Inhalt 4 Kraft Gewichts und Drehmomentsensoren 4 1

Inhalt 4. Kraft-, Gewichts- und Drehmomentsensoren 4. 1 Überblick 4. 2. Kraft- und Gewichtssensoren, Wägezellen 4. 2. 1 Die elektrodynamische Kraftkompensation 4. 2. 2 Die schwingende Saite 4. 2. 3 DMS-Wägezellen 4. 2. 4 DMS-Applikationen für Beanspruchungsmessungen 4. 2. 5 Magnetoelastische Kraftaufnehmer 4. 3 Drehmomentsensoren 1

4. 1 Überblick Sensorprinzipien für kraftabhängige Größen 2

Klassifizierung der Messprinzipien für Kraft-, Gewichts- und Drucksensoren 3

4. 2. 1 Kraft- und Gewichtssensoren, Wägezellen Die elektrodynamische Kraftkompensation Historische Ausführung einer Kraftkomensationswaage Eine Waagschale ist mit einer quadratischen Spule ausgestattet, dergegenüber eine zweite Spule steht. Lässt man eine geeignete Stromstärke durch die Spulen fließen, so dass die Anziehung der Spulen durch Gewichtsstücke auf der anderen Waagschale ausgeglichen wird, so befindet sich die Waage im Gleichgewicht. Die Stromstärke ist ein Maß für das Gewicht. 4

Prinzipieller Aufbau einer heutigen Kraftkompensationswaage 5

Labor- und Analysewaagen nach dem Kraftkompensationsprinzip Quelle: Sartorius 6

4. 2. 2 Die schwingende Saite Eine gespannte metallische Saite kann durch elektromagnetische Anregung in Transversalschwingungen versetzt werden. In der Differenzanordnung werden durch Federn zwei Saiten vorgespannt und zum Schwingen angeregt. Das Gewicht führt zu einer zusätzlichen Spannung der oberen Saite und zu einer teilweisen Entlastung der unteren. 7

Die Differenzbildung ist ein ganz wichtiges Mittel zur Linearisierung bei gerichteten Größen wie Kraft, Weg, usw. Während, wie bei der einzelnen Schwingsaite das Signal f unlinear von der Messgröße m abhängt, ist die Differenz unter bestimmten Voraussetzungen linear. Auf die einzelnen Saiten wirke die zu messende Gewichtskraft FG einmal zusätzlich zur konstanten Vorspannkraft F 0 und das andere Mal entlastend. Die Lösungen ergeben sich folglich zu: nun Differenzbildung: d. h. die Differenz ist linear !! 8

4. 2. 3 DMS-Wägezellen 9

Dehnungsmessstreifen 10

Zunächst zu den Federkörpern Spannungs-Dehnungs-Diagramm und Elastizitätsmodul einiger gebräuchlicher Federmaterialien 11

Geometrien für Kraft- und Gewichtssensoren 12 Quelle: Vishay

Geometrien für Kraft- und Gewichtssensoren Quelle: Vishay 13

Quelle: Vishay 14

Dehnungsmesswiderstände Quelle: Vishay DMS 15

16

Wheatstonesche Brückenschaltung für DMS 17

Wägezellen mit DMS Biegebalken 5 kg - 300 kg Wägezelle 20 kg - 5 to Extrem flache Wägezelle S-förmige Wägezelle 50 kg - 3 to Quelle: Sartorius 18 Wägezellenfamilie 500 kg - 200 to

Ein Anwendungsbeispiel für Kraftsensoren Ortsauflösende Kraftsensorplatte Anwendung: Fahrkartenautomat, Platte aus Panzerglas als Touchscreen vor einem Bildschirm 19

4. 2. 4 DMS-Applikationen für Beanspruchungsmessungen Mondlandefähre Mountain Bike Quelle: HBM 20

4. 2. 5 Quelle: Asea Magnetoelastische Kraftaufnehmer 21

4. 3 Drehmomentsensoren Drehmoment Typischer Einsatz von Drehmomentsensoren : Charakterisierung von Motoren 22

Möglichkeiten der Drehmomentmessung Abstützkraft messen bei drehbar gelagertem Motor Optisch inkrementale Methode 23

Drehmomentsensor mit DMS Verformungskörper für Torsion Dehnungsmessstreifen 24

Torsion einer Messwelle Das Drehmoment M kann also durch Messung der Dehnung an der Oberfläche der Messwelle bestimmt werden. Betragsmäßig maximale Dehnung bei einem gegebenem Moment erhält man, wenn der Betrag von sin(2 ) gleich 1 ist, also bei = +/- 45°. maximale Dehnung = +/- 45° Hauptdehnungsrichtungen 25

26

27

Anwendung von Drehmomentsensoren Prüfstand für kleine Elektromotoren Motorkennlinie 28

Beispiel für komplette Motorkennliniendarstellung 29