Universitt Hamburg Vorlesung Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 1112020
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Vorlesung: Angewandte Sensorik Dehnungsmessstreifen und Kraft-Moment-Sensor 1 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Beispiel: Kraftregelung 2 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Überblick • Dehnungsmessstreifen – Grundlagen – Aufbau – Schaltungen • Kraft-Moment-Sensor – Aufbau – Anwendungen 3 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik 11/1/2020 Dehnungsmessstreifen (allgemein) • 1938 erfand der Amerikaner A. C. Ruge den Dehnungsmessstreifen. • Dehnungsmessstreifen sind auf einer Trägermaterial aufgebrachte dünne Leiterbahnen. • Sie werden fest mit einer Werkstücks-Oberfläche verklebt. • Bei mechanischen Spannungen verändern sie ihren Widerstand. • Für die sehr kleinen Widerstandsänderungen sind spezielle Schaltungen und Messgeräte erforderlich. • Neben der Größe und Richtung mechanischer Spannungen lassen sich auch damit verbundene Größen wie Weg, Kraft, Druck oder Beschleunigung messen. AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme 4 Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik 11/1/2020 Physikalischer Hintergrund (I) • Bei mechanischer Belastung (z. B. Dehnung) eines Drahtes (Metall) vergrößert sich dessen elektrischer Widerstand. • Ursachen: – Vergrößerung der Länge – Verringerung der Querschnittsfläche – bei starker Dehnung auch Umkristallisierung. • Der Effekt ist von William Thomson im Jahre 1856 nachgewiesen worden. • Er verwendete dazu die von Charles Wheatstone 1843 entwickelte und nach diesem benannte Wheatstonesche Brückenschaltung. 5 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik 11/1/2020 Physikalischer Hintergrund (II) • Art der Dehnung hängt ab von – Form des Körpers – Angriffsweise der äußeren Kräfte – Materialeigenschaften des Körpers • Ein Körper heißt elastisch, wenn er bei Wegfall der äußeren Kräfte seine ursprüngliche Form wieder annimmt. 6 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik 11/1/2020 Physikalischer Hintergrund (III) Lineare Beschreibung der Elastizität durch Hooksches Gesetz: – : mechanische Zug- (negativ) oder Druckspannung (positiv) – F: normal zur Fläche A angreifende Kraft – : Dehnung – E: Dehnungs- oder Elastizitätsmodul (Materialkonstante) 7 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik 11/1/2020 Physikalischer Hintergrund (III) • Die Dehnung ist das Verhältnis der Längenänderung l zur ursprünglichen Länge l 0 bei einer Spannung : • linear elastisches Verhalten gilt nur bis zu einer Grenze p > 8 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik 11/1/2020 Hintergrund zur Widerstandsänderung (I) Widerstand R eines Drahtes: – l: Länge – p: spezifischer Widerstand – d: Durchmesser – A= d²/4: Querschnittsfläche 9 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik 11/1/2020 Hintergrund zur Widerstandsänderung (II) • Wird der Draht (einachsig) gedehnt, ändert sich der Widerstand R aufgrund der Änderungen von l, A, und p. • Für infinitesimal kleine Änderungen gilt folgender Zusammenhang (totales Differential): 10 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik 11/1/2020 Hintergrund zur Widerstandsänderung (III) • Gilt p << p, l << l und d << d, so lässt sich mit guter Genauigkeit die relative Widerstandsänderung R/R annähern: 11 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik 11/1/2020 Hintergrund zur Widerstandsämderung (IV) • Bei einer Dehnung in Längsrichtung verändert sich der Durchmesser um q = d/d. • Poissonzahl: = q/ • Für die relative Widerstandsänderung folgt: 12 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik 11/1/2020 Dehnungsmessstreifen in der Praxis Aus der Praxis bekannte Dehnungsmessstreifen (DMS): • Folien-DMS: bestehen aus Trägermaterial (z. B. Polyamid) und den eigentlichen Messstegen (z. B. Konstantan-Folie) • Halbleiter-DMS: Messgitter aus Halbleitermaterial, hochempfindlich, überwiegend in Drucksensoren angewandt • Draht-DMS: flach gewickelter Dehndraht ( 0. 02 mm) auf Papierträger • Röhrchen-DMS: DMS mit frei gespannten Drähten, Messung bei hohen Temperaturen 13 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Folien-DMS (I) • am häufigsten verwendete Dehnungsmessstreifen • metallisches Messgitter wird in einem galvanischen Verfahren auf eine Trägerfolie aufgebracht • eine dünne Kunstoffschicht schützt das Messgitter • werden mit speziellem Kleber auf ein Werkstück aufgebracht (appliziert) • Aufbau: 14 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Folien-DMS (II) • Standard-Messgitter: lang und schmal (z. B. 6 x 2 mm²) • Es besitzt zwei Löt-Anschlusspunkte und wird in Längsrichtung belastet. • Es wird nur in dieser einen Lastrichtung gemessen (einachsige Spannungsmessung), die Querempfindlichkeit ist gering. 15 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Folien-DMS (III) Beispiele für Folien-DMS: (a) einfache Form (b) & (c) für verschiedene Koordinaten (d) für Drehmomentaufnehmer (e) Rosette für Membran-Druckaufnehmer 16 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Folien-DMS (IV) • typische Nennwiderstände: 120 , 300 , 350 oder 600 • Toleranzen der Widerstandswerte < ± 0, 5 % • Betriebsspannungen: 1 V – 10 V • Änderungen der Länge des DMS bis zu ± 3 % • elastische Bereich in der Praxis meist nicht ausgenutzt • typische Längenänderungen: 0, 1 – 10 m • erreichbare Genauigkeit bei 20 °C etwa 1 % bis 5 % 17 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Folien-DMS (V) • Häufig verwendete Messgitter-Materialien: – Konstantan (57 % Cu, 43 % Ni, k=2. 05) – Karma (20 % Cr, 73 % Ni, 7 % Fe-Al, k=2. 1) – Nichrome V (20 % Cr, 80 % Ni, k=2. 2) – Platin Wolfram (92 % Pt, 8 % W, k=4. 0) 18 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 k-Wert (I) • gibt an, um welchen Faktor die relative Widerstandsänderung über der relativen Längenänderung liegt • hoher k-Wert bei gleicher Dehnung eine große Widerstandsänderung (und damit ein hohes Messsignal) • wird durch den Gefügeaufbau und die Vorgänge im Gefüge während der Dehnung bestimmt • k=2 bei den meist verwendeten Metallen 19 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 k-Wert (II) • bekannt: relative Widerstandsänderung R/R • daraus folgt das Verhältnis Widerstands- zu Längenänderung • es folgt: 20 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Temperatur • Bei geeigneter DMS- und Kleberauswahl kann der Temperaturbereich von 4 K bis 1200 K (900 °C) überbrückt werden. • DMS werden mit verschiedenen Temperaturkoeffizienten (für verschiedene Objektmaterialien, begrenzter Temperaturbereich) angeboten. • Längenänderungen aufgrund von Temperaturänderungen führen so nicht zu einem Messsignal, wenn sich das Material frei ausdehnen kann oder wenn der Körper überall die gleiche Temperatur besitzt (selbst-temperaturkompensierende DMS). 21 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Aufgabe Bei der praktischen Arbeit mit Standard-Dehnungsmessstreifen treten eine Reihe von Messabweichungen auf. Deren drei wichtigste Ursachen Hängen mit ihrer Applikation, Temperaturänderungen und unerwünschten Dehnungen zusammen. Welche Probleme treten auf, wenn die Messstelle mit dem DMS erwärmt wird? 22 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik 11/1/2020 Weitere Umgebungseinflüsse • Umgebungsdruck von Vakuum bis hoher Überdruck möglich • magnetische Flussdichte bis 2 T möglich • bis zu einem gewissen Grad wird auch Kernstrahlung verkraftet 23 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik 11/1/2020 Querempfindlichkeit & Schwingungen • Querempfindlichkeit entsteht im wesentlichen durch die Dehnung der Kurvenstücke des Messgitters. durch Verbreiterung der Kurvenstücke verringern ihres Anteils am Gesamtwiderstand • Dehnungen können statisch (keine oder nur langsame zeitliche Änderung) und dynamisch (schnelle Änderungen, Schwingungen) gemessen werden. • Typisch sind Frequenzen bis 50 k. Hz bei Schwingungen. 24 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik 11/1/2020 Wheatstonsche Brückenschaltung (I) • typische Längenänderungen im m-Bereich relative Widerstandsänderung im Bereich 10 -3 Messauflösung 10 -5 – 10 -6 • Hilfe: das Ausgangssignal des DMS, eine Widerstandsänderung, wird mit einer Wheatstonschen Brückenschaltung in eine Spannungsmessung umgewandelt 25 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Wheatstonsche Brückenschaltung (II) • R 1 – R 4: variable Widerstände • Us: Speisespannung • Ud: Messspannung Änderung der Widerstande: mit 26 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik 11/1/2020 Wheatstonsche Brückenschaltung (III) • Mit Hilfe der Ströme in den Strängen lassen sich folgende Beziehungen zeigen (siehe Aufgaben): • Mit Ud = U 3/4 – U 1/2 folgt die nichtlineare Gleichung der Wheatstonschen Brückenschaltung: 27 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik 11/1/2020 Wheatstonsche Brückenschaltung (IV) Für kleine relative Widerstandsänderungen kann mit der Näherung die linearesierte Form der Gleichung für die Wheatstonschen Brückenschaltung hergeleitet werden (siehe Aufgabe): 28 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Messung mit DMS (I) In der Praxis werden die in der folgenden Tabelle stehenden Grundschaltungen mit DMS in der Wheatstonschen Brücke angewendet: Name Gleichung Anwendung Viertelbrücke Ud/Us = ¼ · r 1 Zug-/Druckstab, Biegung Halbbrücke Ud/Us = ¼ · (r 1 - r 2) Biegebalken, Torsion Vollbrücke Ud/Us = ¼ · (r 1 - r 2+ r 3 - r 4) Biegung, Torsion 29 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Messung mit DMS (II) Die relativen Widerstandsänderungen können über die Grundgleichung der Messung mit DMS durch die Dehnungen in folgender Form ersetzt werden: ri = k · 30 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Kraft-Moment-Sensor (KMS) • zumeist starre Konstruktionen die kleine Verformungen erlauben • Messung der Verformung mit DMS Vorteile: – in großem Bereich linear – starke Dämpfung schwingt nicht so leicht Nachteile: – Temperaturdrift Quelle: ATI Industrial Automation 31 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik 11/1/2020 KMS mit sechs Freiheitsgraden • Ein auf ein dehnbares Material applizierter DMS kann die Kraft in eine Richtung messen (siehe Hooksches Gesetz). • Allgemeine KMS mit sechs Freiheitsgraden: – eine spezielle Anordnung von DMS. – messen die Kräfte in alle drei Koordinatenrichtungen (Fx, Fy, Fz) – messen die Drehmomente zu allen drei Koordinatenrichtungen (Mx, My, Mz) 32 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Exkurs: Freiheitsgrade • engl. : degrees of freedom (DOF) • Translation in Richtung der x-, y- oder z Achse eines Koordinatensystems (3 DOF‘s) • Rotation um y-, x- oder z-Achse eines Koordinatensystems (3 DOF‘s) • Beschleunigung in oder um die Koordinatenachsen (6 DOF‘s) 12 -DOF-KMS der Firma JR³ 33 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Aufbau eines 6 -DOF-KMS 34 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 KMS-Signale Kraft/Moment DMS Fx W 3, W 7 Fy ? ? ? Fz ? ? ? Mx ? ? ? My ? ? ? Mz ? ? ? Aufgabe: Vervollständigen der Tabelle! 35 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Kopplungsmatrix • Zusammenhang zwischen Signalen der DMS und den Kräften/Momenten über die Kopplungsmatrix K • vorige Tabelle gilt im kopplungsfreien Fall, • in der Realität wirkt sich eine Kraft in x. Richtung auch auf W 1, W 2, W 5 und W 6 aus • reale Kopplungsmatrizen komplizierter • meist in der Hardware integriert und nicht mehr sichtbar 36 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik 11/1/2020 Anwendung in der Robotik • Überwachte Bewegungen (engl. : guarded motions): – Bewegung herkömmlich (fest) programmiert – Überschreiten eines bestimmten Kraftwertes Abbruch der Bewegung. • Nachgiebige Bewegungen (engl. : compliant motions): – Manipulator gibt bei einer äußeren Kraft nach – oder: versucht eine bestimmte Kraft aufzubringen – erfordert Regelung (PID-, Fuzzy-, Neuro-Regler, o. ä. ). 37 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik 11/1/2020 KMS-Beispiel: compliant motion 38 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Kalibrierung (I) • Kalibrierung bedeutet im wesentlichen Ermittlung – des Greifereigengewichtes (verursacht orientierungsabhängigen Off-Set in den Kräften) – des Greiferschwerpunktes (engl. : center of gravity) (verursacht orientierungsabhängigen Off-Set in den Momenten) 39 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Kalibrierung (II) 40 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Kalibrierung (III) Probleme in der Praxis: – KMS rauschen Messwerte müssen i. d. Regel gefiltert werden – Tragen einer Last erhöht und verschiebt Kalibrierung eigentlich nur für den Lastzustand gültig, in dem sie gemacht wurde – DMS sind temperaturabhängig Kalibrierung auch temperaturabhängig. 41 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 Kraftregelung • Direkte Regelung: – Kraftmessung wirkt direkt auf Achsmotoren – bei kommerziellen Robotern nicht einsetzbar • Hybride Regelung: – Kraftmessung wirkt mit Umweg über die Positionsregelung auf die Achsmotoren – Probleme: • Reglermodell berücksichtigt nicht die exakte Situation • Einstellen der Parameter für den Positionsregler – einfach: lineare hybride Regelung über mehrdimensionales Federgesetz 42 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 KMS: Spacemouse (I) Quelle: 3 DCONNEXION (www. spacemouse. com) 43 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Vorlesung: Angewandte Sensorik Fachbereich Informatik 11/1/2020 KMS: Spacemouse (II) • alternativer Kraft-Moment-Messung • flexible Konstruktion • optische Abtastung • Vorteil: keine Drift • Nachteile: - begrenzt linear - kann schwingen - Software-Dämpfung Quelle: DLR (www. robotic. dlr. de/mmi/sm/) 44 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
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