Kraftsensoren

Was sind Kraftsensoren? 

Kraftsensoren, auch bekannt als Kraftaufnehmer oder Kraftmessdosen, dienen zur präzisen Erfassung mechanischer Kräfte wie Druck-, Zug- oder Biegebelastungen. Die ermittelten Messwerte werden in ein Ausgangssignal umgewandelt, das zur weiteren Verarbeitung oder Anzeige verwendet werden kann. Je nach Bauform und Einsatzgebiet ermöglichen sie eine zuverlässige Kraftmessung in Echtzeit.

Aufbau und Funktionsweise von Kraftsensoren

Ein Kraftsensor misst die Zug- und Druckkräfte, die auf den Sensor wirken. Typischerweise besteht ein Kraftsensor aus einem elastischen Federkörper, an dem ein Dehnungsmessstreifen angebracht ist. Wird eine Kraft auf den Sensor ausgeübt, verformt sich der Federkörper minimal. Diese Dehnung verändert den elektrischen Widerstand im Dehnungsmessstreifen, was ein proportional veränderbares Signal erzeugt. Dieses Signal dient als Basis zur Berechnung der tatsächlichen Krafteinwirkung, wobei Parameter wie Nennlast und Kalibrierung entscheidend sind

Arten von Kraftsensoren

Federkörper-Kraftsensor

Der Federkörper-Kraftsensor gehört zu den am häufigsten eingesetzten Typen. Er basiert auf einem elastischen Bauteil (Federkörper), das sich bei Krafteinwirkung minimal verformt. Diese Verformung wird mithilfe von Dehnungsmessstreifen gemessen. Diese Sensoren sind besonders langlebig, präzise und eignen sich hervorragend für den Einsatz in Wägezellen, Prüfständen und Maschinen.

Piezo-Kraftsensor

Piezoelektrische Kraftsensoren erzeugen bei Verformung eine elektrische Ladung. Das macht sie ideal für dynamische Messungen – etwa bei schnellen Kraftänderungen in Fertigungsstraßen oder bei Schwingungsanalysen. Diese Sensoren sind sehr empfindlich und können selbst kleinste Kräfte registrieren. Sie eignen sich hervorragend zur Prozessüberwachung und zur Integration in komplexe Steuerungssysteme.

Kraftsensor mit schwingenden Elementen

Diese Sensoren basieren auf der Messung von Frequenzänderungen in einem schwingenden Bauteil. Sobald eine Kraft auf dieses Element wirkt, verändert sich dessen Eigenfrequenz. Diese Änderung kann präzise ausgewertet werden. Sensoren mit schwingenden Elementen sind besonders präzise und temperaturstabil – ideal für High-End-Anwendungen in Forschung und Entwicklung.

Elektrodynamischer Kraftsensor

Ein elektrodynamischer Kraftsensor nutzt die Prinzipien der elektromagnetischen Induktion. Bei Krafteinwirkung wird durch die Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld eine Spannung induziert, die proportional zur Kraft ist. Diese Kraftaufnehmer sind sehr robust, reagieren schnell und sind bestens geeignet für dynamische Messaufgaben – etwa in Crash-Tests oder bei schnellen Produktionsprozessen.

Resistive Kraftaufnehmer

Resistive Kraftaufnehmer arbeiten nach dem Prinzip der Widerstandsänderung unter mechanischer Belastung. Sie basieren in der Regel auf Dehnungsmessstreifen. Resistive Kraftaufnehmer sind kosteneffizient, bewährt und äußerst zuverlässig. Sie finden sich in vielen industriellen Anwendungen wieder – etwa in der Robotik, im Maschinenbau und in der Medizintechnik.

Druckkraftsensoren

Druckkraftsensoren messen ausschließlich auf sie einwirkende Druckkräfte. Sie sind in der Lage, sehr hohe Kräfte auf kleinem Raum zu messen und werden häufig in der Maschinenüberwachung, bei Pressen oder in Wägezellen eingesetzt. Druckkraftsensoren bieten eine kompakte Bauform, hohe Genauigkeit und eine robuste Ausführung.

Zugkraftsensoren

Diese Sensoren sind speziell für die Messung von Zugkräften konzipiert. Sie kommen beispielsweise in Hebeanlagen, Fördertechnik oder bei Spannungsprüfungen zum Einsatz. Zugkraftsensoren sind häufig besonders langzeitstabil und bieten eine hohe Messsicherheit über große Bereiche.

Anwendungsbereiche von Kraftsensoren

Kraftsensoren sind in unterschiedlichsten Branchen und Anwendungen essenziell. Ihre Fähigkeit, Kräfte präzise zu erfassen, macht sie zu einem unverzichtbaren Bestandteil in vielen technischen Systemen:

• Industrielle Automation: In Fertigungsanlagen überwachen Kraftsensoren kontinuierlich Kräfte bei Montageprozessen oder beim Pressen von Bauteilen. Dadurch lassen sich Prozesse effizienter und sicherer gestalten.
• Maschinenbau: Kraftsensoren sorgen für die präzise Kontrolle von Belastungen in Maschinen und Anlagen – beispielsweise beim Spannen, Klemmen oder Schneiden.
• Medizintechnik: In Reha-Geräten, Prothesen oder bei Krafttests erfassen Sensoren die vom Patienten aufgebrachten Kräfte und ermöglichen individuelle Anpassungen.
• Luft- und Raumfahrt: Hier kommen besonders empfindliche Sensoren zum Einsatz, um mechanische Belastungen an tragenden Strukturen oder Triebwerken frühzeitig zu erkennen.
• Automobilindustrie: In Crash-Test-Anwendungen, auf Prüfständen oder bei der Fahrwerkentwicklung werden Kräfte exakt gemessen, um maximale Sicherheit zu garantieren.
• Forschung & Entwicklung: In wissenschaftlichen Experimenten oder der Werkstoffprüfung sind präzise Kraftmessungen entscheidend für belastbare Ergebnisse.
• Logistik und Fördertechnik: Kraftsensoren überwachen Spannungen an Hebezeugen, Kräften auf Förderbändern oder die Belastung in Regalsystemen.
• Bauwesen: Bei der Verformungsüberwachung von Brücken, Gebäuden oder anderen Tragwerken kommen sie zum Einsatz, um strukturelle Sicherheit zu gewährleisten.

Auswahlkriterien für Kraftsensoren 

Bei der Wahl des passenden Kraftsensors spielen verschiedene Faktoren eine Rolle. Zentrale Kriterien sind:

• Messbereich und maximale Nennlast
• Messrichtung (Druck, Zug oder beides)
• Bauform und Befestigungsart
• Temperaturbeständigkeit und Umwelteinflüsse
• Art des Ausgangssignals (analog, digital, Spannung, Strom)
• Messgenauigkeit und Kalibrierung

Wartung und Pflege von Kraftsensoren

Damit ein Kraftsensor dauerhaft zuverlässig arbeitet, ist regelmäßige Wartung entscheidend. Hier einige konkrete Maßnahmen:

• Kalibrierung: Sensoren sollten in regelmäßigen Abständen kalibriert werden, um Abweichungen durch Alterung oder äußere Einflüsse zu korrigieren. Je nach Einsatzbereich empfiehlt sich eine Kalibrierung jährlich oder halbjährlich.
• Sichtprüfung: Überprüfen Sie den Sensor regelmäßig auf Beschädigungen, Risse, lose Anschlüsse oder Korrosion – besonders in rauen Industrieumgebungen.
• Reinigung: Kraftsensoren sollten staub- und schmutzfrei gehalten werden. Verwenden Sie ein weiches Tuch und – wenn nötig – spezielle Reiniger, die das Gehäusematerial nicht angreifen.
• Schutz vor Überlast: Vermeiden Sie mechanische Überlastungen, indem Sie geeignete Schutzmechanismen (z. B. Überlastsicherungen) verwenden. Bei starken Kräften kann sonst der Federkörper dauerhaft deformiert werden.
• Temperatur und Feuchtigkeit: Achten Sie darauf, dass der Sensor im spezifizierten Temperaturbereich betrieben wird und nicht dauerhaft Feuchtigkeit ausgesetzt ist – auch wenn eine hohe Schutzart vorliegt.
• Kabel und Steckverbindungen prüfen: Besonders bei mobilen Anwendungen oder Vibrationen können sich Kabelverbindungen lockern. Ein fester Sitz der elektrischen Anschlüsse ist wichtig für ein sauberes Ausgangssignal.

Hersteller von Kraftsensoren

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• burster präzisionsmesstechnik: Das Unternehmen burster bietet sowohl Standardlösungen als auch kundenspezifische Entwicklungen und ist bekannt für hohe Qualitätsstandards in der industriellen Messtechnik.
• Lorenz Messtechnik: Lorenz Messtechnik ist spezialisiert auf hochgenaue Sensoren zur Messung von Kraft, Drehmoment und Druck. 
• arcol ohmitte: Arcol ist Teil der Ohmite-Gruppe und bekannt für hochwertige Dehnungsmessstreifen, Widerstände und Sensorelemente.

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