FUTEK LSB205

Wie funktioniert ein Kraftsensor?

Die Funktionsweise eines DMS Kraftsensors

Funktionsweise eines DMS-Kraftsensors (Bild: FUTEK)

Speisespannung

Die Spannungsversorgung des Sensors muss über eine stabilisierte und rauscharme Spannungsquelle erfolgen. Die Wheatstonebrücke übertragt diese Störungen/Schwankungen ansonsten direkt auf den Ausgang. Diese darf niedriger, jedoch nicht höher sein, als der im Datenblatt angegebene maximale Wert. Erfolgt die Speisung mit einem niedrigeren Wert, reduziert sich das Ausgangssignal der Brücke entsprechend. Der Vorteil hierbei liegt in der geringeren Erwärmung des Sensors.
Im obigen Bild wird die passende Speisung über einen geeigneten DMS-Verstärker erzeugt.

DMS

Ein DMS-Sensor (im Bild beispielhaft der Typ FUTEK LSB205) wird mit einer Druck- und Zugkraft beaufschlagt. Der Aufnehmer selbst enthält vier Metall-Dehnungsmessstreifen (DMS), die ihren Widerstand in Abhängigkeit von der Längenänderung verändern. Die DMS sind in einer Wheatstone-Brücke zusammengeschaltet.
Im abgeglichenen Zustand haben alle DMS den gleichen Widerstandswert (hier z.B. 350 Ohm) und das Ausgangssignal (Diagonalspannung Vo) der Brücke hat einen Wert von ca. 0 V.
(In der Praxis messen Sie jedoch bedingt durch Fertigungstoleranzen der DMS einen Offset. Dieser Wert wird im jeweiligen Datenblatt des Sensors angegeben.)

Federkörper

Die DMS werden in einem Gehäuse, dem sogenannten Federkörper, appliziert. Die Art des Federkörpers/des Gehäuses hängt von der Anwendung ab (Druck, Zug/Druck).
Der Körper ändert nun bei Belastung minimal seine Größe, da die DMS sonst keine Längenänderung erfahren.
Ein Kraftsensor arbeitet somit nach dem Gesetz von Hooke. Man kann dies durchaus mit einer steifen Feder vergleichen, wobei unterschiedliche Messbereiche bei gleicher Baugröße durch Änderung der Steifigkeit realisiert werden.
Ändern sich die Widerstände der DMS durch Längenänderung (Druck- oder Zugbelastung), verstimmt dies die Brücke und die Spannung Vo ist ungleich Null und zeigt einen Wert an, der proportional der Belastung, der Kraft, ist.
Damit die größtmögliche Ausgangsspannung erreicht wird, werden jeweils zwei DMS auf Zugbelastung (Dehnung) und zwei auf Druckbelastung (Stauchung) im Sensor montiert. Im Bild sind dies die Widerstände R1 und R3, sowie R2 und R4. Die jeweiligen Widerstandsänderungen zeigt die animierte Grafik.
Je nach Belastungsrichtung ist das Ausgangssignal positiv oder negativ.

Krafteinleitung

Die Krafteinleitung muss immer senkrecht zur Sensoroberfläche erfolgen. Querkräfte führen zu Fehlmessungen oder können die DMS-Brücke schädigen oder im schlimmsten Fall zerstören.
Sollten bei Ihren Messaufgaben Querkräfte auftreten, fragen Sie uns nach einer möglichen Lösung.

Kenngrößen

Das Datenblatt enthält die Kenngrößen des Sensors, wie z.B. die Nichtlinearität und Hysterese (bei Zug- und Druckbelastung). Bedingt durch die Fertigungstoleranzen der DMS ist die Kennlinie nicht linear, wie es von der Theorie her sein müsste. Die angegebenen Abweichungen von dieser Ideallinie geben Auskunft über die Genauigkeit des Sensors (nicht zu verwechseln mit der Auflösung).

Frequenz
DMS-Kraftsensoren eignen sich konstruktionsbedingt sehr gut für statische und niederfrequente Messungen. Die maximal zulässige Frequenz ist abhängig von Messbereich bzw. von der Größe der gesamten schwingenden Masse.

Verstärker

Da die Sensorsignale trotzdem sehr klein sind (ca. 20 mV) ist ein nachgeschalteter DMS-Verstärker (hier ein FUTEK IAA100) notwendig, dessen Ausgang dann ein normiertes Signal zur Weiterverarbeitung (Anzeige, SPS, PC etc.) liefert. Im obigen Beispiel entsprechen dann +/-10 V der Belastung des Sensors.
An die Verstärker werden hohe Anforderungen gestellt, wie in unserem entsprechenden Artikel erläutert.

Eine Übersicht über die von SENSOCON angebotenen Kraftsensoren erhalten Sie hier.