Kraft Momenten Sensor

Ein Kraft Momenten Sensor ist ein Kraft-Drehmoment-Wandler, der bis zu 6 verschiedene Kräfte (Fx, Fy, Fz) und Drehmomente (Mx, My, Mz) in 3 Raumrichtungen misst und in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt. Mehrachsige Sensoren werden auch als Mehrkomponentenaufnehmer oder Kraft-Momenten-Sensoren bezeichnet (z. B.: 2-Achsen-Kraftsensor, 3-Achsen-Kraftsensor, 6 Achsen Kraft Momenten Sensor, 6-Achsen-Kraftmesszelle, 6-DoF-Kraftmesszelle).

Mehrachsige Drehmomentsensoren, hergestellt in den USA von FUTEK Advanced Sensor Technology, einem führenden Hersteller, der eine große Auswahl an mehrachsigen Wägezellen produziert und dabei eine der fortschrittlichsten Technologien in der Sensorindustrie einsetzt: Metallfolien-Dehnungsmessstreifen.

Was ist ein Kraft Momenten Sensor?

Ein Kraft Momenten Sensor (auch allgemein bekannt als Mehrkomponentenaufnehmer oder Mehrkomponenten-Kraftmessdose) kann in allen Raumrichtungen messen: Kräfte in Zug und Druck (±Fx, ±Fy und ±Fz) sowie Drehmomente im und gegen den Uhrzeigersinn (±Mx, ±My oder ±Mz).

Diese speziellen Kraft-Momenten-Sensoren sind mit mehreren Dehnungsmessstreifenbrücken ausgestattet, die die in einer Richtung wirkenden Kräfte und Drehmomente mit geringer oder gar keiner Übersprechstörung durch in anderen Richtungen wirkende Kräfte oder Momente genau messen.

In Anwendungen, bei denen mehrere Kraft- und Drehmomentvektoren gleichzeitig in x-, y- und z-Richtung gemessen werden müssen, sind Mehrachsensensoren die bevorzugte Wahl. Aufgrund ihrer kompakten Bauweise sparen Mehrkomponentenaufnehmer viel Platz bei der Montage und Installationszeit im Vergleich zu der alternativen Lösung, der Installation von mehreren einachsigen Kraftmessdosen und/oder Drehmomentsensoren.

Was ist Übersprechen (Crosstalk) in Mehrkomponenten-Wägezellen und wie kann man es minimieren?

Die mehrachsige Wägezelle ist für die unabhängige Messung von Kraft und Drehmoment in jeder ihrer Achsen oder Kanäle ausgelegt. Aufgrund des physikalischen Effekts der Poisson-Kräfte kommt es jedoch zu einer Ausdehnung oder Kontraktion des Biegematerials in Richtungen, die senkrecht zur Richtung der aufgebrachten Last liegen. Wenn also eine Last oder ein Drehmoment nur in einer Richtung aufgebracht wird, gibt es aufgrund der Querempfindlichkeit des Sensors auch ein minimales Ausgangssignal in der anderen Achse.

Übersprechpegel sind Teil der technischen Spezifikationen von mehrachsigen Drehmomentsensoren. FUTEK-Sensoren bewegen sich normalerweise im Bereich von 2-4 % des Ausgangs. Die gute Nachricht ist, dass während der Entwurfsphase der 6-DoF-Wägezelle (oder der Zwei-Achsen-Wägezelle) das Übersprechen zwischen den Kräften und Drehmomenten mathematisch kompensiert werden kann.

Welche Arten von Mehrachsensensoren gibt es?

Die Mehrkomponentensensoren von FUTEK können in vielen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen ein Last- oder Drehmomentvektor in Form von x-, y- und z-Koordinaten (Fx, Fy, Fz und Mx, My, Mz) beschrieben werden muss.

• 2-Achsen-Kraftmessdose (Fx, Fy): Der biaxiale Kraftmessarm MBA400 ist für die Messung von Kräften in den Richtungen Fx und Fy (Zug und Druck) ausgelegt;
• Biaxialer 2-Achsen-Drehmoment- und Schubkraft-Sensor (Fz, Mz): Der Drehmoment- und Schubsensor MBA500 misst sowohl die Richtung der Last (Fz) als auch das Reaktionsmoment (Mz);
• 3-Achsen-Kraftmesszelle mit niedrigem Profil für Schub und Moment (Fz, Mx, My): Die MTA500 & MTA505 3 DoF-Kraftsensoren sind für die Messung von Zug- und Druckkräften in Fz-Richtung sowie von Reaktionsmomenten in Mx und My, im und gegen den Uhrzeigersinn, ausgelegt;
• 3-Achsen Kraftmesszelle (Fx, Fy, Fz): Die MTA400 & MTA600 3 DoF-Kraftsensoren sind für die Messung von Zug- und Druckkräften in den Richtungen Fx, Fy und Fz ausgelegt;
• Kundenspezifischer mehrachsiger Sensor: Unsere Ingenieure können auch einen speziellen mehrachsigen Kraftsensor entwerfen  (auch bekannt als 6 DoF-Kraftsensor), um Ihre Anforderungen und die gewünschten Messbereiche zu erfüllen. Wir haben auch mehrere kundenspezifische Einheiten auf Lager, die wir schnell liefern können. Ähnlich wie bei unserer gesamten Mehrkomponenten Wägesensor - Produktlinie werden die kundenspezifischen Modelle in den USA hergestellt und nutzen die Dehnungsmessstreifen-Technologie mit Metallfolie.

Für miniaturisierte Versionen von Wägezellen und Kraftsensoren besuchen Sie unsere Seite für eine Miniatursensorenrübersicht. 

Was sind typische Mehrkomponentenanwendungen?

Eine der stolzesten Entwicklungen des FUTEK-Ingenieurteams ist der speziell für die Mission des Mars-Rovers Curiosity entwickelte mehrachsige Kraftsensor. Als führender Hersteller von mehrachsigen Kraftmessdosen entwickelte FUTEK einen dreiachsigen kryogenen Kraft-Sensor für den Einsatz an Bord des Rovers auf der Marsoberfläche. Der mehrachsige Kraft- und Drehmomentsensor ist für die Manöver des Roboterarms verantwortlich. Während sich der Arm bewegt, gibt der dreiachsige Sensor dem Bediengerät eine Rückmeldung über den Grad der Torsion und der aufgebrachten Kraft. Dieser mehrachsige Sensor ist notwendig, um den Rover zu warnen, wenn der Arm überbeansprucht wird.

Für experimentelle Treibstoffe, Aerospikes und andere experimentelle höhenkompensierende Düsen sind Bodentests erforderlich, um ihre Schubkurven und Isp unter statischen Testbedingungen zu charakterisieren. Zu diesem Zweck wird eine Kraftmessdose der Serie LCF zwischen dem Raketentriebwerk und dem Schubprüfstand für Raketentriebwerke.

Messung von Bohrmoment und Schubkraft ist eine mögliche Anwendung für mehrachsige Sensoren. Auf der Grundlage der Bohrmessdaten können Bediener und Fertigungsingenieure den Prozess optimieren, Prozessausfälle verhindern, die Wartung oder den Austausch von Bohrmaschinen oder Bohrern vorhersagen und die Bohrprozessparameter, einschließlich Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit, Bohrergeometrie und Zusammensetzung, auf die Qualität des Ausgangsprodukts untersuchen.

Bei Crashtests werden mehrere mehrachsige Aufnehmer eingesetzt. Die Testdummies sind mit Crashtest-Sensoren und einem Datenerfassungssystem ausgestattet, das die Aufprallgeschwindigkeit, die Verschiebung des Brustkorbs, die Verzögerungsraten und die Hochfrequenzkräfte aufzeichnet, die zu verschiedenen Zeitpunkten auf die Prüfpuppe einwirken.

Eine weitere gängige Anwendung für Mehrkanal-Kraftsensoren in der Luft- und Raumfahrtindustrie sind Windkanäle. Windkanäle werden in der aerodynamischen Forschung eingesetzt, um die Auswirkungen der Luftbewegung an festen Objekten, so genannten Modellen, zu untersuchen. Ein Modell wird auf einer stationären Wägezelle mit 3 Freiheitsgraden montiert, die Kraftmessung des Drucks, der auf das zu prüfende Objekt (z. B. das Flugzeug) ausgeübt wird. Dreiachsige Kraftmessdose (MTA400) in Verbindung mit Instrumenten (Verstärker der Serie IAA und USB-Lösungen). Ein Drucksensor kann auch in diesem Fall erforderlich sein.

Zu guter Letzt eine unserer wichtigsten Anwendungen für dreiachsige Wägezellen: Überwachung der Zugkraft (Schubkraft) und der Richtungen der fliegenden Rentiere des Weihnachtsmanns an Heiligabend! 😊 Am 24. Dezember hat der Weihnachtsmann eine arbeitsreiche Nacht, in der er die Geschenke an die 1,3 Milliarden Kinder in der Welt verteilt. Um seinen Zeitplan einzuhalten, verlässt sich der Weihnachtsmann auf hochpräzise GPS-Navigation und Autopilotsysteme, um die Reisezeit zu minimieren. Lastrückmeldungen sind notwendig, um die Eingaben der Rentiere zu bestätigen und die Gesundheit der Rentiere zu überwachen (auch magische fliegende Rentiere können erschöpft werden). Um die Rentiere zu überwachen, sind ihre Geschirre mit einem Paar FUTEK MTA600 Drei-Achsen-Wägezellen verbunden, die an einen Verstärker der IAA-Serie angeschlossen sind.

Das Fly-by-Wire-Steuerungssystem verarbeitet die Eingaben des Piloten oder des Autopiloten und steuert automatisch die Aktuatoren der Flugsteuerflächen. Mehrachsige Kraft- und Drehmomentsensoren Fly-by-Wire-Sensoren werden in der Flugtestumgebung intensiv genutzt, um das Design des Kontrollsystems auf der Grundlage der Flugkontrollgesetze zu validieren.

Sind Sie kreativ und möchten Sie mehr über die Anwendungen von 6-Achsen-Kraft-Momenten-Sensor und anderen Mehrkomponenten-Kraftsensoren erfahren? Besuchen Sie unsere Anwendungsseite für mehrachsige Sensoren.