Kraftsensor

Mit einem Kraftaufnehmer (auch Kraftsensor genannt) wird eine Kraft gemessen, die auf den Sensor wirkt. Es können meist sowohl Druck- als auch Zugkräfte durch elastische Verformung gemessen werden.

Zug-/Druckstab-Federkörper

Membran-Federkörper

Federkörper mit Dehnmessstreifen aus einer Personenwaage

Anwendungen sind neben der Kraftmessung auch Wiegen (siehe auch Wägezelle) und Bestimmung von Drehmomenten.

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 el. 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.

In sicherheitsrelevanten Bereichen wird die Kalibrierung durch die MPA, den TÜV, andere zertifizierte Institute oder durch zertifizierte Kalibrierdienste überwacht und durchgeführt.

Messbereich

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.

Bauarten

Federkörper-Kraftaufnehmer gibt es in folgenden Bauarten:

• Biegebalken

Biegebalken zur Messung des Reaktionsmomentes an einer Wasserwirbelbremse WX-40 VEB Spezialfahrzeugwerk Berlin

Beim Balken sind die Dehnungsmessstreifen an einem Balken (Hebel) befestigt. Der Hebel ist auf einer Seite befestigt und auf der entgegengesetzten Seite erfolgt die Krafteinleitung. Der Hebel wird elastisch verbogen und dadurch ändert sich auch die Dehnung der längs auf Ober- und Unterseite angebrachten Dehnungsmessstreifen. Diese Bauart wird meist für hochgenaue Messungen verwendet. Sie kann sowohl auf Druck als auch auf Zug beansprucht werden.

Zusätzlich oder ausschließlich kann auch die Scherung gemessen werden (Scherbalken).

• S-förmige Federkörper

Der Federkörper ist wie ein S geformt. Die Kraft wird vertikal eingeleitet. Die Biegemessung befindet sich am Mittelsteg. Messdosen dieser Art zeichnen sich durch ihre kompakte Bauweise, hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit aus, sie sind gegenüber Biegebalken unempfindlicher gegenüber Seitenkräften.

• Membran-Kraftaufnehmer

Ein dosenförmiger Metallkörper wird gestaucht und somit auch die auf dessen Wandung verteilt angebrachten Dehnungsmessstreifen. Solche Sensoren eignen sich vor allem für hohe Kräfte. Sie sind unempfindlicher gegenüber äußeren Einwirkungen als Biegebalken.

Nach diesem Prinzip werden auch Druckmessdosen gefertigt.

Piezo-Kraftaufnehmer

In einem Piezokeramik-Element entsteht durch Krafteinwirkung eine Ladungsverteilung, die proportional zur Kraft ist. Diese Ladung kann mit Ladungsverstärkern gemessen werden. Je nach Art des kristallinen Aufbaus des Piezoelements können Druck- oder Scherkräfte gemessen werden. Zugkräfte können nur mit Vorspannung gemessen werden. Piezoelektrische Kraftaufnehmer können sehr steif ausgelegt werden und können auch hochdynamische (je nach Ausführung bis zu 60 kHz) Kräfte messen. Durch das schnelle Abfließen der Ladung werden bei statischer und quasistatischer Last keine guten Ergebnisse erzielt.

Kraftaufnehmer mit schwingenden Elementen

Diese Kraftaufnehhmer werden nur in Sonderfällen eingesetzt.

Z.B. kann die Resonanzfrequenz einer durch die Kraft gespannten Saite gemessen werden.

Im Rasterkraftmikroskop wird zur Kraftmessung die Schwingfrequenz des Trägers der Abtastnadel gemessen, nähert sich diese der Probe, ändert sich die Dämpfung und Resonanzfrequenz aufgrund der Van-der-Waals-Kräfte.

Kraftaufnehmer mit elektromagnetischer Kompensation

Sie arbeiten wie ein elektrodynamischer Lautsprecher; der Strom durch eine sich in einem Magnetfeld befindende Spule ist proportional zur Kraft, wenn er die Auslenkung kompensiert, d.h. die Spule an einer festen Position hält. Hierfür sind ein Abstandssensor und eine Stromregelung erforderlich.

Solche Kraftsensoren können sehr kleine Kräfte messen und werden daher u.a. in Präzisionswaagen eingesetzt.

Einsatzgebiete

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.