Enhanced stiffness characterization of load cells by relative change of the natural frequency forced by a defined mass shift

Abstract: High-precision force measurement systems such as mass comparators, balances, or tactile force sensors usually feature kinematic structures designed as compliant mechanisms. The applications require precise knowledge of the properties of the mechanism. Stiffness is critical here, as it has a major influence on measurement resolution and uncertainty. When implementing the manufactured mechanisms, it is necessary to consider that even small variations in the geometric and material properties result in significant deviations from the pre-calculated properties. An experimental characterization is therefore essential. However, the stiffness determination methods described by the state-of-the-art are either time-consuming or have a high uncertainty. For this reason, a time-saving, low-uncertainty method was developed. The approach is based on the determination of the natural frequency. To significantly reduce the measurement uncertainty compared to the existing natural frequency method, the absolute elastic stiffness value is characterized by the relative change in natural frequency when attaching a well-known mass. This reduces the uncertainty of the stiffness value by at least 75 %. This work includes the derivation of the method, the consideration of analytical and numerical models, and the experimental verification using two applications.
Hochpräzise Kraftmesssysteme wie Massekomparatoren, Waagen oder taktile Kraftsensoren verfügen in der Regel über kinematische Strukturen, die als nachgiebige Mechanismen ausgeführt sind. Die Anwendungen erfordern dabei eine genaue Kenntnis der Eigenschaften des Mechanismus. Die Steifigkeit ist hier essentiell, da sie einen großen Einfluss auf die Messauflösung und Messunsicherheit hat. Bei der fertigungstechnischen Umsetzung der Mechanismen ist zu berücksichtigen, dass bereits kleine Variationen der geometrischen und materiellen Eigenschaften zu erheblichen Abweichungen von den berechneten mechanischen Eigenschaften führen. Eine experimentelle Charakterisierung der Systeme ist daher unerlässlich. Die im Stand der Technik beschriebenen Methoden zur Steifigkeitsbestimmung sind jedoch entweder zeitaufwändig oder mit einer hohen Unsicherheit behaftet. Aus diesem Grund wurde eine zeitsparende Methode mit geringer Messunsicherheit entwickelt. Der Ansatz basiert auf der Bestimmung der ersten Eigenfrequenz. Um die Messunsicherheit im Vergleich zur bestehenden Eigenfrequenzmethode deutlich zu reduzieren, wird der absolute Wert der elastischen Steifigkeit durch die relative Änderung der Eigenfrequenz nach dem Anbringen einer sehr gut bekannten Masse charakterisiert. Dies ermöglicht eine Reduzierung der Unsicherheit des Steifigkeitswerts um mindestens 75 %. Diese Arbeit umfasst die Herleitung der Methode, die Betrachtung analytischer und numerischer Modelle sowie die experimentelle Verifizierung anhand zweier Zielanwendungen.

Object Details

• Alternative title: Verbesserte Steifigkeitsbestimmung von Kraftmesszellen über die relative Änderung der ersten Eigenfrequenz durch definierte Massemanipulation
• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch

References and Relationships

• Bibliographic citation: Enhanced stiffness characterization of load cells by relative change of the natural frequency forced by a defined mass shift ; volume:91 ; number:10 ; year:2024 ; pages:524-532 ; extent:9 ; Technisches Messen ; 91, Heft 10 (2024), 524-532 (gesamt 9)

Contributors, Places and Time

• Creator: Wittke, Martin ; Darnieder, Maximilian ; Fröhlich, Thomas ; Theska, René

Further information

• DOI: 10.1515/teme-2024-0087
• URN: urn:nbn:de:101:1-2409281618476.026653005286
• Rights: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 15.08.2025, 7:36 AM CEST