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burster präzisionsmesstechnik gmbh & co kg | Kraftmesstechnik | Kraftsensoren | Kraftaufnehmer | Kraftmessdosen | Lastmessdosen | Load Cells | DMS-Technologie

Kraftsensoren, auch Kraftaufnehmer, Kraftmessdosen, Lastmessdosen bzw. Load Cells genannt — MTS Messtechnik Schaffhausen GmbH bietet Antworten auf Ihre Fragen zur Kraftmesstechnik

Mit einem Kraftaufnehmer (auch Kraftsensor, Kraftmessdose, Messdose oder Load Cell 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 (TKNull) 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.

Alle Anwendungsspektren sind in sieben Haupt-Produktlinien unterteilt

burster | Zug- und Druckkraftsensoren | Kraftaufnehmer | Kraftmessdosen | Lastmessdosen | Load Cells 

Abbildung Typ Beschreibung Messbereiche Genauigkeit
Präzisions-Zug-Druck-Kraftsensoren Typ 8524 burster

8524

Präzisions-Zug-Druck-Kraftsensoren
Kompakt, unkompliziert, universell einsetzbar, einfache Montage in vorhandene Strukturen, für statische, quasistatische und dynamische Zug- und Druckkräfte, Edelstahl, optionalmit Überlastschutz erhältlich
Standardisierung: Standardisiert
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Messbereiche von
0 ... 500 N bis 0 ... 200 kN

Messgenauigkeit ≤ 0,25 % v.E.
Messgenauigkeit bis Messbereich
5 kN 0,1 % v.E. (Option)

Druckkraftsensoren Typ 8526 burster

8526

Druckkraftsensoren
Kompakt, robust, leistungsstark, für räumlich begrenzte Strukturen, für statische und dynamische Messungen, geschweisste Konstruktion, Schutzart IP 64, nichtrostender Stahl
Standardisierung: Standardisiert
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Messbereiche von
0 ... 100 N bis 0 ...200 kN

Messgenauigkeit
Messbereiche bis 0 ... 1 kN ≤ 0,25 % v.E.
Messbereiche ab 0 ... 2 kN ≤ 0,5 % v.E.

Zug-Druck-Kraftsensoren Typ 8523, Typ 8531 burster

8523

Zug-Druck-Kraftsensoren
Kompakt, robust, einfache Handhabung, für statische und dynamische Messungen, hochfestes Aluminium, sehr preiswert
Standardisierung: Standardisiert ab Messbereich 0 ... 100 N
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Messbereiche von
0 ... 20 N bis 0 ...5 kN

Messgenauigkeit bis ≤ 0,15 % v.E.
Low-Cost Druckkraft-Sensoren mit IN-LINE Verstärker Typ 8532 burster

8532

Low-Cost Druckkraft-Sensoren mit IN-LINE Verstärker
Linearität < 1 % v.E., normiertes Ausgangssignal 0 ... 10 V, Sensor aus Edelstahl, kompakte Bauform
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Messbereiche von
0 ... 500 N bis 0 ... 20 kN

Linearität ≤ 1.0 % v.E.
Pressen-Kraftsensoren für handbetriebene und automatische Pressen Typ 8552, Typ 8451 burster

8552
8451

Pressen-Kraftsensoren für handbetriebene und automatische Pressen
einfachste Montage an Pressenstössel, kompakte und sehr robuste Ausführung, hermetisch dichte Ausführung, geeignet für alle marktgängigen Handhebelpressen mit einer Stösselbohrung von 8 H7 bzw. 20H7, Adaption für Rechts- oder Linkshänder möglich
Standardisierung: Optional
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Messbereiche von
0 ... 100 N bis 0 ... 100 kN

Messgenauigkeit ab ≤ 0,5 % v.E.

85081
85082

Zug-Kraftsensoren
Robust, genau, für statische und dynamische Messungen, geschweisste Konstruktion, nichtrostender Stahl, hohe Schutzart
Standardisierung: Optional
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Messbereiche von
10 kN bis 0 ... 1000 kN

Linearität ≤ 0,2 % v.E.
Low-Cost-Messkette für einfache Kraftmessanwendungen mit Kraftsensor und Digitalanzeiger Typ 8532, Typ 9186 burster 8532

9186

Low-Cost-Messkette für einfache Kraftmessanwendungen mit Kraftsensor und Digitalanzeiger
Äusserst preiswerte, sofort betriebsbereite und abgeglichene Kraftanzeige, kompakte Sensorbauform, Gewindebohrungen für einfache Montage, sehr gute Displayvisualisierung durch 20 mm Anzeige, optional bis zu 2 Grenzwerte möglich, wahlweise Einbau- oder Tischgehäuse
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Messbereiche von
0 ... 500 N bis 0 ... 20 kN
Messgenauigkeit ≤ 1.0 % v.E.

burster | Miniatur-Druckkraftsensoren | Kraftaufnehmer | Kraftmessdosen | Lastmessdosen | Load Cells 

Abbildung Typ Beschreibung Messbereiche Genauigkeit

 Miniatur-Druckkraftsensoren Typ 8402 burster

8402

Miniatur-Druckkraftsensoren
Sehr kompakt, minimale Abmessungen, robust, unempfindlich, zuverlässig, universell, Edelstahl
Standardisierung: Standardisiert
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Messbereiche von
0 ... 1 kN bis 0 ... 100 kN

Messgenauigkeit ab ≤ 0,5 % v.E.

Miniatur-Druckkraftsensoren Typ 8415 burster 8415

Miniatur-Druckkraftsensoren
Sehr kompakt, minimale Abmessungen, robust, für statische und dynamische Messungen in sehr eng begrenzten Strukturen, nichtrostender Stahl, preiswert
Standardisierung: Optional
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Messbereiche von
0 ... 200 N bis 0 ... 5000 N

Messgenauigkeit ab ≤ 0,5 % v.E..

Ultra-Miniaturkraftsensoren Typ 8416 burster 8416

Ultra-Miniaturkraftsensoren
Sehr kompakt, minimale Abmessungen, robust, für statische und dynamische Messungen in sehr eng begrenzten Strukturen, Edelstahl
Standardisierung: Optional
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Messbereiche von
0 ... 20 N bis 0 ... 5000 N

Messgenauigkeit ab ≤ 0,5 % v.E.

Miniaturring-Kraftsensoren Typ 8438 burster 8438

Miniaturring-Kraftsensoren
Kompakt, flach, scheibenförmig, geringer Durchmesser, niedrige Bauhöhe, komplett verschweisster Sensorkörper, durchgehend zentrische Bohrung, nichtrostender Stahl
Standardisierung: Optional
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Messbereiche von
0 ... 5 N bis 0 ... 200 kN
Messgenauigkeit ab ≤ 1,0 % v.E.
Zug-Druck-Kraftsensoren Typ 8435 burster 8435

Zug-Druck-Kraftsensoren
Kompakt, geringe Abmessungen, genau, preiswert, einfache Montage in vorhandene Strukturen, für statische und dynamische Messungen, Edelstahl
Standardisierung: Optional
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Messbereiche von
0 ... 200 N bis 0 ... 5000 N

Messgenauigkeit ≤ 0,25 % v.E.

Miniatur-Druckkraftsensoren Typ 8413, 8414 burster 8413
8414

Miniatur-Druckkraftsensoren
Sehr kompakt, minimale Abmessungen, kleine Messbereiche, hohe Resonanzfrequenz, nichtrostender Stahl, Typ 8414 mit mechanischem Überlastschutz
Standardisierung: Optional
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Messbereiche von
0 ... 2.5 N bis 0 ... 5000 N

Messgenauigkeit ≤ 0,25 % v.E.

burster | Miniatur-Zug- und Druckkraftsensoren | Kraftaufnehmer | Kraftmessdosen | Lastmessdosen | Load Cells 

Abbildung Typ Beschreibung Messbereiche Genauigkeit
Präzisions-Miniatur- Kraftsensoren 8431, 8432 burster

8431
8432

 

Präzisions-Miniatur-Kraftsensoren
Geringe Abmessungen, hochgenau, störunempfindlich, bequeme Lasteinleitung, minimale Querempfindlichkeit, für Zug- und Druckkräfte, Überlastschutz
Standardisierung: Optional
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Messbereiche von
0 ... 2,5 N bis 0 ... 100 kN

Messgenauigkeit ab ≤ 0,2 % v. E.
Subminiatur-Kraftsensoren 8411burster 8411

Subminiatur-Kraftsensoren
Sehr kompakt, minimale Abmessungen, robust, unempfindlich, einfache Montage an schwer zugänglichen Stellen, für Zug- und Druckkräfte, nichtrostender Stahl
Standardisierung: Optional
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Messbereiche von
0 ... 2.5 N bis 0 ... 5000 N

Kennlinienabweichung ≤ 0,5 % v.E.
Miniatur-Zug-Druckkraftsensoren Typ 8417 burster 8417

Miniatur-Zug-Druckkraftsensoren
Minimale Abmessungen, robust, schnelle und einfache Montage, nichtrostender Stahl
Standardisierung: Optional
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Messbereiche von
0 ... 10 N bis 0 ... 5 kN

Messgenauigkeit
Messbereich ≤ 0 ...50 N ≤ 0,9 % v. E.
Messbereich ≥ 0 ...1000 N ≤ 0,5 % v. E.

Zug-Druck-Kraftsensoren Typ 8435 burster 8435

Zug-Druck-Kraftsensoren
Kompakt, geringe Abmessungen, genau, preiswert, einfache Montage in vorhandene Strukturen, für statische und dynamische Messungen, Edelstahl
Standardisierung: Optional
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Messbereiche von
0 ... 200 N bis 0 ... 5000 N

Messgenauigkeit ≤ 0,25 %

burster | Hochpräzisions-Kraftsensoren | Kraftaufnehmer | Kraftmessdosen | Lastmessdosen | Load Cells 

Abbildung Typ Beschreibung Messbereiche Genauigkeit

Hochpräzisions-Druckkraftsensoren Typ 8527 burster

8527

Hochpräzisions-Druckkraftsensoren
Sehr hohe Linearität < 0,05 % v.E., standardisierter Nennkennwert 1,5 mV/V, Schutzgrad IP 65, hochwertiger Edelstahl
Standardisierung: Standardisiert
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Messbereiche von
0 ... 500 N bis 0 ... 100 kN

sehr hohe Linearität < 0,05 % v.E.

Präzisions-Kraftsensoren Typ 85041, 85043, 85073, 85075 burster

85041

85043
85073
85075

Präzisions-Kraftsensoren
Belastbar, hochgenau, lange Lebensdauer, für statische und dynamische Messungen, geringe
Seitenkraftempfindlichkeit, hohe Schutzart, Überlastschutz, nichtrostender Stahl
Standardisierung: Nein
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Messbereiche von
0 ... 20 N bis 0 ... 2 MN

hohe Linearität 0,1 % v.E.

burster | Biegebalken-Kraftsensoren | Kraftaufnehmer | Kraftmessdosen | Lastmessdosen | Load Cells 

Abbildung Typ Beschreibung Messbereiche Genauigkeit
 Miniatur-Biegebalken-Kraftsensoren Typ 8510 burster 8510

Miniatur-Biegebalken-Kraftsensoren
Kompakt, geringe Abmessungen, einfache Montage, für kleine und kleinste Kraftmessungen, mechanischer Überlastschutz
Standardisierung: Optional
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 Messbereich von
 0 ... 1 N bis 0 ... 20 N

Messgenauigkeit ≤ 0,25 %

Biegebalken-Kraftsensoren Typ 8511 burster

8511

Biegebalken-Kraftsensoren
Hochgenau, sehr niedrige Einbauhöhe, einfache Krafteinleitung, für Zug- und Druckkraft, für statische und dynamische Messungen, Aluminium bzw. Edelstahl, Schutzart IP 64
Standardisierung: Optional
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Messbereiche von
0 ... 5 N bis 0 ... 2000 N

hohe Linearität bis 0,1 %

burster | Pressen-Kraftsensoren | Kraftaufnehmer | Kraftmessdosen | Lastmessdosen | Load Cells 

Abbildung Typ Beschreibung Messbereiche Genauigkeit
 Pressen-Kraftsensoren für handbetriebene und automatische Pressen Typ 8552 8451 burster

8552
8451

Pressen-Kraftsensoren für handbetriebene und automatische Pressen
einfachste Montage an Pressenstössel, kompakte und sehr robuste Ausführung, hermetisch dichte Ausführung, geeignet für alle marktgängigen Handhebelpressen mit einer Stösselbohrung von 8 H7 bzw. 20H7, Adaption für Rechts- oder Linkshänder möglich
Standardisierung: Optional
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Messbereiche von
0 ... 100 N bis 0 ... 100 kN

Messgenauigkeit ab ≤ 0,5 % v.E.

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