Alternativ kraftmätning med CA Mätsystem AB

Kraftmätningsteknik

Många branscher behöver pålitliga sätt att mäta kompressionskraft vid produktutveckling eller på en inbyggd komponent i en produkt. Inom automatiseringesteknik behöver maskiner mäta och reglera de krafter de applicerar på föremål som de samverkar med. Även på medicinsk utrustning och i gränssnittet mellan människa och maskin (HMI) måste krafter mätas, om än i en mycket mindre och mer exakt skala.

Oavsett applikation

Utvecklingsavdelningen   måste bestämma vilken testmetod som är den bästa för att mäta kraft i olika applikationer. De måste på förhand överväga bl.a. Elektrisk integrering, design, noggrannhet och driftskostnader. Rent allmänt så är lastceller och kraftkänsliga motstånd (vanligtvis kallade FSR) de två vanligaste metoderna för kraftmätning. Kraftkänsliga motstånd kan ytterligare brytas ner i kategorierna “thru mode” och “shunt mode”. Läs vidare här nedan om skillnaderna mellan dessa kraftmätningstekniker.

Design och drift

Lastceller är givare anslutna till lämplig elektronik, genererar en signal som är proportionell mot den mekaniska kraften som appliceras på systemet. De kan vara hydrauliska, pneumatiska eller – som oftast - baserade på töjningsgivare. De vanligaste typerna av trådtöjningsgivare vilket är är en resistiv metallfolie (limmad på en givarkropp) vars motstånd förändras när den töjs. Töjningen uppstår när givarkroppen belastas med en vikt eller kraft.

Lastceller med töjningsgivare använder vanligtvis fyra trådtöjningsgivare monterade i en Wheatstone brygga. Wheatstonebryggan är mycket känslig och ger en utsignal i millivolt per matad Volt till Wheatstonebryggan.

Exempel på lastcell

Ett annat sätt att få återkoppling av kraft i inbyggda system är med hjälp av kraftkänsliga motstånd. En töjningsgivare är ett platt motstånd som ändrar resistans som svar på ytdeformation. Kraftkänsliga motstånd ändrar resistansen när en kraft appliceras direkt på dem. Den specifika designen av ett kraftkänsligt motstånd beror på dess driftsätt: shunt mode eller thru mode.

Kraftkänsliga thru-mode motstånd består av två lager elastiska tunna polymerfilmer med ledare.

Varje polymerskikts lager innehåller ett halvledande tryckkänsligt element som är tryckt på en ledare. De två lagren fästs ihop. Obelastade så är givarnas resistans mycket hög (typiskt MΩ).

Allteftersom kraft appliceras kommer de tryckkänsliga elementen i givaren i kontakt med varandra. När kraft appliceras trycks det kraftkänsliga materialet och ledarna ihop och resistansen minskar när den applicerade kraften ökar. Förhållandet mellan konduktans och tillämpad kraft för en thru- mode givare är linjär. Detta beskrivs mer detaljerat i nästa del.

Exempel på en kraftsensor med “thru mode” teknik

Prestanda

För utvecklare som söker återkoppling från en kraftapplikation, är det av lika stor eller större betydelse att få reda på hur bra applikationen fungerar. Av det skälet så har noggrannhet och precision, linjäritet och mätområde stor betydelse.
Lastceller är välkända för deras höga noggrannhet, vilket också i princip gjort dem till standard i test- och mätapplikationer. Kalibrerade lastceller håller normalt en mätosäkerhet på 0,1% eller mindre av deras totala skallängd. Kraftkänsliga motstånd är bra vid relativa mätningar — det vill säga upptäcka stegvisa förändringar i belastningen i t.ex. sådana applikationer som behövs för kraftåterkoppling i gränssnittet mellan människa och maskin. Kalibrerade kraftkänsliga shunt-mode motstånd är mindre exakta i absoluta mätningar med en genomsnittlig feltolerans på mellan 4 till 6% av absolutvärdet och true-mode motstånd kommer upp i en feltolerans mellan cirka 5 och 10% av absolutvärde (beroende på kvaliteten av kalibreringen).

Den här grafen visar effekten av kraft som appliceras på en thru mode givare. Med större applicerad kraft minskar sensorns motstånd och genererar en linjär konduktanssignal.

Linjäritet beskriver hur nära en kraftmätningsgivares utsignal överensstämmer med en rak linje mellan maximala och minimala belastningar eller andra kalibreringspunkter. En givare med lågt linjäritetsfel, vanligtvis uttryckt i procent av full skala, är mycket enklare att kalibrera. Det går att lita på att avläsningarna mellan kalibreringspunkterna är korrekta och att lutningen på givarens konduktanskurva är konstant genom dess angivna kraftområde. Fördelen med detta är att färre mellanliggande kalibreringspunkter behövs.
Kraftgivarens design kan påverka dess linjäritet vid olika belastningar. Till exempel så uppvisar lastceller olinjäritet i den nedre änden av sitt lastområde. Detta gör dem bättre lämpade för högre belastningar, men minskar också deras användbara mätområde. Vid användandet av lastceller bör en begränsning av överbelastningsförmågan göras. För att skydda lastcellerna från tillfälliga överbelastningar. Dessutom är det viktigt att försäkra sig på om att hålla lasterna över den lägsta kalibreringspunkten.

Thru-mode-motstånd är linjära från 0 N till toppen av sitt mätområde och uppvisar genomgående olinjäriteter på ± 3% av hela skalan. Kraftkänsliga shunt mode motstånd har en tendens att avvika från ett linjärt beteende även inom det angivna kraftområdet. Användare av kraftkänsliga shunt-mode motstånd måste använda fler kalibreringspunkter än vad de skulle behöva göra med thru -mode givare.
Det breda behovet av mätbara belastningar är en annan faktor för en kraftmätningstekniker. De flesta är mer intresserade av ett dynamiskt mätområde, vilket då troligen ligger inom området av de kraftvärden som givaren kommer att mäta i sin applikation. Lastceller kan utformas för en mängd olika dynamiska intervaller, där den nedre änden detekterar belastningar på 0,5 N eller mindre och den övre änden kan nå upp till tiotusentals Newton.

Kraftkänsliga motstånd däremot, är designade att för att noggrant mäta mindre mängder kraft. Kraftkänsliga shunt-mode motstånd är konstruerade för krafter mellan 0,2 och 20 N.
Kraftkänsliga Thru-mode motstånd kan anpassas för att mäta och upprätthålla linjäritet genom en mängd olika dynamiska intervall mellan 0,02 och 6 900N
Vissa kraftgivare kan driva över tiden så att den elektriska signalen från sensorn ändras trots att belastningen är konstant. Denna drift kan förvärras av miljöeffekter som förändringar i temperatur eller fuktighet. Driften av lastceller kan till exempel uppstå när temperaturförändringar orsakar expansion eller sammandragningar av ytan där töjningsgivarna är monterade, särskilt om de inte är inkopplade i en självkorrigerande Wheatstone-bryggkonfiguration.

För kraftkänsliga shunt-mode motstånd så är standarddriften 5 %/ log(time). Kraftkänsliga Thru-mode motstånd är märkta <5 % / loggtid. I både kraftkänsliga shunt-mode och thru-mode motstånd kan hastigheten av driften variera beroende på materialgränssnittet.

Elektronik och underhåll

En viktig aspekt för att välja rätt kraftmätningsgivare för en applikation är att noga överväga i vilken miljö som givare ska användas i. Varje givartyp kräver anslutning till en förstärkare så att en analog signal som är proportionell mot den applicerade kraften kan genereras.

Det finns också krav på strömförsörjning och underhåll att tänka på. Kraven på strömförsörjning och signalbehandling varierar beroende på typen av kraftmätningssensor.

Både kraftkänsliga shunt-mode och thru-mode motstånd har ett enkelt samband mellan konduktans (1 / motstånd) och kraft. Detta samband gör det enklare att avgöra vilken utsignal kraftsensorns ska ha. Och eftersom de oftare används för relativa kraftmätningar så behövs inga speciella anpassningar göras för strömförsörjningen. Kraftkänsliga motstånd kan vanligtvis strömförsörjas via en enkel operationsförstärkare eller en spänningsdelare. Beroende på tillämpning så kan kraftmätområdet och upplösningen för de kraftkänsliga motstånden justeras genom att ändra drivspänningen och motståndet hos återkopplingsmotståndet.

Den som har använt en lastcell vet att det är av högsta vikt att kalibrera regelbundet. Lastceller kalibreras med stor precision av tillverkaren och behöver regelbundet skickas förkalibrering samt även efter ogynnsamma händelser som t.ex. chockbelastning eller överbelastning.
Kraftkänsliga motstånd kan visserligen ofta kalibreras av användare vilket kan vara bekvämt, men ökar också risken för användarfel.

Överväganden vid design

En viktig faktor i valet av kraftmätningsgivare är hur bra den kommer att passa in i din design eller i en laboratorieinstallation. Utseende och storlekar spelar en viktig roll för hur enkelt det är att integrera en givare i en produkt. Kostnader och underhåll är andra faktorer i integrationsbeslutet.

Lastceller har vanligtvis en tredimensionell, fast form och tenderar att vara skrymmande. Konstruktörer som arbetar med att integrera lastceller i en produkt behöver vanligtvis bygga delar av designen runt sensorn, vilket gör det svårt att snabbt upprepa designen.
Lastcellernas krav på strömförsörjning och DSP och deras höga kostnader har gjort lastceller till en utmaning för att integreras in i dagens moderna strömlinjeformade designer. Både kraftkänsliga thru-mode och shunt-mode motstånd är platta och flexibla.
Tillsammans med det faktum att dessa kraftkänsliga motstånd kan strömförsörjas via enkel elektronik och är mycket lättare att integrera i maskiner, robotik och i gränssnittet mellan människa och maskin. Kraftkänsliga motstånd har också lägre kostnad och kräver mindre utrymme, så konstruktörer kan lättare experimentera med hur man bäst integrerar dem i en design.

Begär ytterligare information

www.tekscan.com/flexiforce

Tekscan’s patenterade kraft- och tryckavkännande lösningar ger våra kunder den användbara information de behöver för att optimera sin produktdesign och förbättra sina kliniska forskningsresultat. Våra givare och system används i ett brett spektrum av applikationer inom test- och mät, medicin, tandvård och detaljhandel, som fristående lösningar eller som inbäddad teknik för att skapa bättre och differentierade produkter.

Med vår passion för innovation, kompetens och engagemang för kvalitet hjälper vi dig att göra din vision till verklighet.

CA Mätsystem AB

Tobias Gustafsson

Telefon: 08-505 268 02

E-mail: tg@camatsystem.com

Hemsida: www.camatsystem.com