Entwicklung und Untersuchung von Mehrkomponentensensoren für Kraft und Drehmoment

Schleichert, Jan

In Forschung und Industrie kommt der Kraft- und Drehmomentmesstechnik eine wichtige Bedeutung zu, welche sich in zahlreichen Anwendungen wiederspiegelt. Unter anderem basieren moderne Verfahren im Bereich der Strömungsmesstechnik und der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung auf der rückführbaren Messung aller Komponenten der vektoriellen Größen Kraft und Drehmoment. Diese Verfahren stellen besondere Anforderungen hinsichtlich der Auflösung und des Messbereichs, sodass die Entwicklung von speziellen Mehrkomponentenmesssystemen sowie deren messtechnische Charakterisierung erforderlich sind. Im Folgenden wird zunächst ein bestehender Mehrkomponentensensor für jeweils drei Kraft- und Drehmomentkomponenten hinsichtlich seiner messtechnischen Eigenschaften untersucht. Für rückführbare Messungen ist eine Kalibrierung aller Kraft- und Drehmomentkomponenten des Sensors erforderlich, wofür ein Kalibriersystem entwickelt und aufgebaut wird. Basierend auf verschiedenen Verfahren zur Kalibrierung von Mehrkomponentensensoren werden die Kalibriermatrix, die Sensorkennwerte und Unsicherheitsbeiträge der Kalibrierfaktoren ermittelt. Anschließend wird ein Aufbau zur Untersuchung der dynamischen Eigenschaften entwickelt und zur Bestimmung der Frequenzgänge der Messachsen des Sensors eingesetzt. Anschließend wird eine Systemidentifikation und Ermittlung der dynamischen Systemparameter vorgenommen, auf der Verfahren zur Kompensation dynamischer Messabweichungen aufbauen. Basierend auf den Erkenntnissen vorheriger Untersuchungen und den Anforderungen der Anwendungen wird ein schwebender Sechskomponentensensor nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraft- und Drehmomentkompensation entwickelt, aufgebaut und untersucht. Zur mathematischen Beschreibung des statischen und dynamischen Verhaltens wird ein Modell aufgestellt, welches zum Reglerentwurf eingesetzt wird. Das Modell liefert im relevanten Frequenzbereich eine gute Übereinstimmung mit dem gemessenen Systemverhalten. Anschließend werden Mehrkomponentenmessungen zur Bestimmung des Strömungsfeldes einer Flüssigmetallströmung sowie in einer Anwendung der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung durchgeführt.

Force and torque metrology have great impact on research and industry which manifests itself in form of many applications. Modern techniques in flow measurement and nondestructive testing for instance are based on traceable measurements of all components of force and torque. Those measurement principles have specific demands concerning resolution and measurement range, necessitating the development of specially designed multi-component measurement systems and their metrological characterization. In the following thesis an existing multi-component sensor for measurement of three force and three torque components is analyzed with respect to its metrological characteristics. To facilitate traceable measurements a calibration of all force and torque measuring axes is required. Therefore a calibration system is developed and manufactured. Based on different procedures for the calibration of multi-component sensors the calibration matrix, static sensor characteristics and uncertainty contributions to the calibration coefficients are determined. A setup for investigation of the dynamic properties is developed subsequently and used to investigate the measurement axes frequency response. The frequency responses are used for system identification and estimation of dynamic system parameters which are used in methods to compensate dynamic measurement deviations. From the findings of previous investigations and the requirements of the applications, a levitating six-component force-/torque sensor based on electromagnetic compensation of force and torque is developed, manufactured and tested. For the description of the static and dynamic behavior a mathematical model is developed showing a good agreement with measurements of the system behavior. Hereafter multi-component force-/torque measurements of a liquid metal flow field and measurements in nondestructive testing are performed.

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Schleichert, Jan: Entwicklung und Untersuchung von Mehrkomponentensensoren für Kraft und Drehmoment. Ilmenau 2016.

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