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什么是串擾？如何進行串擾補償？

2022-03-23 14:48:47·  來源：HBM 測試與測量  作者：HBM  
　
串擾是如何引起的？如何輕松地進行補償？ 在很多應(yīng)用中，例如在實驗、機器人、裝配生產(chǎn)過程中，都需要一個傳感器來測量三個空間方向上的力，或者同時測量扭矩和力。HBK久經(jīng)考驗的MCS10多分量傳感器多年來一直是此類測量任務(wù)的可靠工具。 與所有基于應(yīng)變的傳感
串擾是如何引起的？如何輕松地進行補償？
在很多應(yīng)用中，例如在實驗、機器人、裝配生產(chǎn)過程中，都需要一個傳感器來測量三個空間方向上的力，或者同時測量扭矩和力。HBK久經(jīng)考驗的MCS10多分量傳感器多年來一直是此類測量任務(wù)的可靠工具。
與所有基于應(yīng)變的傳感器一樣，多分量傳感器需要采用。

基于應(yīng)變的傳感器是如何工作的？
應(yīng)變片是一種將應(yīng)變（即拉伸或壓縮）轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器部件。在應(yīng)用中，至少需要四個這樣的部件連接組成所謂的 惠斯通電橋 。當施加力、彎矩或扭矩時，橋路中的兩個應(yīng)變片被拉伸，而另外兩個被壓縮。通過對此類橋路提供激勵電壓，則可輸出電壓信號。由于應(yīng)變片具有優(yōu)異的線性，因此，基于應(yīng)變的傳感器非常精確可靠。應(yīng)變片產(chǎn)生正應(yīng)變或負應(yīng)變?nèi)Q于它們在中的位置。

因為兩個應(yīng)變片在橋路中表現(xiàn)為正應(yīng)變（對張力響應(yīng)），而另外兩個表現(xiàn)為負應(yīng)變（對壓力響應(yīng)），我們可以通過巧妙地布置應(yīng)變片，確保傳感器只對一種機械應(yīng)力作出響應(yīng)。
圖1 安裝應(yīng)變片的彎曲梁。底部的應(yīng)變片在壓力作用下產(chǎn)生正應(yīng)變，頂部的應(yīng)變片對張力響應(yīng)。
圖2 傳感器彎曲：底部的應(yīng)變片變短，頂部的應(yīng)變片變長，并導致測量信號產(chǎn)生。
圖3 應(yīng)用：所有的應(yīng)變片應(yīng)變大小和方向相同，輸出信號為零。
如圖所示，如果將應(yīng)變片安裝在梁上，當梁發(fā)生彎曲時，頂部的應(yīng)變片變長，底部的應(yīng)變片變短。如果橋路按照如此方式設(shè)計，則底部的應(yīng)變片將對輸出產(chǎn)生負影響，頂部的將產(chǎn)生正影響，并導致測量信號產(chǎn)生 (見圖2)。另外，如果對梁施加拉向或壓向力，所有四個應(yīng)變片都變長或變短，則輸出信號為零。通過這種方式，我們可以設(shè)計一個只對彎矩響應(yīng)的傳感器（見圖3）。
與僅測量單個方向的力傳感器或扭矩傳感器不同，多分量傳感器最多有六個測量橋路。每個橋路應(yīng)變片的布置方式應(yīng)確保輸出信號僅為三個方向之一的力矩或力。 不同負載情況下應(yīng)變片的布置及定位，可參考 一文。
串擾是如何產(chǎn)生的?
在上面的例子中，即使只施加一個方向的力或彎矩，也可以在其他方向上檢測到非常小的測量信號。這是因為只有當所有四個應(yīng)變片具有完全相同的應(yīng)變并具有完全相同的靈敏度時，測量信號才可能完全為零。實際上，測量體有公差，每個應(yīng)變片的靈敏度也不盡相同。
因此，每個多分量傳感器都存在被稱為串擾，也就是不需要信號的干擾效應(yīng)。
串擾如何補償?
第一步是考慮是否有必要進行補償，因為MCS10系列傳感器已經(jīng)將串擾降至最低。HBK傳感器在進行校準時，不僅要測量和評估被施加負載的部件，還要測量和評估傳感器中的所有其他測量電路，以確保傳感器在規(guī)定的誤差范圍內(nèi) - 因為串擾是技術(shù)參數(shù)表中規(guī)定的技術(shù)特性。例如z方向的力對x和y方向的影響，以及對扭矩和彎矩的測量電路的影響。
這些特性可在傳感器隨附的文檔中找到。用如下矩陣表示：
圖4 MCS10串擾補償矩陣示例
上面這個例子是一個可以測量三個空間方向力的傳感器。對于六分量傳感器，將會有附加系數(shù)（Mx,My,Mz 處不為零）。
為了能夠進行矩陣補償，必須調(diào)整放大器，使其以 mV/V 形式輸出未標度的測量值。
F′x 是串擾補償力; Fx, Fy 和 Fz 是放大器測量的信號 (mV/V).
F′x 可通過以下方式確定:
F′x=1.28706 * Fx + 0.0027 *Fy + 0.01483*Fz
對于其他部件，以下一般是通用的：
在本示例中，采用的是一個三分量力傳感器。除了這些力之外，還存在可以測量三個方向力及扭矩的傳感器，一共有六個方程，每個方程有六個系數(shù)。
這種復(fù)雜的計算通過現(xiàn)代放大器，可以非常輕松地進行處理和串擾補償。例如PMX和QuantumX數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都可以用來進行校正測量。
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