Die Funktionsweise eines DMS Kraftsensors

Wie funktioniert ein Kraftsensor
Wie funktioniert ein DMS Kraftsensor (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.
Prinzipiell arbeitet ein DMS-Kraftsensor wie eine steife Feder nach dem Hookeschen Gesetz. Je nach Messbereich erhält der Federkörper eine andere Steifigkeit, sodaß die Durchbiegung (Deflection) des Sensors in der Baureihe gleich groß ist (BeiSpiel: Bei einem Kraftsensor mit 100 N Messbereich und den gleichen Modell mot 1 kN Messbereich ist dir Durchbiegung gleich groß). Man versucht, die Durchbiegung so klein wie möglich zu halten, was eine große Herausforderung an die DMS und die Applizierung bedeutet.

Ändern sich die Widerstände der DMS durch Längenänderung (verursacht durch 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 (durch positive oder negative Längenänderung der DMS).

Achtung: Wird der Kraftsensor über die Nennlast hinaus belastet, verhalten sich die DMS wie eine überdehnte Feder – sie gehen nicht mehr in die Ausgangslange zurück (plastischer Bereich). Dies zeigt sich durch eine Änderung der Ein- und Ausgangsimpedanzen und durch einen erhöhten Offset. Wenn die Überdehnung zu groß ist, kann der Sensor nicht mehr zu eioner ordnungsgemäßen Messung verwendet werden. Im Extremfall wird die Wheatstone-Brücke zerstört. Dies lässt sich durch Messung der Ein- und Ausgangsimpedanzen überprüfen (unendliche bzw. sehr hohe Widerstandswerte).

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) und beziehen sich auf den Messbereichsendwert (Rated Output). Weitere Messabweichungen entstehen u.a. durch Temperatureinflüsse und können in dem angegebenen Temperaturfenster (kompensierter Temperaturbereich) berechnet und somit in die Auswertung mit einbezogen werden. Die Kalibrierdaten der Sensoren werden immer bei Raumtemperatur angegeben und enthalten keine Angaben über Abweichungen durch Temperatur.

Kennline eines DMS Kraftsensors
Kennlinie eines Kraftsensors (Nichtlinearität und Hysterese). (Bild: FUTEK)

Frequenz

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

Verstärker

Da die Sensorsignale trotzdem sehr klein sind (ca. 20 mV) ist ein nachgeschalteter DMS – Verstärker (im Bild 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 maximalen Nennbelastung (max. Messbereich) des Sensors.
An die Verstärker werden hohe Anforderungen gestellt, wie in unserem >entsprechenden Artikel erläutert wird.
Wenn Sie weitere Informationen benötigen, freuen wir uns auf Ihre >Kontaktaufnahme.

Eine Übersicht über die von SENSOCON angebotenen Kraftsensoren sehen Sie >hier.

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