Technische Informationen zur Kraftsensorik für OEMs
FSR vs. Dehnungsmessstreifen: Wählen Sie nach dem Kraftfluss, nicht nach der Sensorbezeichnung
Wählen Sie einen kraftabhängigen Widerstand (FSR-Sensor), wenn das Produkt eine dünne Sensorlösung für ein lokales, kraftabhängiges Signal benötigt und der Kontaktaufbau zusammen mit dem Sensor kalibriert werden kann. Wählen Sie einen Kraftaufnehmer mit Dehnungsmessstreifen, wenn sich die Last durch ein definiertes elastisches Bauteil leiten lässt und das Projekt einen kalibrierten strukturellen Kraftfluss erfordert. Die richtige Entscheidung beginnt bei der Mechanik, nicht bei der Sensorbezeichnung.
Wählen Sie einen kraftabhängigen Widerstand, wenn das Produkt eine dünne Sensorlösung für ein lokales, kraftabhängiges Signal benötigt und der Kontaktaufbau als Bestandteil der Messung kalibriert werden kann. Wählen Sie einen Kraftaufnehmer mit Dehnungsmessstreifen, wenn sich die Last im Produkt durch ein definiertes elastisches Bauteil leiten lässt und ein kalibrierter Zusammenhang zwischen struktureller Verformung und Kraft benötigt wird. Keine der beiden Technologien misst Kraft unabhängig von der Mechanik. Das FSR-Messergebnis hängt von Kontaktfläche, Abstützung, Folienaufbau und Belastungshistorie ab. Das Ergebnis bei Dehnungsmessstreifen hängt von Federelement, DMS-Installation, Brückenschaltung, Temperatur, Befestigung und Krafteinleitung ab.
Für OEM-Projekte im Sitzbereich oder mit flexibler Sensorik bietet die JASPER-Seite zum FSR-Sitzdrucksensor den Einstieg in die Beschaffung, wenn ein kraftabhängiger resistiver Sensoraufbau zum erforderlichen Kraftfluss passen könnte. Im Angebot muss weiterhin bestätigt werden, ob FSR das geeignete Messprinzip ist. JASPER bietet auf dieser Seite keine Wägezelle mit Dehnungsmessstreifen an und erhebt auch keinen entsprechenden Produktanspruch. Dieser Vergleich macht aus einem FSR-Sensor keine Präzisionswägezelle.
Legen Sie vor der Sensorauswahl fest, wo die elastische Nachgiebigkeit liegen soll
In jedem Kraftmesssystem muss an irgendeiner Stelle eine Verformung auftreten. Sie kann sich auf die mechanische Kontaktstelle des Sensors konzentrieren, über einen Schaumstoff verteilen oder gezielt in einem Federelement aus Metall oder Polymer stattfinden. Wo diese Nachgiebigkeit liegt, bestimmt, welche Einflussgrößen in die Kalibrierung eingehen.
Bei einer FSR-Lösung bestimmen das kraftempfindliche Element und der unmittelbar angrenzende Kontaktaufbau gezielt das Ansprechverhalten mit. Lastverteiler, Betätigungselement, Schaumstoff, Schutzfolie, Klebstoff, Träger und Gehäuse können jeweils die Kraft verändern, die in die aktive Fläche eingeleitet wird.
Bei einer Lösung mit Dehnungsmessstreifen wird üblicherweise ein elastischer Körper mit reproduzierbarem Verformungsverhalten ausgelegt. Aufgeklebte Dehnungsmessstreifen erfassen geringe Dehnungen an ausgewählten Stellen dieses Körpers. Kontaktpunkt, Befestigung, Querkraft, Biegeform, Messgitteranordnung, Brückenverdrahtung und mechanische Anschläge bestimmen, ob die vorgesehene Last die erwartete Dehnung erzeugt.
Die erste Konstruktionsfrage lautet daher:
Wo soll die freigegebene elastische Verformung stattfinden, und wer ist für Geometrie, Material, Befestigung und Grenzwerte verantwortlich?
Ohne Antwort auf diese Frage lässt sich das Messrisiko auch mit einer Sensorvergleichstabelle nicht ausräumen.
Vergleichen Sie das Sensorelement mit dem vollständigen Messaufnehmer
Kraftabhängiger Widerstand, Dehnungsmessstreifen, Kraftaufnehmer und Wägezelle beschreiben verschiedene Ebenen eines Systems.
| Begriff | Definition | Was zusätzlich erforderlich ist |
|---|---|---|
| Kraftabhängiger Widerstand | ein resistives Sensorelement, dessen Widerstand mit zunehmender aufgebrachter Kraft normalerweise abnimmt | definierter Kontakt, Abstützung, Schaltung, Kalibrierung, Schutz und Abnahme |
| Dehnungsmessstreifen | ein auf ein Bauteil geklebtes oder anderweitig daran befestigtes Widerstandselement, dessen Widerstand sich mit der Dehnung ändert | elastisches Bauteil, DMS-Positionierung, Brückenschaltung, Verdrahtung, Beherrschung der Temperatureinflüsse, Befestigung und Kalibrierung |
| Kraftaufnehmer mit Dehnungsmessstreifen | ein elastischer Messkörper mit Dehnungsmessstreifen und elektrischen Anschlüssen | Befestigung in der Anwendung, Signalaufbereitung, Anwendung der Kalibrierung, Überlastschutz und Systemvalidierung |
| Wägezelle | ein Kraftaufnehmer zur Lastmessung in einer definierten mechanischen Richtung und einem definierten Messbereich | korrekte Krafteinleitung, Tragstruktur, Verkabelung, Messtechnik, Installation und messtechnische Rückführbarkeit |
Interlink bezeichnet die FSR 400-Familie als kraftabhängige Widerstände, deren Widerstand sich mit der aufgebrachten Kraft ändert.[1][2] HBK beschreibt Kraftaufnehmer mit Dehnungsmessstreifen als Federelemente mit aufgebrachten Dehnungsmessstreifen, die Verformungen in ein elektrisches Signal umwandeln.[6] Diese Definitionen helfen dem Einkauf nur, wenn jeweils gleiche Systemgrenzen verglichen werden.
Vergleichen Sie nicht Preis oder Dicke eines einzelnen FSR-Sensors mit Preis oder Bauhöhe einer fertigen Wägezelle und leiten Sie daraus eine Technologieentscheidung ab. Vergleichen Sie die vollständigen Messketten im eingebauten Zustand.
Ein FSR-Sensor misst über eine mechanische Kontaktstelle
Auf einen FSR-Sensor wirkt keine rein abstrakte Kraft. Auf ihn wirkt eine über eine reale Fläche verteilte Normallast. Die leitfähigen und resistiven Strukturen reagieren darauf, wie diese Last die aktive Fläche erreicht.
Das Messobjekt ist:
Eingangslast
|
Kontaktform und -material
|
Lastverteiler oder Lastkonzentrator
|
Abdeckung, Schaumstoff, Folie, Klebstoff oder Schutzschicht
|
Aktive FSR-Fläche und Abstützung
|
Widerstand oder Leitwert
|
Messschaltung
|
Kalibrierter Schätzwert, Werteband oder Schwellenwert
Der Integrationsleitfaden von Interlink behandelt die Geometrie des Betätigungselements, Kraftverteilung, Abstützung, mechanische Anschläge und Kalibrierung als Bestandteile des FSR-Einsatzes.[2] Tekscan weist ebenfalls darauf hin, dass dünne Kraftsensoren eine definierte Belastung und eine Kalibrierung im vorgesehenen Aufbau benötigen.[3][4]
Diese Lösung kann vorteilhaft sein, wenn das Produkt wenig Bauraum in der Tiefe bietet, eine flexible Sensorzone benötigt oder einen lokalen Kraftschwellenwert auswertet. Sie ist wenig geeignet, wenn der Einkauf erwartet, dass die Sensorfolie unabhängig von einer undefinierten Kontaktfläche, vom Schaumstoffverhalten, von Vorspannung, Scherung oder Gehäusebewegungen misst.
Der FSR-Sensor wird nicht lediglich in das Produkt eingebaut. Die unmittelbar angrenzende Mechanik wird Bestandteil seiner Übertragungsfunktion.
Ein Dehnungsmessstreifen misst die Verformung eines elastischen Bauteils
Der Widerstand eines Dehnungsmessstreifens ändert sich, wenn sich die Oberfläche dehnt, auf der er angebracht ist. Dehnung ist die relative Längenänderung:
Dehnung = Längenänderung / ursprüngliche Länge
Der k-Faktor verknüpft die relative Widerstandsänderung mit der Dehnung:
k-Faktor = (Widerstandsänderung / ursprünglicher Widerstand) / Dehnung
Aus diesen Zusammenhängen allein lässt sich noch keine Kraft bestimmen. Die Kraft wird abgeleitet, weil der Konstrukteur des Messaufnehmers weiß, wie sich das freigegebene elastische Bauteil unter der vorgesehenen Belastungsart verformt.
Die technischen Unterlagen von HBK zu Kraftaufnehmern beschreiben das Federelement als den Körper, der Kraft an den DMS-Positionen in Dehnung umwandelt.[6] Die Übersicht zu Wägezellen zeigt die gesamte Wirkungskette von der aufgebrachten Last über die Verformung bis zum Brückensignal.[7] Der DMS-Leitfaden von Micro-Measurements betont die Bedeutung von Messgitteranordnung, Träger, Klebstoff, Installation, Material, Temperatur und anwendungsgerechter Auswahl.[10]
Das elastische Bauteil kann die Messung besser beherrschbar machen, weil es festlegt, wo Dehnung auftreten soll. Zugleich entstehen zusätzliche Verantwortlichkeiten. Werkstoffzustand, spanende Bearbeitung, Wärmebehandlung, Geometrie, Eigenspannungen, DMS-Verklebung, Feuchtigkeitsschutz, Kabelkräfte, Befestigung und Überlasthistorie können das Ergebnis beeinflussen.
Die beiden Messketten verteilen die Verantwortlichkeiten unterschiedlich
Die Messarchitekturen lassen sich direkt gegenüberstellen:
| Position in der Messkette | FSR-Lösung | Lösung mit Dehnungsmessstreifen |
|---|---|---|
| Eingangslast | Finger, Insasse, Klemme, Gegenstand, Betätigungselement oder flächiger Kontakt | aufgebrachte Last, die in einen konstruktiv definierten Kraftfluss eingeleitet wird |
| mechanischer Wandler | Kontaktfläche, Lastverteiler, Schaumstoff, Abdeckung, Abstützung und Sensoraufbau | elastisches Bauteil, Biegeelement, Balken, Membran, Säule oder anderer Federkörper |
| Widerstandsänderung | kraftempfindliches Material und internes Kontaktverhalten | Dehnungsmessstreifen, der auf die gedehnte Oberfläche geklebt ist |
| Schaltung | Spannungsteiler, Leitwertmessschaltung, Verstärker, Komparator oder ADC | Viertel-, Halb- oder Vollbrücke mit Speisung und Messtechnik |
| mathematisches Modell | Schwellenwert, relatives Werteband, Nachschlagetabelle oder angepasster funktionaler Zusammenhang | Kalibrierung des Zusammenhangs zwischen Brückensignal und Kraft, mit Kompensation und Korrekturen |
| Hauptverantwortung | Team für die mechanische Produktschnittstelle und den Sensoraufbau | Team für Aufnehmermechanik, DMS-Installation und Messtechnik |
| Systemnachweis | repräsentative Kontaktverhältnisse und Baugruppe | repräsentative Befestigung und Krafteinleitung |
Keine der beiden Messketten endet an den Sensoranschlüssen. Das FSR-Team muss die Kontaktmechanik berücksichtigen. Das DMS-Team muss Federelement und Befestigung berücksichtigen.
Die Produktübersicht für Sitzbelegungssensoren hilft bei Sitzprojekten, in denen noch zwischen Kontaktmatten, FSR-Sensoren, flexiblen Mehrzonensensoren und anderen Lösungen zur Belegungserkennung zu wählen ist. Eine strukturelle Lösung mit Dehnungsmessstreifen fällt in einen anderen Lieferanten- und Validierungsumfang, sofern die JASPER-Entwicklung nicht ausdrücklich etwas anderes bestätigt.
Die Kontaktgeometrie bestimmt die Übertragungsfunktion des FSR-Sensors
Zwei Prüfvorrichtungen können bei gleicher Gesamtkraft unterschiedliche FSR-Ausgangssignale erzeugen, wenn sich Kontaktfläche, Härte, Ausrichtung, Krümmung oder Abstützung unterscheiden.
Prüfen Sie:
- Größe und Kantenform des Betätigungselements;
- Materialhärte und Oberflächenbeschaffenheit;
- Überdeckung der aktiven Fläche;
- Zentrierung und Winkelausrichtung;
- Steifigkeit und Ebenheit des Trägers;
- Schutz- und Klebeschichten;
- Vorspannung und Kompression bei einer Ziellast von null;
- zulässige Scherung oder Gleitbewegung;
- Überhub und mechanischen Anschlag;
- Haltezeit und Rückstellung von Schaumstoff oder Elastomer;
- Fertigungstoleranzen und Verschleiß.
Die Kontaktstelle kann als Lastkonzentrator, Lastverteiler, Polster, Feder oder Kraftnebenschluss wirken. Berührt ein starrer Vorsprung nur einen Teil der aktiven Fläche, sind die lokale Spannung und die Kontaktposition maßgeblich. Bedeckt Schaumstoff eine große Fläche, sind Lastverteilung und zeitabhängige Kompression maßgeblich. Stützt sich eine Abdeckung auf dem Sensorrand oder dem benachbarten Gehäuse ab, kann ein Teil der Last an der Sensorfläche vorbeigeleitet werden.
Die endgültige Zeichnung sollte das kontaktierende Bauteil und die Abstützbedingungen benennen. Kraft auf den Sensor aufbringen reicht nicht aus.
Das Federelement bestimmt die Übertragungsfunktion der DMS-Lösung
Ein Dehnungsmessstreifen kann stabil arbeiten, während der Messaufnehmer dennoch falsch misst, weil das Federelement nicht in der vorgesehenen Weise belastet wird.
Die Dokumentation des Federelements sollte Folgendes festlegen:
- Material und Zustand;
- Geometrie und kritische Querschnitte;
- nominelle Lastrichtung;
- Befestigungs- und Einspannflächen;
- Krafteinleitungspunkt und zugehörige Bauteile;
- Biegung, Zug, Druck, Scherung oder kombinierte Belastung;
- Positionen und Ausrichtungen der Dehnungsmessstreifen;
- erwartetes Dehnungsfeld an jedem Dehnungsmessstreifen;
- mechanische Anschläge und Kraftfluss bei Überlast;
- Entkopplung der Kabel- und Steckverbinderkräfte;
- Schutz vor Umwelteinflüssen;
- Inspektion und Rückverfolgbarkeit.
Querkräfte, Momente, Exzentrizität, Ebenheit der Montageflächen, Verhalten der Befestigungselemente und Steifigkeit der umgebenden Struktur können die Dehnungsverteilung verändern. Ein kalibrierter Messaufnehmer kann deshalb nach dem Einbau systematisch abweichende Ergebnisse liefern, wenn das Produkt ihn anders belastet als der Kalibrieraufbau.
Das Federelement ist keine bloße Umhüllung der Dehnungsmessstreifen. Es ist das mechanische Messelement.
Widerstandsänderung und Brückensignal erfordern unterschiedliche Elektronik
Ein FSR-Sensor wird üblicherweise über seinen veränderlichen Widerstand oder Leitwert ausgelesen. Die gewählte Schaltung bestimmt Empfindlichkeit, Signalrichtung, nutzbare Messspanne, Strom, Rauschen, ADC-Aussteuerung und Fehlererkennung. Sie muss für den relevanten Kraftbereich ausgelegt werden, nicht für die gesamte allgemeine Kennlinie in einem Katalog.
Ein Kraftaufnehmer mit Dehnungsmessstreifen verwendet üblicherweise eine Wheatstone-Brücke. HBK beschreibt sie als Schaltung, die geringe Widerstandsänderungen in ein elektrisches Differenzsignal umwandelt.[8] Durch die Anordnung und Verdrahtung der Dehnungsmessstreifen kann die Brücke außerdem das gewünschte Ansprechverhalten verstärken und bestimmte gemeinsam wirkende Einflüsse verringern.
Vergleichen Sie die Elektronik jeweils als vollständiges System:
| Elektrischer Aspekt | FSR-Lösung | Lösung mit Dehnungsmessstreifen |
|---|---|---|
| Speisung | auf den Widerstandsbereich abgestimmte Versorgung und Messschaltung | stabile Brückenspeisung |
| Rohsignal | Widerstand, Leitwert oder aufbereitetes Spannungssignal | kleines differentielles Brückensignal, häufig bezogen auf die Speisung angegeben |
| Verstärkung | optional, abhängig vom Schwellenwert und der ADC-Auslegung | ein Instrumentenverstärker gehört normalerweise zur Messkette |
| Nullpunktversatz | der Widerstand im unbelasteten Zustand kann sehr hoch sein oder vom belasteten Schichtaufbau abhängen | der Brückennullpunkt umfasst Einflüsse von Dehnungsmessstreifen, Klebeverbindung, Verdrahtung, Mechanik und Temperatur |
| Diagnose | Unterbrechung, Kurzschluss, Bereichsüberschreitung, festhängendes Signal oder unplausibler Zustandswechsel | Brückenverstimmung, Leitungsunterbrechung, Kurzschluss, Speisung, Verschiebung nach Überlast oder Drift |
| Speicherung der Kalibrierdaten | Schwellenwert, Kennlinie, Nachschlagetabelle oder Baugruppenkoeffizienten | Nullpunkt, Messspanne, Korrektur und Aufnehmeridentifikation |
Mehr ADC-Bits beheben keine instabile Mechanik. Ein rauscharmer Brückenverstärker korrigiert keine exzentrische Belastung. Eine ausgefeilte FSR-Kennlinie gleicht keine wechselnde Kontaktgeometrie aus.
Kalibrieren Sie den Aufbau, der später in Serie eingesetzt wird
Bei der Kalibrierung wird mithilfe einer bekannten Eingangsgröße der Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsgröße ermittelt. Das kalibrierte Objekt muss dem Aufbau entsprechen, der später in Produktion und Service verwendet wird.
Legen Sie bei einem FSR-System fest, ob die Kalibrierung für Folgendes gilt:
- das einzelne Sensorelement;
- den Sensor mit freigegebenem Betätigungselement und freigegebener Abstützung;
- die fertige Unterbaugruppe;
- den vollständigen Sitz- oder Produktaufbau;
- jede einzelne Einheit, eine Musterfamilie oder ein gemeinsames Modell.
Die Kennlinie eines einzelnen Sensors kann Vergleiche im Wareneingang unterstützen. Sie reicht jedoch nicht aus, um ein Sitzpolster, einen Schaumstoffaufbau, einen Klebstoff, ein Gehäuse oder ein kundenseitiges Betätigungselement freizugeben, das die Kraftübertragung verändert.
Legen Sie bei einer Lösung mit Dehnungsmessstreifen fest, ob die Kalibrierung für Folgendes gilt:
- das Federelement mit aufgeklebten Dehnungsmessstreifen;
- den montierten Kraftaufnehmer;
- den Messaufnehmer samt Befestigungsteilen;
- die vollständige Maschinen- oder Sitzstruktur;
- jede Seriennummer oder eine definierte Bauteilfamilie.
NIST beschreibt die Kalibrierung von Kraftaufnehmern als Vergleich mit bekannten Kräften und weist darauf hin, dass die Kalibrierung für den definierten Aufnehmer und die festgelegten Bedingungen gilt.[11] ASTM E74 und ISO 376 beschreiben Verfahren zur Kalibrierung von Kraftmessgeräten für Prüfmaschinen.[12][13] Sie machen ein anwendungsfremdes Produkt weder für die Anwendung geeignet noch beseitigen sie Einbaueinflüsse.
Kalibrierschein, Modell, Koeffizienten, Vorrichtung, Ausrichtung, Befestigung, Kabel, Messgerät und Umgebungsbedingungen müssen sich auf dasselbe Messobjekt beziehen.
Genauigkeit ergibt sich aus dem Fehlerbudget, nicht aus der Sensorbezeichnung
FSR-Genauigkeit und Dehnungsmessstreifen-Genauigkeit sind unvollständige Angaben. Das geforderte Ergebnis kann eine Schwellenwertentscheidung, ein relatives Kraftband, eine kalibrierte Kraft, eine wiederholt erfasste Prozesssignatur oder eine messtechnisch rückführbare Anzeige einer Prüfmaschine sein. Für jedes dieser Ergebnisse gilt ein anderes Fehlerbudget.
Gliedern Sie das Fehlerbudget nach seinen Ursachen:
| Fehlerquelle | FSR-Lösung | Lösung mit Dehnungsmessstreifen |
|---|---|---|
| Krafteinleitung | Kontaktposition, Kontaktfläche, Härte, Scherung, Abstützung | Exzentrizität, Querkraft, Moment, Befestigung, Ausrichtung |
| mechanisches Ansprechverhalten | Folienaufbau, Schaumstoff, Klebstoff, Abdeckung, Träger | Federwerkstoff, Geometrie, Eigenspannungen, Befestigungselemente |
| Sensorelement | Exemplarstreuung, Nichtlinearität, Hysterese, Kriechen | k-Faktor, Querempfindlichkeit, Installation, Klebeverbindung |
| Umgebung | Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Materialkonditionierung | Temperatur, Wärmeausdehnung, Feuchtigkeit, Schutz |
| Elektronik | Widerstand, Versorgung, ADC, Filterung, Leckströme | Speisung, Verstärker, Brückenschaltung, Leitungswiderstand, Rauschen |
| Kalibrierung | abweichende Prüfvorrichtung, begrenzte Anzahl an Kalibrierpunkten, Belastungshistorie | Kraftnormal, Befestigung, Ausrichtung, Interpolation, Nullpunkt |
| Zeit | Haltezeit, Rückstellung, Verschleiß, Setzen der Baugruppe | Kriechen, Nullpunktrückkehr, Ermüdung, Überlasthistorie |
Erst wenn das geforderte Ausgangsergebnis und die Bedingungen definiert sind, kann das Team entscheiden, welche Fehlerbeiträge relevant sind und wie sie zusammenwirken.
Veröffentlichen Sie keinen einzelnen Prozentwert, als decke er alle Tabellenzeilen ab. Eine Lösung darf nur dann als genauer bezeichnet werden, wenn kalibriertes Objekt, Messbereich, Bedingungen, Zeit und das Modell zur Unsicherheitsbewertung oder Abnahme genannt sind.
Linearität und Auflösung können irreführend sein
Das Ansprechverhalten eines FSR-Sensors ist üblicherweise nichtlinear. Eine angepasste Kennlinie kann den angezeigten Zusammenhang in einem ausgewählten Bereich linear erscheinen lassen. Die Korrektur gilt jedoch nur für den Sensor und die Mechanik, die durch die zugrunde liegenden Daten repräsentiert werden.
Ein Kraftaufnehmer mit Dehnungsmessstreifen lässt sich auf einen lineareren Zusammenhang zwischen Kraft und Ausgangssignal auslegen. Das Ergebnis hängt dennoch von der Geometrie des elastischen Körpers, Belastungsart, Brückenkonfiguration, Befestigung, Temperatur und Kalibrierung ab. Die Widerstandsänderungen der Dehnungsmessstreifen sind gering. Die Auslegung von Brücke und Verstärker bestimmt, ob das System sie ohne unzulässiges zusätzliches Rauschen oder Drift auflösen kann.
Unterscheiden Sie:
- Nichtlinearität des Sensors;
- Restabweichung des angepassten Modells;
- Wiederholbarkeit;
- Auflösung;
- Abstand zum Schwellenwert;
- Kalibrierunsicherheit;
- Rundung der Anzeige;
- Verhalten außerhalb des Messbereichs.
Auflösung ist die kleinste Ausgangsänderung, die die Elektronik unter angegebenen Bedingungen unterscheiden kann. Sie ist nicht automatisch die kleinste Kraftänderung, die die Mechanik zuverlässig messen kann.
Bei einer binären Entscheidung über Belegung oder Betätigung kann der Abstand zur Klassifikationsgrenze wertvoller sein als ein fein aufgelöster Kraftwert. Auch bei einem kalibrierten Kraftaufnehmer ist eine Auflösungsangabe ohne Angaben zu Stabilität und Unsicherheit unvollständig.
Hysterese und Kriechen beginnen an verschiedenen Stellen
Die Hysterese eines FSR-Sensors kann durch das Verhalten des kraftempfindlichen Materials, interne Kontaktänderungen, Reibung am Betätigungselement, Schaumstoff, Klebstoff, Verformung der Abstützung und die Belastungshistorie entstehen. Kriechen kann sich als Änderung des Ausgangssignals bei anhaltend konstanter Last zeigen. Die Rückstellung nach Entlastung kann sowohl vom Sensor als auch vom umgebenden viskoelastischen Schichtaufbau abhängen.
Auch Kraftaufnehmer mit Dehnungsmessstreifen können Hysterese, Kriechen und ein Verhalten bei der Nullpunktrückkehr zeigen. Mögliche Ursachen sind das elastische Bauteil, Klebstoff, DMS-Träger, Schutzsystem, Reibung an Befestigungsstellen, Befestigungselemente, Kabelkräfte, Materialhistorie und Überlast.
Verwenden Sie für beide Lösungen denselben Beobachtungsplan:
- Fahren Sie jede Kraftstufe von unten und von oben an;
- zeichnen Sie Be- und Entlastung auf;
- halten Sie ausgewählte Lasten über die geforderte Haltezeit;
- zeichnen Sie das Ausgangssignal während der Haltezeit auf;
- entlasten Sie das System und zeichnen Sie die Nullpunktrückkehr auf;
- wiederholen Sie die Prüfung nach relevanter Konditionierung;
- stellen Sie vor einer Änderung der Kalibrierung fest, welches Bauteil sich verändert hat.
Wer jede zeitabhängige Signaländerung pauschal als Sensordrift bezeichnet, verschleiert, ob die Ursache im Schaumstoff, an einer mechanischen Kontaktstelle, an einem aufgeklebten Dehnungsmessstreifen, im Verstärker, im Federelement oder in der Produktstruktur liegt.
Temperatur beeinflusst Mechanik, Sensor und Elektronik
Temperatur kann Materialsteifigkeit, Abmessungen, Widerstand, Klebstoffverhalten, Schaumstoffverhalten, Brückennullpunkt, Verstärkeroffset und mechanische Zwangsbedingungen verändern.
HBK erläutert, dass die Temperaturkompensation bei Dehnungsmessstreifen sowohl das Verhalten des Messstreifens als auch die Wärmeausdehnung seines Trägermaterials berücksichtigen muss.[9] Auch Micro-Measurements behandelt Selbsttemperaturkompensation, Träger, Messgitterlegierung, Klebstoff und Installation als anwendungsspezifisch auszuwählende Merkmale.[10]
Prüfen Sie bei der FSR-Lösung die Temperatureinflüsse auf:
- den Ausgangswert im unbelasteten Zustand;
- Kontakt- und Stützmaterialien;
- den Widerstand unter ausgewählten Lastbedingungen;
- Halteverhalten und Rückstellung;
- Referenzgrößen der Schaltung;
- den Abstand zum Schwellenwert;
- gegebenenfalls das Verhalten bei wiederholter thermischer Beanspruchung.
Prüfen Sie bei der Lösung mit Dehnungsmessstreifen:
- den Brückennullpunkt;
- Empfindlichkeit oder Messspanne;
- das Verhalten des elastischen Bauteils;
- mechanische Zwänge durch die Befestigung;
- Einflüsse von Leitungen und Speisung;
- das Kompensationsverfahren;
- Warmlauf und Stabilisierung;
- die Rückkehr zum Ausgangszustand nach einer Temperaturänderung.
Eine Kalibrierung bei Raumtemperatur beschreibt keines der beiden Systeme über nicht näher festgelegte Umgebungsbedingungen hinweg.
Überlastschutz ist mechanisch
Software kann eine Bereichsüberschreitung des Ausgangssignals erkennen, nachdem die Überlast begonnen hat. Sie kann weder verhindern, dass ein scharfkantiger Vorsprung einen FSR-Sensor beschädigt, noch ein Federelement davor schützen, seinen freigegebenen mechanischen Belastungszustand zu überschreiten.
Die FSR-Lösung kann Folgendes erfordern:
- starre Anschläge;
- einen definierten Betätigungsweg;
- eine Abstützung, die Durchstechen oder scharfes Abknicken verhindert;
- Schutz für Kanten und aktive Fläche;
- eine kraftverteilende Geometrie;
- Beherrschung der Scherbelastung;
- Grenzwerte für Handhabung und Montage.
Die Lösung mit Dehnungsmessstreifen kann Folgendes erfordern:
- Lastanschläge;
- Begrenzung von Querkräften und Momenten;
- Grenzwerte für Befestigungselemente und Montage;
- Transportsicherungen;
- Schutz vor Stößen;
- Entkopplung der Kabelkräfte;
- eine Prüfung nach Überlast.
Eine Überlast kann sichtbare Schäden, eine Nullpunktverschiebung, eine veränderte Kennlinie oder Hysterese hinterlassen, aber auch ohne offensichtliche Symptome bleiben. Die Servicevorgabe sollte festlegen, wann eine Einheit auszusondern, erneut zu prüfen oder neu zu kalibrieren ist.
Geringe Bauhöhe und niedrige Kosten müssen für das gesamte System bewertet werden
FSR-Sensoren sind attraktiv, wenn die Sensorik in einen dünnen, flexiblen Bereich passen muss. Dieser Vorteil kann entfallen, wenn das Produkt ein komplexes Betätigungselement, eine präzise Abstützung, ein Gehäuse zum Schutz vor Umwelteinflüssen, Einzelkalibrierung oder häufigen Austausch erfordert.
Dehnungsmessstreifen selbst sind klein. Ein funktionsfähiger Kraftaufnehmer benötigt jedoch ein elastisches Bauteil, einen definierten Kraftfluss, Brückenverdrahtung, Schutz, Befestigung, eine Überlastauslegung und Messtechnik. Die Dicke einer DMS-Folie mit einer fertigen FSR-Baugruppe zu vergleichen, ist nicht aussagekräftig.
Vergleichen Sie den Gesamtumfang im eingebauten Zustand:
- Sensor oder Dehnungsmessstreifen;
- ausgelegter mechanischer Wandler;
- spanende Bearbeitung, Umformung, Verklebung und Schutz;
- Betätigungselement, Abstützung, Befestigungselemente und Anschläge;
- Kabel und Steckverbinder;
- analoge Eingangsschaltung und ADC;
- Kalibrierausrüstung und Zeitaufwand;
- Verifikation in der Produktion;
- Nacharbeit und Austausch;
- Nachkalibrierung im Einsatz;
- Qualifizierung von Änderungen.
Keine Technologie ist bei Kosten, Baugröße, Lieferzeit oder Messbereich grundsätzlich überlegen. Ein System, das auf dem Papier weniger Kontrolle der Mechanik erfordert, kann in der Produktion mehr Kalibrierung und Fehlersuche nötig machen.
Fehlerbilder weisen auf unterschiedliche Verantwortungsbereiche hin
Nutzen Sie das beobachtete Muster, um die Untersuchung zu lenken:
| Beobachtetes Ergebnis | Erste Prüfungen bei FSR-Sensoren | Erste Prüfungen bei DMS-Aufnehmern |
|---|---|---|
| Ausgangssignal ändert sich mit der Lastposition | Kontaktfläche, Abstützung, Ausrichtung zur aktiven Fläche, Kraftnebenschluss | Krafteinleitung, Exzentrizität, Moment, Befestigung |
| Nullpunkt ändert sich nach der Montage | Vorspannung, Schaumstoff, Klebstoff, Kompression der Abdeckung | montagebedingte Dehnung, Befestigungselemente, Kabel, Brückenabgleich |
| Ausgangssignal verändert sich bei konstanter Last | FSR-Kriechen, Schaumstoff, Klebstoff, Schaltung | Federelement, Klebeverbindung, Schutz, Befestigung, Elektronik |
| hohe Streuung zwischen einzelnen Einheiten | Sensor, Schichtaufbau, Betätigungselement, Baugruppe, Kalibrierung | Federgeometrie, DMS-Installation, Brückenschaltung, Kalibrierung |
| Temperatur verändert das Ausgangssignal | Materialien von Sensor und Schichtaufbau, Schaltung | DMS-Kompensation, Federwerkstoff, Befestigung, Elektronik |
| Ansprechverhalten ändert sich nach Überlast | aktive Fläche, Schichten, Anschlag, Abstützung | Federelement, Anschläge, DMS-Verklebung, Nullpunkt und Messspanne |
| Rauschen nimmt im Produkt zu | Kabel, Leckströme, Versorgung, ADC, beweglicher Kontakt | Abschirmung, Erdung, Speisung, Verstärker, Kabel |
| Kalibrierung funktioniert nur in der Prüfvorrichtung | abweichende Vorrichtungs- oder Kontaktverhältnisse | abweichende Befestigung oder abweichender Kraftfluss |
Diese Fehlerbilder belegen noch keine Ursache. Sie helfen, die erste Untersuchung gezielt einem Verantwortungsbereich zuzuordnen und Nachweise zu sichern, bevor jemand die Software ändert oder einen mechanischen Fehler durch Nachkalibrieren verdeckt.
Wählen Sie die Architektur anhand verbindlicher Messanforderungen
Geben Sie die Technologieentscheidung mit folgender Dokumentation frei:
Anforderung | Verantwortlicher für den Kraftfluss | Sensorlösung | Kalibrierobjekt | Maßgeblicher Fehlerbeitrag | Verifikation | Änderungsauslöser
Beispielfragen für die Entscheidung:
- Soll das Ausgangssignal einen Zustand, ein relatives Werteband, einen Prozesstrend oder eine kalibrierte Kraft abbilden?
- Wird die Last über einen lokalen Kontakt oder einen definierten strukturellen Kraftfluss eingeleitet?
- Lässt sich ein eigens dafür ausgelegtes elastisches Bauteil in das Produkt integrieren?
- Muss sich der Sensor an eine flexible oder räumlich verteilte Oberfläche anpassen?
- Welche Komponente darf kriechen oder sich verformen?
- Wer ist für Betätigungselement, Abstützung, Federelement, Befestigung, Elektronik und Kalibrierung verantwortlich?
- Ist ein Austausch im Einsatz vorgesehen?
- Erfordert ein Austausch eine Neukalibrierung?
- Welche Änderungen können Nullpunkt, Messspanne, Schwellenwert oder Abstand zur Klassifikationsgrenze verschieben?
- Welche Nachweise sind nach Überlast, Temperatureinwirkung oder Baugruppenänderung erforderlich?
Bei Automobilanwendungen ist das Sensorergebnis nur eine Eingangsgröße für das gesamte Sitz- oder Fahrzeugsystem. Der OEM oder Systemintegrator bleibt für Klassifikationslogik, Diagnose, Warnverhalten, Sicherheitsanalyse, Konformität und Validierung auf Fahrzeugebene verantwortlich.
Wenn keine der beiden Lösungen passt
Wählen Sie eine andere Architektur, wenn:
- nur ein offener oder geschlossener Zustand benötigt wird und analoge Kraftinformationen keinen Mehrwert bieten;
- die Last über eine große Fläche verteilt ist und eine Mehrzonenmatte das benötigte Muster direkter erfasst;
- die Struktur weder einen definierten FSR-Kontakt noch einen definierten Kraftfluss für Dehnungsmessstreifen ermöglicht;
- die Druckverteilung statt der Gesamtkraft oder einer lokalen Kraft benötigt wird;
- die Messung vom vorhandenen mechanischen Schichtaufbau entkoppelt werden muss;
- Umgebungsbedingungen, Servicekonzept oder Überlast mit keiner der vorgeschlagenen Konstruktionen beherrscht werden können;
- ein handelsüblicher Kraftaufnehmer die Anforderungen an Messbereich, Befestigung, Kalibrierung und Dokumentation bereits besser erfüllt als eine kundenspezifische Konstruktion.
Die passende Lösung kann eine Kontaktmatte, ein kapazitiver oder optischer Sensor, eine piezoelektrische Lösung, ein hydraulisches oder pneumatisches Verfahren, eine handelsübliche Wägezelle oder ein kombiniertes System sein. Dieser Artikel qualifiziert diese Alternativen nicht. Er verhindert, dass die Wahl auf FSR oder Dehnungsmessstreifen verengt wird, obwohl keine der beiden Lösungen den Kraftfluss beherrscht.
Häufig gestellte Fragen
Ist ein kraftabhängiger Widerstand dasselbe wie ein Dehnungsmessstreifen?
Nein. Ein FSR-Sensor ist ein kraftempfindliches resistives Element, dessen Messergebnis vom Kontaktaufbau abhängt. Ein Dehnungsmessstreifen erfasst die Verformung eines elastischen Bauteils und wird üblicherweise als Bestandteil eines vollständigen Messaufnehmers mit Brückenschaltung für die Kraftmessung nutzbar.
Welche Technologie eignet sich besser für eine dünne, flexible Kontaktstelle?
Ein FSR-Sensor ist häufig der geeignetere Ausgangspunkt, wenn der Sensor dünn bleiben muss und sich die Kontaktmechanik beherrschen lässt. Die Auswahl hängt weiterhin vom geforderten Ausgangsergebnis, Kalibrierobjekt, der Umgebung und der zulässigen Streuung ab.
Liefert JASPER Wägezellen mit Dehnungsmessstreifen?
Diese technische JASPER-Seite erhebt keinen Produktanspruch auf Wägezellen mit Dehnungsmessstreifen. Der hier beschriebene kommerzielle Ansatz von JASPER ist die Prüfung eines kundenspezifischen Sensors auf FSR-Basis, vorbehaltlich der Bestätigung für das konkrete Projekt.
Lässt sich ein FSR-Sensor zur Abschätzung der Kraft kalibrieren?
Er lässt sich mit dem freigegebenen Betätigungselement, der Abstützung, Schaltung und Baugruppe sowie unter der festgelegten Belastungshistorie und den freigegebenen Bedingungen charakterisieren. Dieser Zusammenhang sollte ohne Validierung nicht auf einen anderen Kontaktaufbau übertragen werden.
Warum kann dieselbe Kraft unterschiedliche FSR-Messwerte liefern?
Kontaktfläche, Ausrichtung, Härte, Schaumstoff, Vorspannung, Abstützung, Scherung und Kraftnebenschlüsse können beeinflussen, wie die Gesamtkraft die aktive Fläche erreicht.
Wann ist ein Kraftaufnehmer mit Dehnungsmessstreifen die geeignetere Lösung?
Er ist der geeignetere Ausgangspunkt, wenn sich die Last im Produkt durch ein eigens ausgelegtes elastisches Bauteil leiten lässt und ein kalibrierter struktureller Zusammenhang zur Kraft bei definierter Befestigung und Messtechnik benötigt wird.
Welche Angaben sollte ein OEM für die Technologieauswahl übermitteln?
Übermitteln Sie Kraftfluss, Kontaktgeometrie, verfügbaren Bauraum, gefordertes Ausgangsergebnis, Spektrum der Betriebszustände, Schaltungsumfang, Umgebung, Überlastfälle, Kalibrierobjekt, Validierungsplan und Stückzahlen.
Quellen
- Interlink Electronics,
FSR 400 Series, offizielle Produktseite des Herstellers: https://www.interlinkelectronics.com/fsr-400 - Interlink Electronics,
Integrationsleitfaden zur FSR 400-Serie, offizielles PDF-Dokument des Herstellers: https://www.interlinkelectronics.com/downloads/integration-guides/fsr-400-series-integration-guide.pdf - Tekscan,
Eingebettete Kraftsensoren, offizielle Produkt- und Integrationsübersicht des Herstellers: https://www.tekscan.com/products-solutions/embedded-force-sensors - Tekscan,
Wägezelle im Vergleich zum Kraftsensor, offizieller technischer Vergleich des Herstellers: https://www.tekscan.com/resources/whitepaper/load-cell-vs-force-sensor - Tekscan,
Wie kalibriere ich meinen FlexiForce-Sensor?, offizielle technische Hilfestellung des Herstellers: https://www.tekscan.com/support/faqs/how-do-i-calibrate-my-flexiforce-sensor - HBK,
Kraftaufnehmer auf Basis von Dehnungsmessstreifen, offizieller technischer Artikel des Herstellers: https://www.hbkworld.com/en/knowledge/resource-center/articles/force-transducers-based-on-strain-gauges - HBK,
Was ist eine Wägezelle und wie funktioniert sie?, offizieller technischer Artikel des Herstellers: https://www.hbkworld.com/en/knowledge/resource-center/articles/what-is-a-load-cell-and-how-does-a-load-cell-work - HBK,
Die Wheatstone-Brückenschaltung, offizieller messtechnischer Artikel: https://www.hbkworld.com/en/knowledge/resource-center/articles/wheatstone-bridge-circuit - HBK,
Temperaturkompensation von Dehnungsmessstreifen, offizieller technischer Artikel des Herstellers: https://www.hbkworld.com/en/knowledge/resource-center/articles/article-temperature-compensation-of-strain-gauges1 - Micro-Measurements,
Referenzleitfaden für Dehnungsmessstreifen, offizieller Auswahl- und Anwendungsleitfaden des Herstellers: https://docs.micro-measurements.com/?id=8690 - National Institute of Standards and Technology (NIST),
Kalibrierung von Kraftaufnehmern: https://www.nist.gov/programs-projects/calibration-force-transducers - ASTM E74 von ASTM International,
Standardverfahren zur Kalibrierung und Verifikation von Kraftmessgeräten: https://store.astm.org/e0074-18r26.html - Internationale Organisation für Normung, ISO 376,
Metallische Werkstoffe - Kalibrierung von Kraftmessgeräten, die zur Überprüfung von einachsigen Prüfmaschinen verwendet werden: https://www.iso.org/standard/44661.html
Übermitteln Sie den Kraftfluss und den Nachweisplan
Über die Kontaktseite von JASPER können Sie folgende Angaben übermitteln:
- Anwendung und erforderliche Entscheidung;
- Eingangslast und Kraftrichtung;
- Angaben zu Mindest-, Normal- und Höchstlast, Vorspannung, Haltezeit und Belastungsgeschwindigkeit;
- Zeichnung der Kontaktfläche oder der strukturellen Krafteinleitung;
- verfügbarer Bauraum und zulässige Nachgiebigkeit;
- Angaben zu Abstützung, Schaumstoff, Betätigungselement, Feder, Befestigungselementen und Gehäuse;
- gewünschtes Ausgangsergebnis und Umfang der Elektronik;
- Kalibrierobjekt und Austauschstrategie;
- Anforderungen an Umgebung, Überlast, Lebensdauer und Fehlerverhalten;
- Prototypen- und Jahresstückzahlen;
- erforderliche Nachweise und Regeln zur Änderungsmitteilung.
Für die Validierungsdokumentation bietet die JASPER-Seite zu Qualität und Prüfungen einen Rahmen, um Anforderung, Prüfling, Verfahren, Ergebnis, Abnahme und Dokumentation miteinander zu verknüpfen. Eine Prototypenprüfung sollte den Kraftfluss klären, bevor Seriengeometrie oder Kalibrierkoeffizienten verbindlich festgelegt werden.
JASPER kann prüfen, ob ein kundenspezifischer FSR-Aufbau die Anforderungen an eine dünne, flexible Sensorik erfüllt. Erfordert die Entscheidung einen Kraftaufnehmer mit Dehnungsmessstreifen, muss das Projekt einen Lieferanten und einen Entwicklungsumfang vorsehen, die Federelement, DMS-Installation, Brückenschaltung, Kalibrierung und messtechnische Rückführbarkeit der Kraft abdecken.