Kraftaufnehmer mit Dehnungsmessstreifen-Technologie (Zug-Druck-Kraftsensoren, Druck-Kraftsensoren, Zug-Kraftsensoren)

Mit einem Kraftaufnehmer (auch Kraftsensor genannt) wird eine Kraft gemessen, die auf den Sensor wirkt. Meist können durch elastische Verformung sowohl Zug- als auch Druckkräfte gemessen werden. Anwendungen sind neben der Kraftmessung auch Wiegen (Wägezelle) und Bestimmung von Drehmomenten (Reaktionsmomentaufnehmer). Die auf Dehnungsmessstreifen-Technologie basierenden Kraftaufnehmer von burster messen statische und dynamische Zug- und Druckbelastungen - und das nahezu weglos. Typische Anwendungsgebiete sind die Prüfstandstechnik, z. B. Kraftmessung zur Überprüfung der Materialqualität und die Automatisierungstechnik, z. B. zur Überwachung der Qualitätsmerkmale beim Umformen oder Verbinden. 

Kraftaufnehmer auf Basis von Dehnungsmessstreifen (DMS)

Kraftaufnehmer auf Basis von Dehnungsmessstreifen verfügen über einen so genannten Federkörper oder Verformungskörper, in dem die zu messenden Kräfte eingeleitet werden. Dabei verformt sich der Federkörper und an der Oberfläche entstehen Dehnungen. Die Aufgabe des Federkörpers ist es also, die zu messenden Kräfte möglichst wiederholbar und linear in Dehnungen umzuwandeln. Mit Auswahl von Material und Design eines Federkörpers legt man viele Eigenschaften eines Kraftaufnehmers fest.

Das eigentliche Sensorelement ist der Dehnungsmessstreifen (DMS), DMS bestehen aus einer Isolierschicht, dem so genannten Träger, auf dem ein Messgitter aufgebracht ist. Solche Dehnungsmessstreifen werden an geeigneter Stelle auf den Federkörper geklebt. Dabei werden in der Regel vier Dehnungsmessstreifen verwendet, von denen zwei so installiert werden, dass sie unter Einwirkung einer Kraft gedehnt werden, zwei werden gestaucht.

Diese vier DMS werden in der Wheatstoneschen Brückenschaltung verschaltet. Wie in der Zeichnung unten gezeigt, wird die Wheatstonebrücke mit einer Speisespannung versorgt. Eine Ausgangsspannung entsteht immer dann, wenn die vier Widerstände unterschiedlich sind: z.B. wenn sich der Widerstand der DMS durch Dehnung ändert. Das Ausgangssignal hängt von der Widerstandsänderung der DMS und damit direkt von der eingeleiteten Kraft ab.

Vorteile des DMS-Messprinzips

Dieses Prinzip ist millionenfach bewährt und bietet zahlreiche Vorzüge. Die Wichtigsten:

• Ändern sich die elektrischen Widerstände der DMS in gleicher Richtung mit gleichem Betrag, so wird keine Ausgangsspannung erzeugt. Somit können viele parasitäre Einflüsse, wie z. B. Temperaturabhängigkeit des Nullpunktes, Biegemomenteinflüsse, Querkrafteinflüsse kompensiert werden (siehe unten)
• Das Messprinzip erlaubt die Herstellung von Kraftaufnehmern mit sehr hohen Genauigkeiten bei vergleichsweise geringen Kosten
• Die Nennkraft des Aufnehmers wird nur durch die Steifigkeit des Federköpers bestimmt. Bei burster stehen Aufnehmer mit Nennkräften zwischen 1 N und 2 MN zur Verfügung.
• Die DMS-Technologie bietet eine grosse geometrische Variabilität, hohe Genauigkeit und eignet sich gut zum Erfassen kleinster Kräfte.

Insbesondere der erste Punkt ist von Bedeutung. Es zeigt sich, dass durch Einsatz der Wheatstoneschen Brückenschaltung viele ungewollte Einflüsse kompensiert werden. Vor allem der Einfluss der Temperatur auf den Nullpunkt (TK_Null) kompensieren sich zu einem sehr guten Grad aus. Jeder Dehnungsmessstreifen zeigt bei Temperaturänderung ein Ausgangssignal, die so genannte scheinbare Dehnung.

Auf Dehnungsmessstreifen basierende Sensoren arbeiten weitestgehend driftfrei und sind deshalb für langfristige Monitoringaufgaben besonders gut geeignet. Das sogenannte Kriechen - die zeitabhängige, aber reversible Änderung des Ausgangssignals bei konstant einwirkender Kraft - ist ausserordentlich gering, da es sich über geschickte Wahl des Layouts der Dehnungmessstreifen minimieren lässt.
 
Piezoelektrische Kraftsensoren weisen prinzipbedingt eine Drift auf, überschlägig kann man von 1 N/min ausgehen, wenn die Messkette eingelaufen ist. Da dieser Wert unabhängig von der gemessenen Kraft gleich bleibt, ist der relative Messfehler, der durch die Drift verursacht wird, immer dann besonders ungünstig, wenn kleine Kräfte über einen langen Zeitraum gemessen werden sollen.

Die Schaltung, die zur Verbindung der DMS verwendet wird, erlaubt es, zahlreiche Fehlerleinflüsse zu kompensieren. Neben den Temperatureffekten auf Nullpunkt und Empfindlichkeit gehören auch die Linearität von Aufnehmern oder der Biegemomenteinfluss dazu. Darüber hinaus erlauben es DMS-Sensoren, statisch sehr präzise kalibriert zu werden. Federkörper lassen sich zudem auf optimale Reproduzierbarkeit auslegen. Das alles führt dazu, dass im Bereich der Referenzkraftmessung ausschliesslich DMS-basierte Kraftaufnehmer eingesetzt werden.

Einige DMS-basierte Aufnehmer erreichen die Schutzart IP68. Durch hermetisch verschweisste Gehäuse sind die empfindlichen Dehnungmessstreifen geschützt. Dadurch lassen sind solche Aufnehmer auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen einsetzen.

Federkörper-Kraftaufnehmer

Aufgrund der Krafteinwirkung wird der Federkörper des Aufnehmers elastisch verformt. Die Kraftaufnahme muss in der vorgeschriebenen Richtung erfolgen. Die Verformung des Federkörpers Metall wird über Dehnungsmessstreifen, deren elektrischer Widerstand sich mit der Dehnung ändert, in die Änderung einer elektrischen Spannung umgewandelt. Über einen Messverstärker wird die elektrische Spannung und damit die Dehnungsänderung registriert. Diese kann aufgrund der elastischen Eigenschaften des Metalls in einen Kraftmesswert umgerechnet werden, in dem der Aufnehmer kalibriert wird.

Messbereiche

Federkörper-Kraftaufnehmer gibt es in Messbereichen von 0,5 N bis zu mehreren tausend kN. Je kleiner die Nennlast, desto empfindlicher und genauer ist die Messung. So können Aufnehmer mit einer Nennlast von kleiner 1 N mit der Hand dekalibriert bzw. zerstört werden. Die Dehnungsmessstreifen lösen sich dabei vom Metall oder das Metall wird über den elastischen Bereich belastet. Eine Proportionalität zwischen Kraft und Dehnung existiert dann nicht mehr.

Kraftaufnehmer werden u. a. in Waagen, Einpressvorrichtungen, in Kranen und Baggern zur Überwachung der Traglast, aber auch in der Prüftechnik z. B. in Universalprüfmaschinen zur Messung der Zugkraft oder Druckkraft verwendet. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Messung des Reaktionsmomentes von Wasserwirbelbremsen, Wirbelstrombremsen und Pendelmaschinen über einen Hebelarm. Die Produkte beweisen ihre Vielseitigkeit in verschiedensten Anwendungen – in Forschung und Entwicklung, in der Prüfstands-, Antriebs- und Fördertechnik, in der Betriebs- und Prozessüberwachung, sowie in der Produktionsmesstechnik und Qualitätssicherung. Nicht zuletzt ermöglichen sie die Dokumentation von Prozess- und Qualitätsdaten.

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