Universität Bielefeld - Technische Fakultät - Neuroinformatik



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Zeitverhalten eines FPSR-Sensors

Die FPSR-Sensoren sollen für Kraftregelungsaufgaben eingesetzt werden. Um die Eignung der Sensoren zu analysieren, ist neben der Reproduzierbarkeit von Meßwerten auch die Hysterese der Sensoren bei kleinen Andruckschwankungen wichtig, sowie ihr Frequenzverhalten.

Abb. 2.9 zeigt eine Zeitreihe, die aufgenommen wurde, während die konstante Auflagekraft (ein 47g schweres Gewicht) auf dem fest montierten Sensor durch leichtes Andrücken und Anheben von Hand kurz erhöht und erniedrigt wurde. Die Hysterese ist im Bereich dieser kleinen Veränderungen kaum registrierbar. Die waagerechte Linie zeigt den Meßwert, dem sich der Sensor von größeren Kraftwerten her annähert. Er stimmt gut mit demjenigen überein, der sich von kleineren Kraftwerten her ergibt.

Das gute Hystereseverhalten im Vergleich zur schlechten Wiederholgenauigkeit der Sensoren ist möglicherweise darauf zurückzuführen, daß das Problem der unterschiedlichen Verzahnung der Polymeroberfläche mit den Elektroden im Hystereseversuch nicht auftritt, da die beiden Flächen immer in Kontakt bleiben.

  
Figure 2.9: Hysterese eines Kraftsensors: Die Zeitreihe wurde mit einer festen Auflagekraft aufgenommen, die leicht variiert wurde.

  
Figure: Antwort auf eine plötzliche Mehrbelastung: Die Auflagekraft wurde während der Aufnahme dieser Zeitreihe plötzlich erhöht. Die Tiefpaßwirkung des Sensors ist zu sehen.

Die Messung wurde mit einer Abtastrate von etwa 2.4kHz mit MASS und BRAD aufgenommen (siehe Teil II) und anschließend um einen Faktor 10 herunterskaliert, um die Zahl der Datenpunkte auf 1000 zu reduzieren. Dabei verhindert ein rolling-average-Tiefpaßfilter das Auftreten von Aliasing-Artefakten. Zur Aufnahme diente sense, zur Reduktion downsample. Beide Programme werden in Anhang C kurz beschrieben. Auf ähnliche Weise wurden alle folgenden Messungen bearbeitet.

Das Frequenzverhalten läßt sich mit einer Messung erkennen, die in Abb. 2.10 dargestellt ist. Während der Aufnahme der Zeitreihe wurde der fest montierte und mit einer geringen Masse vorbelastete Sensor plötzlich mit einer weiteren Gewichtsscheibe belastet. Der Verlauf der Kraftbelastung ist idealerweise stufenförmig. Der Sensor reagiert auf diese Belastung mit einer typischen Tiefpaßcharakteristik, die sich mit einem Term beschreiben läßt.

In der Abbildung sind Hilfslinien zum Ablesen von eingezeichnet. Zwei waagerechte Hilfslinien markieren die Sensorwerte bei Belastung mit einem Gewicht () und mit beiden (). Eine weitere waagerechte Hilfslinie wird bei eingezeichnet. Die senkrechten Linien zeigen, daß vom Beginn des exponentiellen Verlaufs bis zu dem Schnittpunkt mit der dritten waagerechten Linie etwa vergangen sind, also . Daraus ergibt sich eine grobe Abschätzung für die Grenzfrequenz

Ein Vergleich mit Abb. 2.9 läßt diesen Wert plausibel erscheinen. Diese Messung zeigt jedoch nur, wie schnell sich das Sensormaterial auf eine veränderte Andruckkraft einstellt. Der Leitwert der Folie kann sich durch andere Einflüsse deutlich schneller ändern. Das zeigt sich etwa in den heftigen Überschwingern in Abb. 2.10. Das Verhalten des Sensors ist also mit dem Tiefpaß-Verhalten keinesfalls vollständig modelliert.

Der Sensor erscheint wegen der geringen Hysterese bei kleinen Schwankungen der Andruckkraft für Echtzeit-Regelungsaufgaben geeignet. Die vom Frequenzverhalten vorgegebene Reaktionszeit des Sensors ist jedoch mit möglicherweise nicht ausreichend. Für die Detektion von einsetzendem Gleiten, die zur Simulation von Reflexverhalten notwendig ist, ist der Sensor definitiv ungeeignet. Der im nächsten Kapitel vorgestellte Gleitdetektor kann dieses Problem lösen.



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Markus Jankowski Jan Jockusch Lars Jansen Michael Jandrey Marjan Tomas , 1996-Dec-06