3D Force Sensors

Construction of 3D force sensors

With the 3D force sensors from ME-Meßsysteme GmbH, it is possible to measure forces in three spatial directions (x, y, z). The 3D sensors are equipped with full-bridge strain gauges. The signals from the full-bridge strain gauges each correspond to a force component in the x, y, and z directions.

Spring joint guide

The deformation body of the 3D force sensor is designed to have a spring-joint guide equipped with strain gauges in three mutually perpendicular orientations. The spring-joint guides and the arrangement and interconnection of the strain gauges enable a vector decomposition of the applied force vector across the three axes of the force sensor.

The K3D40 and K3D35 sensors are constructed in an "open" series connection of double beams. In this "line" design, each measuring axis is mounted at the end of the preceding measuring axis. Therefore, this design is only suitable for smaller forces, up to approximately 100 N.

Vergleich der Konstruktionsvarianten von 3D Sensoren

Bei der Konstruktion von 3D Kraftsensoren werden unterschiedliche Lösungsansätze verfolgt.

Variante 1: Serienschaltung

Bei der Variante 1 (K3D35, K3D40) werden drei 1D Sensoren in Reihe geschaltet. Jeder einzelne 1D Sensor verfügt über eine Parallelogrammführung (Doppelbiegebalken).

1) Die Parallelogrammführung bewirkt ein geringes Übersprechen durch

• eine hohe Dehnung / ein hohes Ausgangssignal bei Belastung in Messrichtung 
• eine niedrige Dehnung / eine hohe Steifigkeit in den jeweils senkrechten Achsen zur Messrichtung
• eine Parallelführung und somit geringe Neigung der Sensorelemente unter Belastung

2) Durch die Bestückung aller 4 Messstellen des Doppelbalkens erfolgt zusätzlich zur mechanischen Trennung durch Federgelenkfphrung eine messtechnische Kompensation des Übersprechens durch die Dehnungsmessstreifen Vollbrücke.

3) Durch die Anwendung einer Kompensationsmatrix erfolgt einer dritte Ebene zur Kompensation des noch vorhandenen Übersprechens.

Nachteile der Variante 1:

Die Serienschaltung von drei 1D Sensoren ist oft mit großen Auslenkungen und geringen Steifigkeiten und niedrigen Eigenfrequenzen verbunden. Das Konstruktionsprinzip eignet sich insbesondere für die Konstruktion von 3D Sensoren mit kleinen Kräften bis ca. 100 N. Durch die konstruktiv bedingten Hebelarme ergeben sich relativ hohe Belastungen durch Biegemomente, was zu Übersprechen führen kann.

Variante 2: geschlossene Bauform, Serien + Parallelschaltung 

Bei der Variante 2 (K4D60a, K3D120, K3D160, K3D300, K3D400) werden für jede Kraftrichtung zwei Parallelführungen angewendet. Durch die Anwendung von zwei Parallelführungen auf zwei gegenüberliegenden Seitenwänden eines geschlossenen Kastens kann der Sensor Momente aufnehmen. Mit dem Abstand der Seitenwände lässt sich die Widerstandskraft gegen Biegemomente skalieren. Diese Bauart, welche von der ME-Meßsysteme GmbH entwickelt wurde, zeichnet sich durch eine besonders gringe Bauhöhe aus. Durch den Einsatz von zwei Messelementen pro Seitenwand lassen sich auch Sensoren für größere Kräfte bis z.B. 500kN realisieren, indem der Doppelbalken durch zwei Scherkraft-Messelemente ersetzt wird.

Auch bei dieser Variante wird das Übersprechen minimiert durch eine Kombination von

1. Festkörpergelenk-Geradführung
2. Kompensation durch die Wheatstonesche Brückenschaltung
3. optionale zusätzlicher Anwendung einer Kompensationsmatrix