : 스트레인 게이지가 설치된 벤딩 빔. 하단의 스트레인 게이지는 압축에 대한 반응으로 포지티브의 변형을 경험하고, 상단의 스트레인 게이지는 장력에 반응합니다.

bent bending beam with installed strain gauges

그림 2 : 센서 굽힘 : 하단의 스트레인 게이지가 짧아지고 상단의 스트레인 게이지가 길어집니다. 다른 효과로 인해 측정 신호가 생성됩니다.

Application of a tensile force on a strain gauge installation

그림 3 : 인장력 적용 : 모든 스트레인 게이지는 부호와 양 측면에서 동일한 변형을 경험합니다. 출력 신호는 0입니다.

그림과 같이 스트레인 게이지를 빔에 설치하면 빔이 구부러 질 때 상단의 스트레인 게이지가 길어지고 하단의 스트레인 게이지가 짧아집니다. 회로가 하단의 스트레인 게이지가 출력에 네거티브 영향을 미치고 상단의 스트레인 게이지가 출력에 포지티브 영향을 미치는 방식으로 설계된 경우, 굽힘으로 인해 신호가 측정됩니다 (그림 2 참조). 하단의 스트레인 게이지에는 네거티브의 스트레인과 네거티브의 영향이 있으므로 출력에 대한 영향이 최종적으로 포지티브의 값이되도록하는 것이 중요합니다. 반면에 인장력 또는 압축력이 빔에 가해지면 4 개의 스트레인 게이지가 모두 길어 지거나 짧아지고 출력 신호가 0이됩니다. 따라서 굽힘 모멘트에만 반응하는 트랜스듀서를 얻을 수 있습니다. (그림 3 참조)

하나의 특성만 측정하는 힘 트랜스듀서 또는 토크 센서와 달리 다채널 센서에는 최대 6 개의 측정 브리지가 있습니다. 각 측정 브리지의 스트레인 게이지는 출력 신호가 한 순간 또는 세 공간 방향 중 하나의 힘을 나타내는 방식으로 배열됩니다.

레이아웃 및 와이어링에 대한 개요와 다양한 로드 케이스에 대한 스트레인 게이지의 위치는 Wheatstone bridge circuit에 대한 기사에서 찾을 수 있습니다.

크로스토크는 어떻게 발생할까요?

위의 예에서 인장력이 트랜스듀서에 가해지더라도 작은 신호가 측정될 가능성이 높습니다. 4 개의 스트레인 게이지가 모두 정확히 동일한 스트레인을 경험하고 정확히 동일한 감도를 가질 때만 정확히 0이 측정되기 때문입니다. 실제로 측정 본체에는 공차가 있으며 스트레인 게이지도 감도가 다릅니다.

이러한 이유로 모든 다축 센서에는 크로스토크라고하는 원치 않는 신호 간섭 효과가 있습니다. 한 방향의 힘이나 굽힘 모멘트만 가해지더라도 다른 채널에서 매우 작은 측정 신호를 감지 할 수 있습니다.

크로스토크는 어떻게 보정될 수 있을까요?

먼저, MCS10 시리즈 센서로 크로스토크를 최소화해서 설계되었기 때문에 보정이 필요한지 확인합니다.

HBK의 교정에는 부하가 적용되는 구성 요소뿐만 아니라 센서의 다른 모든 측정 회로도 측정하고 평가하는 작업이 포함됩니다. 이렇게하면 크로스토크가 데이터 시트에 지정된 기술적인 기능이므로 센서가 허용 오차 범위 내에서 유지됩니다. z 방향의 힘이 x 및 y 방향에 미치는 영향과 토크 및 굽힘 모멘트를 기록하는 측정 회로에 미치는 영향이 알려져 있습니다. 물론 이것은 다른 모든 구성 요소에도 적용됩니다.

이러한 측정 결과는 센서와 함께 제공된 문서에서 찾을 수 있습니다. 다음과 같은 행렬로 표현됩니다.

Fig. 4: Example of a compensation matrix, as provided with each MCS10.

이 예는 세 공간 방향의 힘을 측정 할 수있는 센서를 보여줍니다. 6 센서를 사용하면 여기에 삽입된 0 대신 추가 계수를 찾을 수 있습니다.

보상 매트릭스를 사용하려면 스케일되지 않은 측정 값을 mV / V 단위로 출력하도록 증폭기를 조정해야합니다.

F'x는 크로스토크에 보정된 힘입니다. Fx, Fy 및 Fz는 증폭기에서 측정 한 신호입니다 (mV / V 단위).

F´x는 다음과 같이 결정될 수 있습니다.

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

기타 구성 요소의 경우 일반적으로 다음이 적용됩니다.

이 예에서는 세 가지 공간 방향의 힘에 대해 세 개의 측정 회로가있는 센서를 선택했습니다. 물론, 이러한 힘 외에도 세 방향의 모멘트를 측정 할 수있는 센서도 존재합니다. 따라서 6 개의 계수를 고려하여 각 방정식으로 6 개의 방정식 세트를 생성합니다.

이러한 복잡한 계산은 측정 중에 크로스토크를 보정하는 최신 측정 앰프로 쉽게 처리할 수 있습니다. 생산용 PMX 측정 시스템과 QuantumX 데이터 수집 시스템을 모두 사용하여 보정 측정할 수 있습니다.

DAQ 시스템 / 장비로 보정하는 방법은 아래 링크를 클릭해서 살펴보시기 바랍니다.