Theorie Kraftzellen

Kraftsensoren messen die zwischen zwei Körpern wirkende Kraft. Die Grösse Kraft besitzt eine Richtung und gehört deshalb zu den vektoriellen Grössen. Früher wurden Kraftmesser auch als Dynamometer bezeichnet, welches vom altgriechischen Wort dynamis – Kraft abstammt. Im Englischen Sprachraum ist diese Bezeichnung immer noch weit verbreitet.

Ein typisches Beispiel dafür ist eine Waage zur Messung der Gewichtskraft eines Körpers entgegen der Erde bzw. der Anziehungskraft. Die Kraft kann in alle drei Richtungen des Raumes wirken, deshalb unterscheidet man zwischen Einkomponenten-Kraftmessung und Mehrkomponenten-Kraftmessung.

 

 

Kraftzellen auf Basis von Dehnungsmessstreifen

Bei Kraftzellen, die auf Dehnungsmessstreifen basieren, sind vier solche Streifen, die bei Dehnung ihren Widerstand ändern, auf einem elastischen oder federnden Element befestigt. Diese vier variablen Widerstände werden dann als Wheatstone-Brücke geschaltet, womit die Deformation des Trägers gemessen werden kann. Kraftzellen, die auf Dehnungsmessstreifen basieren, sind kostengünstig in der Herstellung und resistent gegen Temperaturschwankungen. Abhängig vom Trägermaterial, das eine gewisse Zeit für die Deformation braucht, ist die Reaktionsgeschwindigkeit limitiert. Sensoren basierend auf Dehnungsmessstreifen messen nahezu driftfrei, weshalb sie besonders gut für langfristige Monitoring Anwendungen geeignet sind.

Funktionsweise einer Kraftzelle mit Dehnungsmessstreifen

Kraftsensoren mit Wegmessung

Dies ist eine der ältesten Methoden der Kraftmessung. Durch die Belastung eines Metalls wie beispielsweise einer Feder, verändert sich deren Länge linear mit der darauf wirkenden Kraft. Dadurch kann anschliessend mit dem hooke’schen Gesetz Kraft F bestimmt werden.

Hydraulische Kraftmessung

Hierbei wird die Kraft auf einen Zylinder ausgeübt. Dieser enthält eine Flüssigkeit. Durch die darauf wirkende Kraft erhöht sich der Druck. 

Piezoelektrische Kraftmessung

Damit man versteht, wie eine piezoelektrischer Kraftaufnehmer funktioniert, muss zuerst der piezoelektrische Effekt genauer betrachtet werden. Piezoelektrische Materialien sind beispielsweise Quarz oder Rohrzucker. Ihre Gemeinsamkeit besteht darin, dass sie unter Krafteinwirkung eine Ladung abgeben.

Auf dem Bild links ersichtlich ist ein unbelasteter Kristall und dessen Molekülgitter. Rechts im Bild sieht man ein Kristall unter Krafteinwirkung. Dabei wird der Ladungsschwerpunkt verschoben und man kann oben und unten die Ladung messen.   Die daraus resultierende Ladung ist dabei proportional zur einwirkenden Kraft, also umso grösser die Kraft desto grösser die Ladung.

Genau mit diesem Effekt funktioniert ein piezoelektrischer Kraftaufnehmer. Ein grosser Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass sie einen grossen Messbereich abdecken können. Ein Nachteil ist der relativ hohe Drift bei niedrigen Belastungen wie bspw. 100N

 

 

Auf dem Bild links ersichtlich ist ein unbelasteter Kristall und dessen Molekülgitter. Rechts im Bild sieht man ein Kristall unter Krafteinwirkung. Dabei wird der Ladungsschwerpunkt verschoben und man kann oben und unten die Ladung messen. Die daraus resultierende Ladung ist dabei proportional zur einwirkenden Kraft, also umso grösser die Kraft desto grösser die Ladung.

Piezoresisitve Kraftzellen

Bei Piezoresistiven Kraftzellen wird der Dehnungsmessstreifen durch piezoresistive Siliziummembranen ersetzt, die dann ebenfalls als Wheatstone-Brücke geschaltet werden. Piezoresistive Kraftzellen können bei hohen Frequenzen Kraft messen und sind dabei äusserst langlebig. Sie können kleiner konstruiert werden als andere Kraftzellen, was in vielen Anwendungen Vorteile mit sich bringt. Der grösste Nachteil ist allerdings der Drift während einer Messung. Kraftänderungen können präzise abgebildet werden, statische Belastungen hingegen nicht. Das Ausgangssignal ist nicht linear und muss folglich elektronisch korrigiert werden.

Wheatstone Brücke

Eine Wheatstone Brücke wird zur Bestimmung von Widerständen oder zur Bestimmung der relativen Widerstandsänderung verwendet. Dabei gibt es abgeglichene und unabgeglichene Brückenschaltungen.


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