Mehrkomponenten-Kraftsensor


Was ist ein Mehrkomponenten-Kraftsensor?

Piezoelektrische Mehrkomponenten-Kraftsensoren messen Kräfte und/oder Momente entlang einer oder mehreren orthogonalen Achsen im Raum. Üblicherweise unterscheidet man drei verschiedene Bauweisen:

  • Zwei-Komponenten Sensoren messen Druck- und Zugkräfte (+/- Fz) sowie das um diese Raumachse wirkende Drehmoment Mz. 
  • Drei-Komponenten Sensoren erfassen alle Kräfte entlang den drei räumlichen Achsen x, y und z: Druck- und Zugkräfte (+/- Fz) sowie Schub- und Scherkräfte (+/- Fx, Fy)
  • Der sechs-Komponenten Sensor messen alle Kräfte (+/- Fz, Fx, Fy) plus alle Momente (Mz, Mx, My) entlang jeder beliebigen Raumachse.

Umgangssprachlich werden Mehrkomponenten Sensoren auch als mehr-„achsig“ bezeichnet, nicht zuletzt durch den Einfluss aus dem englischen Sprachraum. 

So misst ein Zwei-Achsen Sensor nicht zwingend die Kräfte in zwei orthogonalen Richtungen, sondern gegebenenfalls zwei unterschiedliche Messgrössen (Kraft und Moment) entlang derselben räumlichen Achse erfassen.

Wie werden Mehrkomponenten-Kraftsensoren eingesetzt?

Zwei- und vor allem Sechs-Komponenten Sensoren werden einzeln verbaut, nur so sind sie voll funktionstüchtig und spielen den Vorteil ihrer kompakten Bauweise aus. Auch Drei-Komponenten Kraftsensoren werden oft einzeln eingesetzt. Werden aber die zu messenden Kräfte z.B. durch lange Hebel von zusätzlichen Momenten überlagert, setzt man aus Stabilitätsgründen 3 oder mehr Sensoren zusammen ein. Ein vorteilhafter Nebeneffekt einer solchen Kraftmessplattform resp. eines solchen Dynamometers ist dabei, dass die wirkenden Momente rechnerisch ebenfalls erfasst werden können. 

Welche Vorteile bieten Mehrkomponenten-Kraftsensoren?

  • Komplexe Messungen entlang mehrerer Kraftachsen
  • Hohe Steifigkeit, dadurch hohe Eigenfrequenz
  • Dauerfestigkeit
  • Hohe Belastbarkeit
  • Kompakte Bauform

Wie wird ein piezoelektrischer 2-Komponenten-Kraft-/Moment-Sensor eingesetzt?

Ein piezoelektrischer zweiachsiger Kraft-/Moment-Sensor (Miniatur) dient zum Beispiel dem:

  • Messen von Vorschubkraft- und Momenten beim Bohren, Gewindeschneiden usw.
  • Überwachen von Schraubvorgängen und Prüfen von Schraubverbindungen
  • Prüfen von Federn (Torsion)
  • Durchführen von Messungen an kleinen Drucklagern, Rutschkupplungen usw.
  • Messen von Anlaufmomenten, Gleichlaufschwankungen und Torsionsvibrationen an Kleinservo- und Schrittmotoren
  • Prüfen von Drehschaltern und Schraubverschlüssen

Wie werden piezoelektrische 3-Komponenten-Kraftsensoren eingesetzt?

Piezoelektrische 3-Komponenten-Kraftsensoren aus Quarz messen einfach, direkt und genau. Sie finden ihre Anwendung in der Messung von:

  • Zerspankräften bei spanabhebenden Prozessen
  • Aufprallkräften bei Crashtests
  • Rückstoßkräften von Raketenmotoren
  • Vibrations- und Reibungskräften
  • Bodenreaktionskräften in der Biomechanik
  • Fahrzeugkräften auf Straße und Prüfstand
  • Kräften an Windkanalwaagen

Wie werden sechsachsige Kraft-/Momenten-Sensoren angewendet?

Ein sechsachsiger Kraft-/Momenten-Sensor misst zum Beispiel:

  • Kräfte und Momente bei der Prüfung von Federn und Dämpfungselementen
  • Dynamische Kräfte und Momente bei der Prüfung von Prothesen 
  • Kräfte und Momente bei der Produktprüfung 
  • Dynamische Kräfte und Momente an Objekten im Windkanal 
  • Kräfte und Momente bei Montagevorgängen mit Robotern
Mehrkomponenten-Kraftsensoren messen dynamischen Kräfte und Momente, die im Windkanal auf Flugtragzeugtragflächen einwirken.
Piezoelektrische Mehrkomponenten-Kraftsensoren, hier ein sechsachsiger Kraft-/Momenten-Sensor, finden in Windkanaltests Anwendung, um das Verhalten von Flugzeugtragflächen unter kritischen aerodynamischen Lasten zu ermitteln. Eingebaut in modellhafte Versuchsaufbauten, messen die Sensoren die dynamischen Kräfte und Momente, die unter verschiedenen Umströmungsbedingungen auf diese einwirken.