Einführung in die piezoelektrischen Kraftsensoren

Quarzkraftsensoren werden für dynamische Kraftanwendungen empfohlen. Sie werden nicht als "Kraftmesszellen" für statische Anwendungen verwendet. Die Messung von dynamischen, oszillierenden Kräften, Druck- und Zugkräften mit hoher Geschwindigkeit unter verschiedenen Bedingungen kann Sensoren mit besonderen Eigenschaften erfordern. Schnelles Ansprechverhalten, Robustheit, eine mit massivem Stahl vergleichbare Steifigkeit, erweiterte Messbereiche und die Fähigkeit, auch quasi-statische Kräfte zu messen, sind Standardmerkmale von PCB-Quarzkraftsensoren.

Die folgenden Informationen stellen einige der Konstruktions- und Betriebseigenschaften von PCB-Kraftsensoren vor, um Ihnen zu helfen, ihre Funktionsweise besser zu verstehen, was Ihnen wiederum helfen wird, bessere dynamische Messungen durchzuführen".

In Abbildung 1 ist der Querschnitt eines typischen Quarzkraftsensors dargestellt. Bei diesem speziellen Sensor handelt es sich um ein Druck-/Zugmodell der Serie 208 für allgemeine Zwecke mit eingebauter Elektronik.

Abbildung 1: Druck-Zug-Aufprall Serie 208

Wenn auf diesen Sensor eine Kraft ausgeübt wird, erzeugen die Quarzkristalle eine elektrostatische Ladung, die proportional zur Eingangskraft ist. Diese wird an den zwischen den Quarzen befindlichen Elektroden gesammelt und dann entweder direkt an einen externen Ladungsverstärker weitergeleitet oder im Sensor in ein Spannungssignal mit niedriger Impedanz umgewandelt. Diese beiden Betriebsarten werden in den folgenden Abschnitten untersucht.

Ein piezoelektrischer Kraftsensor im Ladungsmodus erzeugt bei Belastung eine hohe elektrostatische Ladung der Kristalle. Diese hochohmige Ladung muss über ein spezielles "rauscharmes" Kabel zu einem Impedanzwandlerverstärker wie einem Labor-Ladungsverstärker oder einem Source-Follower für Aufzeichnungszwecke geleitet werden. Ein direkter Anschluss des Sensors an ein Auslesegerät wie z. B. ein Oszilloskop ist für die Anzeige von Hochfrequenzstößen möglich, eignet sich jedoch nicht für die meisten quantitativen Kraftmessungen.

Die Hauptfunktion des Ladungs- oder Spannungsverstärkers ist die Umwandlung des hochohmigen Ladungsausgangs in ein nutzbares niederohmiges Spannungssignal für Aufzeichnungszwecke. Labor-Ladungsverstärker bieten zusätzliche Vielseitigkeit bei der Signalnormalisierung, der Bereichswahl und der Filterung. Die "elektrostatischen" Ladungsverstärker von PCB verfügen über zusätzliche Eingangseinstellungen für quasi statische Messungen, statische Kalibrierung und driftfreien dynamischen Betrieb. Miniatur-Inline-Verstärker haben im Allgemeinen einen festen Bereich und eine feste Frequenz.

Quarz-Ladungs-Kraftsensoren mit gefallenen Isolatoren können bei Betriebstemperaturen von bis zu 204°C (400°F) eingesetzt werden.

Bei der Verwendung von Ladungsmodus-Systemen ist zu bedenken, dass das Ausgangssignal der Quarze eine reine elektrostatische Ladung ist. Die internen Komponenten des Kraftsensors und der externe elektrische Anschluss haben einen sehr hohen (typischerweise 10el3 Ohm) Isolationswiderstand, so dass die von den Kristallen erzeugte elektrostatische Ladung nicht "entweicht". Folglich müssen alle verwendeten Stecker, Kabel oder Verstärker ebenfalls einen sehr hohen Isolationswiderstand aufweisen, um die Signalintegrität zu gewährleisten. Umgebungsbedingte Verunreinigungen wie Feuchtigkeit, Schmutz, Öl oder Fett können die Isolierung beeinträchtigen, was zu Signalabweichungen und uneinheitlichen Ergebnissen führt.

Für Kraftsensoren im Ladungsmodus muss ein spezielles "rauscharmes" Kabel verwendet werden. Standard-Zweidraht- oder Koaxialkabel erzeugen bei Biegung eine elektrostatische Ladung zwischen den Leitern. Dies wird als "triboelektrisches Rauschen" bezeichnet und kann nicht von der elektrostatischen Kristallausgabe des Sensors unterschieden werden. "Geräuscharme" Kabel haben ein spezielles Graphitschmiermittel zwischen der dielektrischen Abschirmung, das den triboelektrischen Effekt minimiert.

Die Abbildungen 2 und 3 zeigen ein typisches Ladungsverstärker-Systemschema mit Sensor, rauscharmem Kabel und Ladungsverstärker.

Abbildung 2: Schematische Darstellung des Ladungsmodus-Systems



Abbildung 3: Ladungsmodus-System

ICP®-Kraftsensoren verfügen über einen eingebauten mikroelektronischen MOSFET-Verstärker, der den hochohmigen Ladungsausgang in ein niederohmiges Spannungssignal für die Aufzeichnung umwandelt. ICP-Sensoren, die von einer separaten Konstantstromquelle gespeist werden, arbeiten über lange gewöhnliche Koaxial- oder Flachbandkabel ohne Signalverschlechterung. Das niederohmige Spannungssignal wird nicht durch triboelektrische Kabelgeräusche oder Verunreinigungen beeinträchtigt.

Abbildung 4: Schematische Darstellung des ICP-Sensorsystems

Die Stromversorgung für den Betrieb von ICP-Sensoren erfolgt im Allgemeinen über eine kostengünstige Konstantstromversorgung mit 24-27 VDC und 2-20 mA. Abbildung 4 zeigt eine schematische Darstellung eines typischen ICP-Sensorsystems. PCB bietet eine Reihe von AC- oder batteriebetriebenen, ein- oder mehrkanaligen Leistungs-/Signalkonditionierern mit oder ohne Verstärkungsfunktionen für den Einsatz mit Kraftsensoren an. (Verfügbare Modelle finden Sie im Abschnitt "Verwandte Produkte" in diesem Katalog.) Darüber hinaus verfügen viele Datenerfassungssysteme jetzt über eine Konstantstromversorgung für die direkte Versorgung von ICP-Sensoren. Da häufig eine statische Kalibrierung oder eine quasi-statische Kurzzeitreaktion von bis zu einigen Sekunden erforderlich ist, stellt PCB Signalkonditionierer her, die eine Gleichstromkopplung bieten.

Abbildung 5 fasst eine vollständige 2-Draht-ICP-Systemkonfiguration zusammen.

Abbildung 5: Typisches ICP-Sensorsystem

ICP-Kraftsensoren sind nicht nur einfach zu bedienen, sondern bieten auch erhebliche Vorteile gegenüber Ladungsmodustypen. Aufgrund des niederohmigen Ausgangs und der hermetischen Festkörperkonstruktion eignen sich ICP-Kraftsensoren gut für die kontinuierliche, unbeaufsichtigte Kraftüberwachung in rauen Fabrikumgebungen. Außerdem sind die Kosten pro Kanal bei ICP-Sensoren wesentlich niedriger, da sie über ein standardmäßiges, kostengünstiges Koaxialkabel betrieben werden und keine teuren Ladungsverstärker benötigen.

Die Polarität der Ausgangsspannung von lCP-Kraftsensoren ist positiv für Druck- und negativ für Zugkraftmessungen. Die Polarität von PCB-Ladungsmodus-Kraftsensoren ist genau umgekehrt: negativ für Druck und positiv für Spannung. Dies liegt daran, dass Ladungsausgangssensoren normalerweise mit externen Ladungsverstärkern verwendet werden, die eine invertierende Charakteristik aufweisen. Daher ist die resultierende Systemausgangspolarität des Ladungsverstärkersystems positiv für Druck und negativ für Zug, genau wie bei einem ICP-Sensorsystem. (Es sind auch Sensoren mit umgekehrter Polarität erhältlich.)

Die Quarzkristalle eines piezoelektrischen Kraftsensors erzeugen nur dann eine elektrostatische Ladung, wenn eine Kraft auf sie einwirkt oder von ihnen genommen wird. Auch wenn der elektrische Isolationswiderstand recht groß ist, geht die elektrostatische Ladung über den Weg des geringsten Widerstands schließlich gegen Null. Wenn Sie also eine statische Kraft auf einen piezoelektrischen Kraftsensor ausüben, geht die ursprünglich erzeugte elektrostatische Ladung schließlich auf Null zurück.

Die Geschwindigkeit, mit der die Ladung auf Null zurückgeht, hängt vom niedrigsten Isolationswiderstand im Sensor, im Kabel und vom elektrischen Widerstand/Kapazität des verwendeten Verstärkers ab.

Bei einem Kraftsensor im Ladungsmodus ist die Leckrate in der Regel durch die Kapazitäts- und Widerstandswerte des rauscharmen Kabels und des verwendeten externen Ladungs- oder Source-Follower-Verstärkers festgelegt.

Bei einem Kraftsensor mit eingebauter ICP-Elektronik bestimmen normalerweise der Widerstand und die Kapazität der eingebauten ICP-Elektronik die Leckrate.

Wenn eine schnelle dynamische Kraft auf einen piezoelektrischen Kraftsensor einwirkt, wird die elektrostatische Ladung schnell erzeugt und geht bei einer angemessenen Entladungszeitkonstante nicht auf Null zurück. Es gibt jedoch einen Punkt, an dem eine langsame dynamische Kraft quasi-statisch wird und die Leckage schneller ist als die Rate der Kraftänderung. Wo liegt der Punkt, an dem die Kraft zu langsam ist, als dass der piezoelektrische Kraftsensor die Messung durchführen könnte? Die Antwort finden Sie im nächsten Abschnitt über die Entladungszeitkonstante.

Die Entladezeitkonstante ist definiert als die Zeit, die ein Sensor oder ein Messsystem benötigt, um sein Signal bei einer sprunghaften Änderung der Messgröße auf 37 % des ursprünglichen Wertes zu entladen. Dies gilt für jeden piezoelektrischen Sensor, unabhängig davon, ob es sich um Kraft-, Druck- oder Schwingungsüberwachung handelt. Die DTC eines Systems steht in direktem Zusammenhang mit den niederfrequenten Überwachungsfähigkeiten eines Systems und ist im Falle der Kraftüberwachung sehr wichtig, da häufig quasi-statische Messungen durchgeführt werden sollen.

In einem Ladungsmodus-System enthalten die Sensoren keine eingebauten Verstärker, daher wird der DTC normalerweise durch die Einstellungen an einem externen Ladungsverstärker bestimmt. Ein Rückkopplungswiderstand, der mit einem Kondensator am Operationsverstärker zusammenarbeitet, bestimmt die Zeitkonstante. Die PCB-Ladungsverstärker der Serie 460 verfügen über einen Schalter für kurze, mittlere und lange Zeitkonstanten, mit dem der DTC ausgewählt werden kann. Es wird davon ausgegangen, dass der elektrische Isolationswiderstand des Kraftsensors und des Verbindungskabels zum Ladungsverstärker größer ist als der des Rückkopplungswiderstandes im Ladungsverstärker, da es sonst zu einer Drift kommt. Um dies zu gewährleisten, müssen der Anschlusspunkt des Kraftsensors und das Kabel sauber und trocken gehalten werden.

Bei ICP-Sensoren müssen zwei Faktoren berücksichtigt werden, wenn Niederfrequenzmessungen durchgeführt werden. Diese sind:

1.) Die Charakteristik der Entladezeitkonstante des Kraftsensors.
2.) Die Entladungszeitkonstante der Wechselstrom-Kopplungsschaltung, die im Signalaufbereiter verwendet wird. (Wird eine Gleichstromkopplung verwendet, muss nur der obige Punkt (1) berücksichtigt werden).

Es ist wichtig, dass beide Faktoren für den Benutzer leicht verständlich sind, um genaue Niederfrequenzmessungen zu gewährleisten.

Abbildung 6: Standard-DTC-Kurve

Das Produkt aus R und C stellt die DTC (in Sekunden) des Sensors dar. Die Zeitkonstanten der Sensoren variieren von wenigen Sekunden bis zu >2000 Sekunden für Standardsensoren. Spezielle Zeitkonstanten können durch Ändern des Widerstandswerts R im eingebauten mikroelektronischen Verstärker des Sensors bereitgestellt werden.

Die meisten Auslesegeräte haben eine hohe Eingangsimpedanz, >1 Megohm. Bei diesen Systemen wird der Sensor-DTC, wie zuvor beschrieben, zum dominierenden Wert und kann zur Bestimmung der Signalentladungsrate verwendet werden. Bei Signalen, die an Auslesegeräte mit niedriger Impedanz (im Allgemeinen <1 Megohm) gekoppelt sind, muss jedoch die Systemzeitkonstante bestimmt werden. Dies wird im folgenden Abschnitt näher erläutert.

Die externe Stromversorgung, die mit einem ICP-Kraftsensor verwendet wird, kann ebenfalls mit einem DTC verknüpft sein. In einigen ICP-Signalkonditionierern, die über interne Puffer- oder Verstärkungsverstärker verfügen, wird die Zeitkonstante durch verschiedene interne Komponenten festgelegt und kann kürzer oder länger sein als die DTC des Sensors. Bei Signalkonditionierern mit kapazitiv gekoppelten Ausgängen ist die DTC nicht fest vorgegeben. In diesem Fall wirkt ein Kondensator, der zur Entkopplung der Vorspannung eines ICP-Kraftsensors verwendet wird, mit der Eingangsimpedanz des Auslesegeräts zusammen und erzeugt eine andere Zeitkonstante.

Überprüfen Sie die technischen Daten des Signalaufbereiters, um festzustellen, ob er einen festen internen DTC hat, der den Niederfrequenzgang festlegt, oder ob er einen kapazitiv gekoppelten Ausgang hat. Wenn der Ausgang kapazitiv gekoppelt ist, kann die Zeitkonstante, wenn sie in den Eingang der Auslesung eingespeist wird, wie folgt berechnet werden:

DTC = Eingangsimpedanz der Auslesung x Wert des Koppelkondensators der Stromversorgung

Beachten Sie, dass der Ausgang einiger kapazitiv gekoppelter ICP-Leistungsaufbereiter über einen Shunt-Widerstand verfügt, der die Auswirkungen des Eingangswiderstands des Auslesegeräts aufhebt, wenn dieser 1 Megohm oder mehr beträgt.

AC-Kopplung im Auslesegerät ist ebenfalls eine zusätzliche Art von DTC. Prüfen Sie die Spezifikationen der Leistungsregler und des Auslesegeräts, um sicherzustellen, dass sie für Ihre spezielle dynamische Messung geeignet sind. Wenn Sie mehr als einen DTC im System haben, dominiert in der Regel eine Zeitkonstante, die deutlich kürzer als die anderen ist. Die Bestimmung der System-DTC für oszillierende und transiente Eingänge kann anhand dieser Gleichungen berechnet werden:

Die TCr oder Auslese-Entladezeitkonstante wird aus dem Produkt des ICP-Netzteilkoppelkondensators und der Auslese-Eingangsimpedanz in Sekunden berechnet. Um mögliche Probleme zu vermeiden, wird empfohlen, die Kopplungszeitkonstante mindestens 10-mal so lang wie die Sensorzeitkonstante zu halten. Die Entladezeitkonstante des ICP-Sensors bestimmt das Niederfrequenzverhalten des Systems. Sie ist vergleichbar mit einem RC-Hochpassfilter erster Ordnung. Die theoretische untere Eckfrequenz (fc) ist in Abb. 7 unten dargestellt und kann anhand der folgenden Beziehungen berechnet werden:

3 dB Absenkung: fc = 0,16/DTC
10 % Absenkung: fc = 0,34/DTC
5 % Absenkung: fc = 0,5/DTC

Abbildung 7: Übertragungskennlinien eines ICP-Sensors

Oft ist es erwünscht, einen Eingangsimpuls von einigen Sekunden Dauer zu messen. Dies gilt insbesondere für Kraftsensoranwendungen, bei denen eine statische Kalibrierung oder quasistatische Messungen durchgeführt werden. (Vor der Durchführung solcher Tests ist es wichtig, das gesamte Überwachungssystem gleichstromgekoppelt zu betreiben, um einen schnellen Signalverlust zu verhindern. Die Signalkonditionierer der Serie PCB 484 arbeiten im AC/DC-Modus und sind für solche Anwendungen ausgelegt).

Als Faustregel für solche Messungen gilt, dass der Verlust des Ausgangssignals und die Zeit, die während der ersten 10 % eines DTCs vergeht, in einem Verhältnis von 1:1 stehen. Wenn ein Sensor einen DTC von 500 Sekunden hat, werden in den ersten 50 Sekunden 10 % des ursprünglichen Eingangssignals abgeklungen sein. Um eine Genauigkeit von 1 % zu erreichen, sollten die Daten in den ersten 1 % des DTCs erfasst werden. Wenn eine Genauigkeit von 8 % akzeptabel ist, sollte die Messung innerhalb von 8 % des DTCs erfolgen usw. Abbildung 8 veranschaulicht diesen Vorgang grafisch.

Abbildung 8: Reaktion der Sprungfunktion

Bleibt das Signal unverändert, wird es auf natürliche Weise gegen Null abfallen. Dies dauert etwa 5 DTC. Sie werden feststellen, dass das Ausgangssignal nach dem Wegfall des ursprünglichen Schrittimpulssignals unter den Basislinienbezugspunkt (t0+.01 TC) abfällt. Dieser negative Wert ist derselbe Wert, der durch den ursprünglichen Impuls abgeklungen ist. Bei weiterer Beobachtung wird deutlich, dass das Signal, wenn es unberührt bleibt, nach oben gegen Null abfällt, bis ein Gleichgewicht im System erreicht ist.

Im Gegensatz zum niederfrequenten Verhalten des Sensors, das elektrisch durch die Gleichung DTC = RC bestimmt wird, wird das hochfrequente Verhalten mechanisch durch die Sensorkomponenten bestimmt. Jeder Kraftsensor hat eine unbelastete Resonanzfrequenzspezifikation, die bei der Bestimmung der oberen linearen Betriebsgrenzen beachtet werden sollte. Das lineare Ansprechverhalten von Kraftsensoren wird im Allgemeinen mit 20 % dieser Resonanzfrequenz angegeben.

Die korrekte Installation der Sensoren ist für genaue dynamische Messungen unerlässlich. Obwohl robuste PCB-Quarz-Kraftsensoren bis zu einem gewissen Grad verzeihend sind, sollten bestimmte grundlegende Verfahren befolgt werden.

Da die meisten PCB-Kraftsensoren mit Quarz-Kompressionsplatten für die Messung von Kräften in axialer Richtung ausgelegt sind, führt die Ausrichtung des Sensors und der Kontaktflächen zur Vermeidung von Kantenbelastung oder Biegemomenten im Sensor zu besseren dynamischen Messungen.

Eine Parallelität zwischen den Kontaktflächen des Sensors und der Teststruktur minimiert Biegemomente und Kantenbelastungen. Die Ebenheit der Montageflächen hat ebenfalls Einfluss auf die Qualität der Messung. Die Verwendung einer dünnen Schicht eines Schmiermittels auf den Montageflächen während der Installation sorgt für einen besseren Kontakt zwischen Sensor und Montagefläche.

Die Montageflächen von PCB-Kraftsensoren werden bei der Herstellung geläppt, um sicherzustellen, dass sie flach, parallel und glatt sind. Ringförmige Kraftsensoren werden mit Antifriktionsscheiben geliefert, um die Scherbelastung der Sensoroberfläche beim Anziehen zwischen zwei Oberflächen zu minimieren.

Die Belastung der gesamten Messfläche des Kraftsensors ist ebenfalls wichtig für gute Messungen. Dies kann jedoch schwierig sein, wenn die Oberfläche, die mit dem Kraftsensor in Berührung kommt, zwar flach, aber nicht parallel zur Montagefläche des Sensors ist. In diesem Fall kann eine dazwischen liegende gekrümmte Fläche die Auswirkungen der Kantenbelastung verringern. (Siehe Abbildung 9)

Abbildung 9: Kantenbelastung vs. Mittenbelastung

PCB-Kraftsensoren der Serie 208 werden mit einer konvex gebogenen Aufprallkappe geliefert, um die Kräfte über die gesamte Oberfläche des Kraftsensors zu verteilen.

Eine weitere Überlegung bei der Montage von Kraftsensoren ist die Minimierung unnötiger mechanischer Hochfrequenzstoßbelastungen der Sensoren. Der hohe Frequenzgehalt direkter Metall-auf-Metall-Schläge kann oft zu kurzzeitigen, hohen "g"-Überlastungen in Strukturen und Sensoren führen. Dieses Problem kann durch die Verwendung einer dünnen Dämpfungsschicht aus einem weicheren Material auf der Grenzfläche zwischen der Struktur und dem Sensor, auf die der Aufprall erfolgt, minimiert werden. (Es sollte vorher überlegt werden, ob die leichte Dämpfung des hochfrequenten Stoßes für die Anforderungen der Kraftmessung kritisch ist). Die Aufprallfläche der Serie 200 und die Aufprallkappen der Kraftsensoren der Serie 208 sind mit dünnen Schichten aus Dämpfungsmaterial versehen.

PCB-Kraftsensoren in Ringform werden im Allgemeinen mit einem elastischen Bolzen aus Berylliumkupfer zwischen zwei Teilen einer Teststruktur installiert. Dieser Bolzen hält die Struktur zusammen und übt eine Vorspannung auf den Kraftring aus. Bei dieser Art der Installation wird ein Teil der Kraft zwischen den beiden Strukturen über den Befestigungsbolzen abgeleitet. Dies kann bis zu 5 % bei dem mit dem Gerät gelieferten Berylliumkupferbolzen und bis zu 50 % bei Stahlbolzen betragen. Wenn ein anderer Bolzen als Berylliumkupfer verwendet wird, ist es wichtig, dass die Ringsensoren im vorgespannten Zustand kalibriert werden, um genaue Messwerte und Linearität über den gesamten Arbeitsbereich des Sensors zu gewährleisten.

Das PCB-interne Kalibrierungsverfahren erfordert die Installation eines Kraftrings mit BeCu-Bolzen in Reihe mit einem NIST-rückführbaren Prüfring. Vor der Aufzeichnung der Messdaten wird eine Vorspannung von 20 % (voller Betriebsbereich des Kraftrings), jedoch nicht weniger als 10 lbs, aufgebracht. Lassen Sie die statische Komponente des Signals vor der Kalibrierung abklingen.

Die Ausgangscharakteristik piezoelektrischer Sensoren ist die eines wechselstromgekoppelten Systems, bei dem sich wiederholende Signale so lange abklingen, bis ein gleich großer Bereich oberhalb und unterhalb der ursprünglichen Basislinie vorhanden ist. Wenn die Größenordnung des überwachten Ereignisses schwankt, bleibt das Ausgangssignal um die Grundlinie stabil, wobei die positiven und negativen Bereiche der Kurve gleich groß bleiben. Abbildung 10 zeigt ein AC-Signal, das dieser Kurve folgt. (Die Ausgabe von Sensoren, die im Gleichstrommodus arbeiten, folgt demselben Muster, jedoch über einen längeren Zeitraum, der mit den Zeitkonstantenwerten der Sensoren zusammenhängt).

Abbildung 10: AC-Signal

Beispiel: Angenommen, ein Ausgangssignal von 0 bis 4 Volt wird von einer AC-gekoppelten Kraftanwendung mit einer stationären Impulsrate von einer Sekunde und einer Sekunde zwischen den Impulsen erzeugt. Die Frequenz bleibt konstant, aber das Signal fällt schnell negativ ab, bis sich das Signal um die ursprüngliche Basislinie zentriert (wobei Fläche A = Fläche B). Die Leistung von Spitze zu Spitze bleibt gleich.

Bei vielen Kraftüberwachungsanwendungen ist es erwünscht, eine Reihe von sich wiederholenden Null-Spitzen-Impulsen zu überwachen, die innerhalb eines kurzen Zeitintervalls auftreten können. Dieses Ausgangssignal wird oft als "Impulsfolge" bezeichnet. Wie bereits erwähnt, klingt das wechselstromgekoppelte Ausgangssignal piezoelektrischer Sensoren in Richtung eines Gleichgewichtszustands ab, so dass es so aussieht, als würde die positive Kraft abnehmen, und es ist schwierig, ein kontinuierliches Null-Spitzenwert-Ausgangssignal genau zu überwachen, wie es bei Stanz- oder Tablettenpressanwendungen der Fall ist. Durch den Einsatz spezieller ICP-Signalaufbereitungsgeräte ist es möglich, ein positives Ausgangssignal oberhalb eines geerdeten Nullpunkts zu positionieren. Das im driftfreien AC-Modus arbeitende PCB-Modell 484B02 liefert die Konstantstrom-Spannungserregung für ICP-Kraftsensoren und verfügt über eine nullbasierte Klemmschaltung, die jeden Impuls elektronisch auf Null zurücksetzt. Wie in Abbildung 11 dargestellt, verhindert diese spezielle Schaltung, dass der Ausgang negativ driftet und liefert ein kontinuierliches Signal mit positiver Polarität.

Abbildung 11: Positiv gepolter, nullbasierter AC-Ausgang

PCB bietet NIST (National Institute of Standards and Technology) rückführbare Kalibrierungs- und Prüfdienste für alle Kraftsensorprodukte an. Die Kalibrierungsverfahren folgen anerkannten Richtlinien, die von ANSI (American National Standards Institute) und ISA (Instrument Society of America) empfohlen werden. Die Kalibrierung von Kraftsensoren bei PCB erfolgt in Übereinstimmung mit ISA-37-10 und entspricht MIL-STD-45662A. Diese Normen sehen die Einrichtung und Verwaltung vollständiger Kalibrierungssysteme vor, wodurch die Genauigkeit der Spezifikationen eines Sensors durch die Kontrolle der Genauigkeit von Mess- und Prüfgeräten kontrolliert wird.

Jeder individuell kalibrierte Kraftsensor wird mit einem NIST-rückführbaren Zertifikat geliefert, das die kalibrierte Empfindlichkeit angibt. Die Bestimmung der Empfindlichkeit von Sensoren mit einem Arbeitsbereich von 22,24 bis 444,8 kN (5 000 bis 100 000 lbs) erfolgt, indem der Kraftsensor in einen hydraulischen Pressenständer eingesetzt wird. In Reihe mit dem Sensor befindet sich ein Morehouse-Prüfring-Referenzkraftnormal, das für den Betriebsbereich des Sensors ausgewählt wurde. Die Referenz-Prüfringe werden alle sechs Monate kalibriert und zertifiziert, um den kalibrierten Wert zu überprüfen. Ein verkleinerter Prüfstand wird für Sensoren mit geringerem Messbereich verwendet. Miniaturmodelle mit hoher Empfindlichkeit werden kalibriert, indem man eine bekannte leichte Masse anbringt, das Signal auf Null stellt und dann die Masse schnell entfernt. Das aufgezeichnete Ausgangssignal entspricht der Empfindlichkeit des Sensors. Sensoren mit Ladungsmodus und längerer Zeitkonstante werden kalibriert, indem statisch eine bekannte Kraft aufgebracht und die Ausgangsdaten aufgezeichnet werden.

Bei jedem Kalibrierungsverfahren werden Datenpunkte in Abständen von 20 % des Betriebsbereichs des Sensors aufgezeichnet. Jeder Punkt stellt den Durchschnitt von drei separaten Messungen in diesem Bereich dar. Diese gemittelten Punkte werden grafisch aufgezeichnet und die beste Gerade durch den Nullpunkt wird gezeichnet. Sollten die kalibrierten Punkte außerhalb der spezifizierten Linearität liegen, wie sie in den veröffentlichten Spezifikationen angegeben ist, ist das Gerät nicht kalibriert und wird zurückgewiesen.