Lernen Sie in diesem umfassenden Leitfaden die Funktionen und Möglichkeiten verschiedener Wägezellen, auch bekannt als Kraftaufnehmer kennen.
Kraftsensor, hergestellt in den USA von FUTEK Advanced Sensor Technology (FUTEK), einem führenden Hersteller, der eine große Auswahl an Kraftaufnehmern produziert und dabei eine der fortschrittlichsten Technologien in der Sensorindustrie einsetzt: Die Metallfolien- Dehnungsmessstreifen-Technologie. Ein Kraftsensor ist definiert als ein Aufnehmer, der eine mechanische Eingangslast, ein Gewicht, eine Druckkraft, eine Zugkraft oder einen Druck in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt (Definition einer Kraftmesszelle). Kraftsensoren werden allgemein auch als Kraftaufnehmer bezeichnet. Es gibt verschiedene Arten von Wägezellen, die sich nach Größe, Geometrie und Messbereich unterscheiden.
Definitionsgemäß ist ein Kraftsensor eine Art von Messwertaufnehmer, insbesondere ein Kraftaufnehmer. Er wandelt eine mechanische Eingangskraft wie Last, Gewicht, Druckkraft, Zugkraft oder Druck in eine andere physikalische Größe um, in diesem Fall in ein elektrisches Ausgangssignal, das gemessen, umgewandelt und standardisiert werden kann. Wenn die auf den Kraftmessdose ausgeübte Kraft zunimmt, ändert sich das elektrische Signal proportional.
Kraftaufnehmer sind zu einem wesentlichen Element in vielen Branchen geworden, z. B. in der Automobilindustrie, der Hochpräzisionsfertigung, der Luft- und Raumfahrt, der Industrieautomation, der Medizin- und Pharmaindustrie und der Robotik, wo zuverlässige und hochpräzise Messungen von größter Bedeutung sind. In jüngster Zeit sind mit den Fortschritten bei kollaborativen Robotern (Cobots) und chirurgischen Robotern viele neue Kraftmessanwendungen entstanden.
Zunächst müssen wir die physikalischen und materialwissenschaftlichen Grundlagen des Funktionsprinzips der Spannkraftmessung verstehen, d. h. den Dehnungsmessstreifen (manchmal auch als Dehnmessstreifen oder abgekürzt als DMS bezeichnet). Ein Dehnungsmessstreifen aus Metallfolie ist ein Sensor, dessen elektrischer Widerstand sich mit der aufgebrachten Kraft ändert. Mit anderen Worten: Er wandelt (oder überträgt) Kraft, Druck, Drehmoment (Drehmomentsensor for drehmoment messen), Gewicht usw. in eine Änderung des elektrischen Widerstands um, die dann gemessen werden kann.
Dehnungsmessstreifen sind elektrische Leiter, die fest mit einer mäanderförmigen Folie verbunden sind. Wenn diese Folie gezogen wird, dehnt sie sich und damit auch die Leiter. Wenn sie gedrückt wird, zieht sie sich zusammen und wird kürzer. Diese Formveränderung führt dazu, dass sich auch der Widerstand in den elektrischen Leitern ändert. Die in der Wägezelle aufgebrachte Dehnung kann auf der Grundlage dieses Prinzips bestimmt werden, da der Dehnungsmessstreifen-Widerstand mit der aufgebrachten Dehnung zunimmt und mit der Kontraktion abnimmt.
Strukturell besteht eine Kraftsensor-Wägezelle aus einem Metallkörper, auf den Folien-Dehnungsmessstreifen geklebt sind. Der Sensorkörper besteht in der Regel aus Aluminium oder rostfreiem Stahl, was dem Sensor zwei wichtige Eigenschaften verleiht: (1) er ist robust genug, um hohen Belastungen standzuhalten, und (2) er ist elastisch genug, um sich nur minimal zu verformen und in seine ursprüngliche Form zurückzukehren, wenn die Kraft entfernt wird.
Wenn eine Kraft (Zug- oder Druckrichtung) ausgeübt wird, wirkt der Metallkörper wie eine “Feder” und verformt sich leicht, und wenn er nicht überlastet wird, kehrt er in seine ursprüngliche Form zurück. Wenn sich der Sensorkörper verformt, ändert sich auch die Form des Dehnungsmessstreifens und damit sein elektrischer Widerstand, der über eine Wheatstone-Brückenschaltung eine differentielle Spannungsänderung erzeugt. Die Spannungsänderung ist somit proportional zur physikalischen Kraft, die auf die Biegung ausgeübt wird und die über den Spannungsausgang des Wägezellenkreises berechnet werden kann.
Diese Dehnungsmessstreifen sind in einer so genannten Wheatstone-Brückenschaltung angeordnet (siehe animiertes Diagramm). Das bedeutet, dass vier Dehnungsmessstreifen in einer Schleifenschaltung (Wägezellenschaltung) zusammengeschaltet sind und das Messgitter der zu messenden Kraft entsprechend ausgerichtet ist.
Die DMS-Brückenverstärker (oder Wägezellen-Signalaufbereiter) liefern eine geregelte Versorgungsspannung an die Wägezellen-Schaltung und wandeln das mv/V- Ausgangssignal in eine Signalform um, die für den Benutzer zur Auswertung besser geeignet ist. Das von der DMS-Brücke erzeugte Signal hat eine geringe Signalstärke und funktioniert möglicherweise nicht mit anderen Komponenten des Systems, wie SPS, Datenerfassungsmodulen (DAQ), Computern oder Mikroprozessoren. Zu den Funktionen der Signalaufbereitung für den Kraftmessdose gehören daher Versorgungsspannung, Rauschfilterung oder -dämpfung, Signalverstärkung und Ausgangssignalumwandlung.
Darüber hinaus ist die Änderung der Ausgangsspannung des Verstärkers so kalibriert (), dass sie linear proportional zur Newtonschen Kraft ist, die auf den Sensorkörper ausgeübt wird und die über die Spannungsgleichung des Wägezellenkreises berechnet werden kann.
Ein wichtiges Konzept bei Kraftaufnehmern ist die Empfindlichkeit und Genauigkeit des Kraftsensors. Die Genauigkeit eines Kraftsensors kann als die kleinste Kraft definiert werden, die auf den Sensorkörper ausgeübt werden kann, um eine lineare und wiederholbare Veränderung des Spannungsausgangs zu bewirken. Je höher die Genauigkeit der Wägezelle ist, desto besser, da sie sehr empfindliche Kraftschwankungen konsistent erfassen kann. In Anwendungen wie der hochpräzisen Fabrikautomation, der chirurgischen Robotik und der Luft- und Raumfahrt ist die Linearität der Wägezellen von größter Bedeutung, um das SPS- oder DAQ- Steuerungssystem mit den genauen Messwerten zu versorgen. Einige unserer Universal-Pancake-Wägezellen weisen eine Nichtlinearität von ±0,1 % (der Nennleistung) und eine Nichtwiederholbarkeit von ±0,05 % RO auf.
Dehnungsmessstreifen-Kraftsensoren aus Metallfolie sind die am weitesten verbreitete Technologie, da sie im Vergleich zu anderen Messtechnologien eine hohe Genauigkeit, langfristige Zuverlässigkeit, eine Vielzahl von Formen und Sensorgeometrien sowie ein gutes Preis- Leistungs-Verhältnis bieten. Außerdem werden Dehnungsmessstreifen- Sensoren weniger durch Temperaturschwankungen beeinträchtigt.
Obwohl es mehrere Technologien zur Kraftmessung gibt, konzentrieren wir uns auf die gängigste Art von Wägezellen: Metallfolien- Dehnungsmessstreifen. Innerhalb der Arten von Wägezellen (i.e. Wägezellentypen) ist eine Vielzahl von Körperformen und Geometrien von Wägezellen erhältlich, die jeweils für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind. Lernen Sie sie kennen, wenn Sie eine Wägezelle kaufen möchten:
Wir wissen, dass die Auswahl des richtigen Lastaufnehmers eine schwierige Aufgabe ist, da es keinen wirklichen Industriestandard für die Auswahl gibt. Es gibt auch einige Herausforderungen, auf die Sie stoßen können, z. B. die Suche nach einem kompatiblen Wägezelle Verstärker oder Signalaufbereiter oder die Anforderung eines kundenspezifischen Produkts, das die Lieferzeit verlängert.
Um Sie bei der Auswahl Ihres Kraftsensors zu unterstützen, hat FUTEK einen einfach zu befolgenden 5-Schritte-Leitfaden entwickelt. Hier ist ein kleiner Einblick, der Ihnen hilft, Ihre Auswahl einzugrenzen. Weitere Informationen finden Sie in unserem vollständigen Leitfaden "Wichtige Überlegungen zur Auswahl eines Kraftmesssensors".
Weitere Einzelheiten zu unserem 5-Schritte-Leitfaden finden Sie in unserem Leitfaden “Wie man einen Kraftmesssensor auswählt”.
Die Kalibrierung eines Kraftsensors ist eine Einstellung oder eine Reihe von Korrekturen, die an einem Sensor oder Instrument (Verstärker) vorgenommen werden, um sicherzustellen, dass der Sensor so genau oder fehlerfrei wie möglich arbeitet.
Jeder Kraftaufnehmer ist anfällig für Messabweichungen. Bei diesen strukturellen Unsicherheiten handelt es sich um die einfache algebraische Differenz zwischen dem vom Sensorausgang angezeigten Wert und dem tatsächlichen Wert der Messgröße oder bekannten Bezugskräften.
Abweichungen können durch viele Faktoren verursacht werden:
Nullpunktverschiebung (oder Kraftsensor-Nullpunktabgleich): Ein Offset bedeutet, dass der Sensorausgang bei Kraft Null (echter Nullpunkt) höher oder niedriger ist als der ideale Ausgang. Darüber hinaus bezieht sich die Nullpunktstabilität auf das Ausmaß, in dem der Aufnehmer seinen Nullpunktabgleich beibehält, wenn alle Umgebungsbedingungen und andere Variablen konstant bleiben.
Linearität (oder Nichtlinearität): Nur wenige Sensoren haben eine vollständig lineare Kennlinie, d. h. die Ausgangsempfindlichkeit (Steilheit) ändert sich über den gesamten Messbereich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Einige sind über den gewünschten Bereich hinreichend linear und weichen nicht von der (theoretischen) Geraden ab, aber einige Sensoren erfordern komplexere Berechnungen, um den Ausgang zu linearisieren. Die Nichtlinearität eines Kraftsensors ist also die maximale Abweichung der tatsächlichen Kalibrierkurve von einer idealen Geraden zwischen dem drucklosen und dem Nenndruckausgang, ausgedrückt in Prozent des Nennausgangs.
Hysterese: Die maximale Differenz zwischen den Ausgangsmesswerten des Aufnehmers für dieselbe aufgebrachte Kraft; ein Messwert ergibt sich, wenn die Kraft von Null aus erhöht wird, der andere, wenn die Kraft von der Nennleistung aus verringert wird. Sie wird normalerweise bei halber Nennleistung gemessen und als Prozentsatz der Nennleistung ausgedrückt. Die Messungen sollten so schnell wie möglich durchgeführt werden, um das Kriechverhalten zu minimieren.
Wiederholbarkeit (oder Nicht-Wiederholbarkeit): Die maximale Differenz zwischen den Ausgangsmesswerten des Aufnehmers bei wiederholten Eingaben unter identischen Kraft- und Umgebungsbedingungen. Sie gibt die Fähigkeit des Kraftaufnehmers an, bei wiederholter Aufbringung der gleichen Kraft eine gleichbleibende Leistung zu erbringen.
Thermischer Offset und thermische Sensitivitätsabweichung Die Änderung des Ausgangs- bzw. Nullpunktabgleichs aufgrund einer Änderung der Messwertaufnehmertemperatur.
Jeder Kraftsensor verfügt über eine “Kennlinie” oder eine “Kalibrierkurve”, die die Reaktion des Sensors auf einen Eingang definiert. Bei einer regelmäßigen Kalibrierung mit der Kraftaufnehmer-Kalibrierungsmaschine überprüfen wir die Nullpunktverschiebung und die Linearität des Sensors, indem wir den Sensorausgang unter Referenzkräften vergleichen und die Reaktion des Sensors an einen idealen linearen Ausgang anpassen. Die Kalibrierungsausrüstung für Kraftsensoren prüft auch Hysterese, Wiederholbarkeit und Temperaturverschiebung, wenn Kunden dies für einige kritische Kraftmessanwendungen verlangen.
Weitere Informationen zur Kalibrierung finden Sie auf unserer FAQ-Seite zur Sensorkalibrierung.
Wenn Sie weitere Fragen zu Kalibrierungsbegriffen und -definitionen haben, lesen Sie bitte unser Glossar zu Sensorkalibrierungsbegriffen.
Möchten Sie wissen, welche Kalibrierungsdienste wir für Ihren Sensor und/oder Ihr System anbieten?
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Da Dehnungsmessstreifen-Kraftsensoren ständigem Gebrauch, Alterung, Ausgangsdrift, Überlastung und unsachgemäßer Handhabung ausgesetzt sind, empfiehlt FUTEK dringend ein jährliches Rekalibrierungsintervall. Häufige Rekalibrierung hilft zu bestätigen, ob der Sensor seine Genauigkeit im Laufe der Zeit beibehalten hat, und liefert ein Kalibrierungszertifikat für die Wägezelle, um zu zeigen, dass der Sensor immer noch den Spezifikationen entspricht.
Wenn der Sensor jedoch in kritischen Anwendungen und rauen Umgebungen eingesetzt wird, müssen die Kraftsensoren möglicherweise noch häufiger kalibriert werden. Bitte wenden Sie sich an unseren technischen Kundendienst, der Ihnen helfen wird, das wirtschaftlichste Kalibrierungsintervall für Ihren Kraftaufnehmer zu ermitteln.