Wie funktioniert ein Kraftsensor?
Ein Kraftsensor dient dazu, mechanische Kräfte wie Druck-, Zug- oder Gewichtskräfte präzise zu erfassen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Die Sensoren kommen in zahlreichen industriellen Anwendungen zum Einsatz und ermöglichen eine zuverlässige Messung von Belastungen, Gewichten und Kräften.
Das Grundprinzip der Kraftmessung
Die meisten Kraftsensoren arbeiten nach dem Prinzip der elastischen Verformung. Wird eine Kraft auf den Sensor ausgeübt, verformt sich ein speziell ausgelegter Messkörper geringfügig. Diese Verformung ist für das menschliche Auge nicht sichtbar, kann jedoch mit hochpräzisen Messverfahren erfasst werden.
Die Stärke der Verformung steht dabei in direktem Verhältnis zur aufgebrachten Kraft. Je höher die Belastung, desto größer die Verformung des Messkörpers.
Dehnungs-Messstreifen (DMS) als Messelement
Zur Erfassung dieser Verformung werden in den meisten Kraftsensoren sogenannte Dehnungs-Messstreifen (DMS) eingesetzt. Diese bestehen aus dünnen elektrischen Leiterbahnen, die fest mit dem Messkörper verbunden sind.
Wird der Messkörper belastet, dehnen oder stauchen sich die Dehnungs-Messstreifen. Dadurch verändert sich ihr elektrischer Widerstand. Diese Widerstandsänderung ist proportional zur aufgebrachten Kraft und bildet die Grundlage der Messung.
Die Wheatstone-Brücke
Die Widerstandsänderungen der Dehnungs-Messstreifen werden über eine sogenannte Wheatstone-Brücke erfasst. Diese spezielle Schaltung wandelt die sehr kleinen Widerstandsänderungen in eine messbare Spannungsänderung um.
Das entstehende Ausgangssignal liegt typischerweise im Millivolt-Bereich (mV/V) und kann anschließend von einem Messverstärker weiterverarbeitet werden.
Signalverstärkung und Auswertung
Da das Sensorsignal sehr klein ist, wird es häufig durch einen Messverstärker verstärkt. Der Verstärker wandelt das Signal in normierte Ausgangssignale um, beispielsweise:
- 0–10 V
- ±5 V
- 0–20 mA
- 4–20 mA
- RS232
- RS485
- Ethernet
- Profibus
Diese Signale können anschließend von SPS-Steuerungen, Anzeigegeräten oder Computersystemen ausgewertet werden.
Welche Kräfte können gemessen werden?
Je nach Bauform und Auslegung eignen sich Kraftsensoren für unterschiedliche Messaufgaben:
- Druckkräfte
- Zugkräfte
- Scherkräfte
- Gewichtskräfte
- Dynamische Belastungen
- Statische Belastungen
Vorteile moderner Kraftsensoren
- Hohe Messgenauigkeit
- Langzeitstabile Messergebnisse
- Robuste Bauweise
- Hohe Überlastsicherheit
- Einfache Integration in bestehende Systeme
- Geeignet für Industrie- und Prozessanwendungen
Typische Einsatzgebiete
Kraftsensoren werden in zahlreichen Branchen eingesetzt:
- Behälter- und Siloverwiegung
- Maschinen- und Anlagenbau
- Prüf- und Messtechnik
- Automatisierungstechnik
- Produktionsüberwachung
- Plattformwaagen
- Dosier- und Abfüllanlagen
Fazit
Ein Kraftsensor wandelt mechanische Kräfte über die Verformung eines Messkörpers in ein elektrisches Signal um. Mithilfe von Dehnungs-Messstreifen und einer Wheatstone-Brücke können selbst kleinste Belastungen präzise erfasst werden. Dadurch sind Kraftsensoren unverzichtbare Komponenten in der modernen Industrie-, Mess- und Wägetechnik.