Mäuselein, Sascha

Schwartz, Roman

Digitale Bibliothek Thüringen

  50. Internationales  Wissenschaftliches Kolloquium   September, 19-23, 2005   Maschinenbau  von Makro bis Nano / Mechanical Engineering  from Macro to Nano   Proceedings    Fakultät für Maschinenbau / Faculty of Mechanical Engineering     Startseite / Index:  http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=15745 Impressum  Herausgeber: Der Rektor der Technischen Universität llmenau  Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Peter Scharff  Redaktion: Referat Marketing und Studentische Angelegenheiten  Andrea Schneider   Fakultät für Maschinenbau  Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Kurtz, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. med. (habil.) Hartmut Witte, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Gerhard Linß,  Dr.-Ing. Beate Schlütter, Dipl.-Biol. Danja Voges,  Dipl.-Ing. Jörg Mämpel, Dipl.-Ing. Susanne Töpfer,  Dipl.-Ing. Silke Stauche  Redaktionsschluss: 31. August 2005 (CD-Rom-Ausgabe)  Technische Realisierung:  Institut für Medientechnik an der TU Ilmenau (CD-Rom-Ausgabe) Dipl.-Ing. Christian Weigel Dipl.-Ing. Helge Drumm Dipl.-Ing. Marco Albrecht  Technische Realisierung: Universitätsbibliothek Ilmenau (Online-Ausgabe)   Postfach 10 05 65  98684 Ilmenau  Verlag:   Verlag ISLE, Betriebsstätte des ISLE e.V.  Werner-von-Siemens-Str. 16  98693 llmenau   © Technische Universität llmenau (Thür.) 2005   Diese Publikationen und alle in ihr enthaltenen Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich geschützt.   ISBN (Druckausgabe): 3-932633-98-9  (978-3-932633-98-0) ISBN (CD-Rom-Ausgabe): 3-932633-99-7 (978-3-932633-99-7)  Startseite / Index: http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=15745 50. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium Technische Universität Ilmenau 19.-23. September 2005  Sascha Mäuselein / Dr. Roman Schwartz   Alternative Sensoren für die Wägetechnik    ABSTRACT  In der Wägetechnik werden zur Zeit hauptsächlich Wägezellen auf DMS-Basis (DMS-WZ) einge-setzt. Grund dafür ist, dass mit dieser seit Jahrzehnten bekannten und ständig weiter entwickelten Messtechnik zur Zeit relative Messunsicherheiten von 10-4 und darunter bei vergleichsweise niedri-gen Produktionskosten erreicht werden. Für höhere Genauigkeitsanforderungen, insbesondere in der Laborwägetechnik, werden elektrodynamische Kraftkompensations-Wägezellen (EDK-WZ) einge-setzt, mit denen relative Messunsicherheiten von einigen 10-7 erzielt werden, allerdings nur bis zu Lasten von einigen zehn Kilogramm. Daneben hat in den letzten Jahren die Mechatronik und Mik-rosystemtechnik zunehmend an Bedeutung gewonnen, die durch das effektive Zusammenspiel me-chanischer, elektronischer und IT-Komponenten sowie deren Miniaturisierung auch für das klassi-sche Gebiet der Wägetechnik völlig neue Perspektiven bietet. Der Vortrag gibt den aktuellen Stand einer Studie wieder in der alternative Messverfahren auf ihr zukünftiges Potential in der Wägetechnik untersucht werden. Bei der Vorstellung ausgewählter Messverfahren wird auf die Vor- und Nachteile und die derzeitigen Einsatzbereiche eingegangen.    Am Weitesten verbreitet ist die Bestimmung der Gewichtskraft der zu wiegenden Masse durch Mes-sung der Verformung eines Federkörpers. Zum Einsatz kommen Stahl- und Aluminiumfederkörper. Der prinzipielle Nachteil liegt in Kriechen, Hysterese und Alterungseffekten des Federmaterials. Wird die Dehnung mittels Folien-DMS gemessen, treten diese Effekte auch in der Klebeverbindung zwischen Federkörper und DMS auf. Weiterhin ist die Feuchteempfindlichkeit des Klebers zu be-achten. Vorteilhaft wäre daher eine Messung ohne diese Verbindungsprobleme im Kombination mit einer digitalen Kriechkompensation. (Z. Z. erfolgt die Kriechkompensation über das Kriechen des Klebers.) Alternative kristalline Federmaterialien wie z. B. Silizium ohne Hysterese- und Kriechef-fekte haben gut reproduzierbare Eigenschaften und ermöglichen daher eine digitale Kompensation des Kriechens. Mittels Sputtertechnik applizierte Metall-DMS gehen eine direkte Verbindung mit dem Federkörper ein, wodurch Kriechen und Hysterese vermieden werden. Da die DMS-Strukturen mit dieser Tech-nik kleiner werden (Faktor 15), sind die Rückwirkungen auf den Federkörper geringer und auf glei-cher Fläche können mehr DMS appliziert werden, was beispielsweise zur Unterdrückung von Stör-größen genutzt werden kann. Eine zusätzliche Verdopplung der Messgrößen bzw. eine Reduzierung der benötigten DMS lässt sich mit time-to-digital Konvertern (TDC) erreichen. Diese Technik er-möglicht die digitale Auswertung von DMS in einer Halbbrückenschaltung, während bei den übli-chen Trägerfrequenzverstärkern Vollbrücken benötigt werden, um das Beste Signal-zu-Rausch Ver-hältnis zu erlangen. Einen höheren k-Faktor bieten beispielsweise Halbleiter-DMS. Diese weisen aber eine hohe Tempe-raturempfindlichkeit und geringere Linearität auf. Hier sind für hohe Genauigkeiten Referenzsenso-ren und Kompensationen erforderlich. Weitere alternative Materialien zur Dehnungsmessung sind magnetostriktive Materialien, die in Magnetfeldsensoren z. B. zu piezoresistiven Sensoren führen, piezokapazitive Materialien oder leitfähige Kunststoffe. Die Hysterese und Reproduzierbarkeit ent-spricht jedoch vielfach nicht der von Metall-DMS. Piezoelektrische Folien (z. B. PVDF) weisen ein besseres Signal-zu-Rausch Verhältnis als Metall-DMS auf. Problematisch sind wie bei allen piezoelektrischen Verfahren statische Messungen, die nur durch aufwendige Elektronik und Signalverarbeitung möglich sind. Bei der direkten Längenmessung der Verformung eines Federkörpers, beispielsweise optisch, kapa-zitiv oder mit Ultraschall, entfallen die Probleme der Klebeverbindung und die Rückwirkungen auf den Federkörper. Optische Verfahren zur Wegmessung sind im Allgemeinen sehr genau. Allerdings bleiben die prinzipiellen Nachteile des Federkörpers bestehen und die Herstellkosten sind, abgese-hen von der faseroptischen Reflexion, in der Regel sehr hoch. Sensoren, die auf dem Photoelastischen Effekt beruhen, wie sie beispielsweise mit monolithischen Laserkristallen realisiert werden, bieten einen großen Auflösungsbereich über 10 Dekaden. Problematisch ist hier jedoch die Krafteinleitung in den Kristall. Wägezellen nach dem Schwingsaiten-Prinzip sind mit relativen Auflösungen bis zu 4*106 erhältlich. Dabei ist durch die Verwendung von zwei Saiten ein direkter Massenvergleich möglich, wenn die benötigte Vorspannkraft über eine Vergleichsmasse aufgebracht wird. Ein ähnliches Verfahren nach dem Doppelstimmgabel-Prinzip (DETF), bietet eine bessere Güte des Schwingkreises und verringert die Probleme durch das Mitschwingen der Einspannung. Piezoelektrische Kraftaufnehmer aus Quarz sind in der dynamischen und quasistatischen Kraftmes-sung weit verbreitet. In der Wägetechnik konnten sie sich aufgrund der vom Ladungsverstärker ver-ursachten Drift nicht durchsetzten. Vorteilhaft sind jedoch die durch Konstanten beschreibbaren Materialeigenschaften, die weder Kriechen, Hysterese noch Alterungseffekte aufweisen und univer-sell bestimmt werden können. Bei den Kompensationsverfahren, die im hochauflösenden Bereich eingesetzt werden, wird die Ge-wichtskraft durch eine Gegenkraft kompensiert. Das Messsignal kann aus der Stellgröße zur Erzeu-gung der Kompensationskraft gewonnen werden. Da diese Verfahren quasiweglos sind und bei-spielsweise die Federkörper ihren Arbeitspunkt nicht verlassen, wird eine hohe Genauigkeit und eine gute Linearität erreicht.  Eine Alternative zur elektrodynamischen Krafterzeugung für Lasten im mg-Bereich stellt die elekt-rostatische Kraftkompensation dar. Da die elektrostatische Kraft quadratisch zum Plattenabstand abfällt, ist eine Fertigung in Mikrotechnik sinnvoll, um nutzbare Kräfte zu erreichen. Solche Wäge-zellen erreichen Auflösungen von 10-6 bei maximalen Lasten von 1 g. Die Mikrotechnik bietet auch für viele der übrigen Verfahren ein großes Potential. Z. B. wurden bereits DETF zur Dehnungsmes-sung mit einem Dehnungsfaktor von 2700 gefertigt und kapazitive Si-WZ mit Auflösungen von 10-4 bei einer maximalen Last von 500 kg entwickelt. Großes Potential wird in der Mikrotechnik gesehen, besonders im Bereich der elektrotstatischen Kraftkompensation, da es sich um ein Kompensationsverfahren handelt. Auch Si-Federkörper mit gesputterten oder mittels Dotierung eingebrachter Halbleiter-DMS sind erfolgversprechend, weil dieses Verfahren eine hohe Reproduzierbarkeit erwarten lässt.   Autorenangaben:   Sascha Mäuselein Dr. Roman Schwartz Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Bundesallee 100 38116, Braunschweig Tel.: 0531 592-1189 Fax: 0531 592-1105 E-mail: sascha.maeuselein@ptb.de 

Alternative Sensoren für die Wägetechnik

https://www.db-thueringen.de/servlets/MCRFileNodeServlet/dbt_derivate_00022290/50_IWK_2005_5_1_2.pdf

Alternative Sensoren für die Wägetechnik

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Digitale Bibliothek Thüringen