In diesem Beitrag stellen wir vor, wie Kraftaufnehmer funktionieren, welche Arten es gibt und wo sie zum Einsatz kommen.
Was ist ein Kraftaufnehmer?
Bei einem Kraftaufnehmer handelt es sich um ein Gerät, mit dem die Kraft gemessen werden kann, welche auf ein Objekt ausgeübt wird.
Alternativ werden Kraftaufnehmer auch als Kraftsensor oder Kraftmessdose bezeichnet.
Da die genaue Messung von Zug- und Druckkräften in vielen Anwendungen von höchster Relevanz ist, kommen Kraftaufnehmer in den unterschiedlichsten Arbeitsbereichen zum Einsatz.
Dazu zählen:
- Fertigung
- Qualitätskontrolle
- Forschung und Entwicklung
- Sicherheitsüberwachung
- Optimierung von Geräten und Maschinen
Englische Bezeichnung:
Auf Englisch hat der Kraftaufnehmer ebenfalls mehrere Namen, wie z.B. „Force Sensor“, „Force Transducer“ und „Load Sensor“.
Die Funktionsweise von Kraftaufnehmern
Die Funktionsweise von Kraftaufnehmern kann sich je nach Messprinzip unterscheiden, jedoch ist die Intention immer die Gleiche.
Um herauszufinden welche Kraft in verschiedene Richtungen auf ein Objekt wirkt, wird eine Kraftmessdose daran befestigt oder eingebaut.
In der Kraftmessdose befindet sich ein Dehnungsmessstreifen mit einer Anordnung von Sensoren auf einer Metallstruktur.
Funktionsweise:
Sobald eine Kraft auf die Struktur ausgeübt wird, messen die Sensoren die Dehnung und produzieren ein elektrisches Signal, welches der angewendeten Kraft entspricht.
Erfassung und Verarbeitung des elektrischen Signals erfolgen anschließend durch spezielle Geräte oder Computer.
Grundsätzlich sind Kraftaufnehmer sehr präzise und können sowohl sehr kleine, als auch sehr große Kräfte messen.
Dennoch kann es zu Standardabweichungen kommen.
Deshalb geben Hersteller von Kraftaufnehmern eine Genauigkeitsklasse im Datenblatt an.
Genauigkeitsklasse
Die Genauigkeitsklasse definiert eine mögliche maximale Abweichung der Messung in Prozent.
Wie auch bei anderen Prüfinstrumenten, ist bei Kraftaufnehmern eine regelmäßige Überprüfung und Kalibrierung unabdinglich.
Nur so kann eine korrekte Messung gewährleistet werden.
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Unterschiedliche Arten von Kraftaufnehmern
Kraftaufnehmer werden eingesetzt, um eine optimale Krafteinleitung zu erreichen. Das ist gegeben, wenn die Krafteinleitung möglichst in Messrichtung wirkt und weder durch Querkräfte, noch durch Biegemomente gestört wird.
Aus diesem Grund gibt es viele verschiedene Bauformen, die sich unterschiedlicher Messprinzipien bedienen, wie beispielsweise:
- Kraftmessdosen
- Ringkraftaufnehmer
- Kraftmesslaschen
- Kraftmess-Schäkel
- Fadenkraftaufnehmer
Nicht selten werden Miniatur-Kraftaufnehmer benötigt, deren Design eine einfache Integration in die Maschinen ermöglicht. Kraftaufnehmer in miniaturisierter Form sind oft flacher und haben einen kleineren Durchmesser.
Auch hier gibt es zahlreiche Ausführungen, darunter z.B.:
- Zugstäbe
- Messringe
- Wägezellen
- Biegebalken
Welche Form verwenden?
In vielen Fällen bestimmt das Einsatzgebiet, welche Form am besten geeignet ist, um ein optimales Ergebnis zu liefern.
Abhängig davon, welche Kraftaufnehmer man benötigt, kann sich der Preis sehr stark unterscheiden.
Das ist im Wesentlichen davon abhängig ob es sich um ein einfaches Modell oder um eine kundenspezifische Anfertigung handelt.
Messprinzipien bei Kraftaufnehmern: Tabelle und Einsatzgebiete
Die gängigsten Kraftaufnehmer und ihre Messprinzipien, sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:
| Name | Messprinzip | Eignung |
|---|---|---|
| Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Federkörper-Kraftaufnehmer | DMS-Kraftaufnehmer werden auch Federkörper-Kraftaufnehmer genannt und haben im Aufbau eine Trägerplatte, die mit dünnen Metallfolien ausgestattet ist. Durch die einwirkende Kraft wird das Metall verformt, was zu einer messbaren Widerstandsänderung führt. | Zählen zu den häufigsten Arten von Kraftaufnehmern, da sie sich über eine sehr hohe Genauigkeit auszeichnen und über eine gute Langzeitstabilität verfügen. |
| Piezoelektrische Kraftaufnehmer (Piezo) | Bei einem Piezo-Kraftaufnehmer sind Kristalle eingebaut, die elektrische Ladungen erzeugen, sobald eine Kraft auf sie ausgeübt wird. Die elektrische Ladung ist die Basis für die Berechnung der Kraft. | Sind besonders geeignet um dynamische Zug- und Druckkräfte zu messen. |
| Hydraulische Kraftaufnehmer | Die Messung erfolgt über die Komprimierung von Flüssigkeiten in einer Kammer, die unter Druck gesetzt wird. Um die Kraft zu berechnen, wird der Druckanstieg ausgewertet. | Können unterschiedliche Arten von Kräften, wie z.B. Quer- oder Druckkräfte messen. Außerdem sind sie sehr robust und besonders zuverlässig in Witterungsbereichen oder bei Temperaturschwankungen. |
| Magnetoelastische Kraftaufnehmer | Der Messkörper besteht aus ferromagnetischem Material, welches an eine Spule angeschlossen ist. Die Einwirkung der Kraft wird durch eine Induktionsveränderung erfasst. | Decken einen sehr großen Messbereich ab und eignen sich für die Serienanwendung, da sie kostengünstig sind. |
| Induktiver Kraftaufnehmer | Induktive Kraftaufnehmer messen die Abstandsänderung, welche entsteht, sobald eine Kraft auf zwei Punkte einwirkt. | Da sie sehr empfindlich sind, werden sie gerne in Laboren verwendet. |
Soll eine gleichzeitige, mehrachsige Messung von mehr als einer Kraft stattfinden, werden sogenannte Mehrkomponenten-Kraftaufnehmer verwendet.
Alle Fügeeinheiten der DSM SMP- und XMP-Serien sind standardmäßig mit digitalen Kraftaufnehmern für höchste Präzision ausgestattet.
