Sensors and Actuators - Fachbereich Physik der Universität ...

Massesensoren
Einleitung
Masse ist eine Eigenschaft der Materie. Sie manifestiert sich durch die zwei zur Messung
heranziehbaren Kraftwirkungen:
a. Massen ziehen sich an (Gravitationskraft → „schwere Masse");
b. zur Änderung der Bewegung einer Masse ist eine „Beschleunigungskraft"
erforderlich → „träge Masse".
Kräfte bewirken Beschleunigungen oder Deformationen. Auf diesen Wirkungen beruhen die
technischen Messaufnehmer für Kräfte und andere „dynamometrische" (d.h. auf Kräfte
zurückführbare) Größen (Drehmoment, Druck etc.):
a. Bei „kraftkompensierenden" Systemen wird eine
Kompensationskraft FK aus der anfänglichen, durch die
Messkraft FX bewirkten mechanischen Deformation des
Messeingangs gewonnen (Vertikaldetektor D: optisches
System, z.B. Spaltdiode; Wegauflösung bis 10 nm) und in
einem Regelkreis (R) bis zum Gleichgewicht abgeglichen.
Nullagen-Fehlsignal liegt am Eingang I eines
Proportional-Integral-Differenzial- (PID) Reglers an. Die
elektrische Ausgangs-Stellgröße am Punkt II speist das
Stellglied (S). Stell-Aktoren können piezoelektrisch,
magnetostriktiv (beide: hohe störende Federsteifigkeiten
und Hysteres) oder elektrostatisch (Problematik:
elektrischer Durchschlag; daher nur für kleine Kräfte <
0,1 N) sein. Typisches Konzept für kraftkompensierte
hochauflösende Waagen.
b. Beim Federwaagenkonzept bildet ein elastischer Körper
die Kraft Fx in eine reversible Deformation y ab, die
ihrerseits in einem zweiten Schritt durch einen separaten
Mechanismus in eine elektrische Größe überführt wird.
Diese Detektion der kraftproportionalen Deformation kann
durch einen diskreten Geometriesensor (hybrides
System: Trennung zwischen Feder und Messsensor (z.B.
DMS)) oder durch einen integralen Materialeffekt erfolgen
(z.B. mittels Piezoaufnehmern).
c. Beim Resonanzprinzip bewirkt die zu messende Kraft Fx
direkt (ohne Materialgesetz!) eine Zusatzbeschleunigung
des Schwingers, die sich in einer Verschiebung seiner
Resonanzfrequenz f1,2 ausdrückt.
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