Kraftsensoren. Seminararbeit vorgelegt von

Fachbereich 4: Informatik Kraftsensoren Seminar: Sensoren Sommersemester 2009, Thema: Kraftsensoren Seminararbeit vorgelegt von Andreas Stahlhofen Betreuer: Dr. Merten Joost Institut für Integrierte Naturwissenschaften Abteilung Physik Koblenz, im August 2009

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Sensorik 2 2.1 Sensor.................................... 2 2.2 Messtechnik................................. 3 2.2.1 Messsystem, Messmethode und Messprinzip.......... 3 2.2.2 Messgröße.............................. 3 3 Kraftsensoren 4 3.1 Physikalische Grundlagen......................... 4 3.2 Direkte Kraftsensorprinzipien....................... 5 3.2.1 Piezoelektrischer Sensor...................... 6 3.2.2 Piezoresistiver Sensor....................... 7 3.2.3 Magnetoelastischer Sensor.................... 8 3.3 Indirekte Kraftsensorprinzipien...................... 9 3.3.1 Schwingsaiten-Kraftsensoren................... 9 3.3.2 DMS-Kraftsensoren........................ 10 3.3.3 Induktive Kraftsensoren...................... 11 3.4 Kraftsensoren in der Praxis........................ 13 3.4.1 Biegebalken Kraftsensor Typ 410 von Huba Control...... 14 4 Fazit 16 5 Abkürzungsverzeichnis 17 i

Abbildungsverzeichnis 3.1 Übersicht über Sensorprinzipien zur Kraftmessung (Quelle: [Czi07] Bild 5.41)................................... 5 3.2 Piezoelektrischer Effekt (a) und Prinzipskizze eines piezoelektrischen Sensors (b) (Quelle: [Par07] Bild 10-27).................. 6 3.3 Funktionsweise eines piezoresistiven Sensors (a) P1=P2 (b) P1<P2 (Quelle: In Anlehnung an [mphat06] Abb. 3.10)............... 7 3.4 Vergrößerung der Weiss-Bezirke durch die Ausrichtung mehrerer Domänen über ein externes magnetisches Feld (Quelle: [wbe09] Bild 3-20) 8 3.5 Ideale Bauform eines magnetoelastischen Kraftsensors (Quelle: [SH04] Bild 3-20)................................... 8 3.6 Übersicht über Sensorprinzipien zur Kraftmessung (Quelle: [Czi07] Bild 5.41)................................... 9 3.7 Prinzipien und technische Ausführungsarten indirekter Kraftsensoren (Quelle: [Czi07], Bild 5.43)....................... 9 3.8 Kraftmessdose mit Dehnungsmessstreifen (DMS) (Siemens) (Quelle: [HC07], Kapitel H32 3.3.2)......................... 11 3.9 a) induktiver Kraftsensor in Ausgangslage b) induktiver Kraftsensor unter Krafteinfluss (Quelle: [Czi07], in Anlehnung an Bild 5.43)... 12 3.10 Prinzip des Rasterkraftmikroskops zur Detektion von Kräften < mn (Quelle: [Czi07], Bild 5.44)......................... 13 3.11 Zähler auf der Basis von PVDF-Folie (Quelle: [SH04], Bild 3-19)... 13 3.12 Darstellung der Kraft im Mega-Newton Bereich (Quelle: [Czi07], Bild 5.44)...................................... 14 3.13 Datenblatt Biegebalken Kraftsensor Typ 410 (Quelle: [Con09]).... 14 ii

Kapitel 1 Einleitung Sensoren sind in der heutigen Zeit nicht mehr wegzudenken. Zum Einen werden sie benötigt, um Maschinen die Fähigkeit des Messens zu verleihen, des Weiteren ist die Genauigkeit der menschlichen Sinnesorgane begrenzt und immer häufiger benötigt man möglichst genaue Messwerte. Für jede zu messende Größe gibt es wiederum eine Reihe von Sensoren. Diese verwenden unterschiedliche Vorgehensweisen, um den entsprechenden Messwert zu ermitteln. Die vorliegende Arbeit befasst sich sepziell mit Kraftsensoren. Diese werden in einer Vielzahl von Gebieten verwendet, beispielsweise zum Ermitteln des Gewichts bei handelsüblichen Waagen, bei der Überwachung der Traglast bei Kranen und Baggern oder zum Messen des Reaktionsmomentes von Wasserwirbelbremsen, welche als Leistungsbremsen auf Motorenprüfständen eingesetzt werden. Die Arbeit ist wie folgt gegliedert. Der erste Teil befasst sich allgemein mit dem Thema Sensorik. Es wird die Bedeutung der Begriffe Messtechnik, Messgröße und Messprinzip erläutert. Ebenso wird die Unterscheidung zwischen aktiver und passiver Messtechnik erläutert. Im zweiten Teil geht es speziell um Kraftsensoren. Zu Beginn wird der Begriff Kraft hinsichtlich des physikalischen Hintergrunds erläutert. Anschließend werden die von Sensoren verwendeten Möglichkeiten zur Bestimmung der Kraft besprochen. Abschließend wird das Datenblatt eines Kraftsensors gezeigt und zur Veranschaulichung der möglichen Einsatzgebiete drei Beispiele aus der Praxis aufgeführt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, dem Leser ein grundsätzliches Verständnis der Technologie zu geben, die er auch im Alltag wiederfinden kann. Er sollte eine grobe Vorstellung über die Möglichkeiten haben, die beispielsweise eine Waage verwendet um das zu wiegende Gewicht zu bestimmen. 1

Kapitel 2 Sensorik Es gibt insgesamt mehr als 100 verschiedene physikalische Größen, welche mit Hilfe eines Sensors gemessen werden können. Werden noch Sensoren für chemische Substanzen mit einbezogen, so wächst die Zahl weiter. Derzeit unterscheidet man etwa 2000 grundlegende Sensortypen, welche wiederum in 100 000 Varianten weltweit zum Verkauf angeboten werden. Damit man sich bei einem Angebot solcher Größenordnung zurechtfindet, müssen vorerst einige Definitionen und Klassifizierungen festgelegt werden. 1 2.1 Sensor Der Begriff Sensor kann aus dem englischen Begriff sense (= Sinnesorgan) bzw. aus dem lateinischen Verb sentire (= fühlen, empfinden) abgeleitet werden. Ein Sensor hat die gleiche Aufgaben wie die menschlichen Sinnesorgane. Diese nehmen physikalische Zustände der Umwelt auf und senden sie in Form von elektrischen Reizen an das Gehirn. Daraufhin kann eine Folgereaktion entstehen, wie beisielsweise das Zurückziehen des Arms beim Berühren einer heißen Herdplatte. Ein Sensor kann ebenfalls die Aufgabe haben, eine physikalische Größe aus der Umwelt zu bestimmen und das Ergebnis in Form elektrischer Signale einem übergeordneten System mitzuteilen. Abgeleitet aus einem ähnlichen Sachverhalt, wird in [Rod06] folgende Definition festgelet. Ein Sensor wandelt die zu messende physikalische Größe und ihre Änderungen in elektrische Größen und ihre Änderungen um und verarbeitet diese so, dass sie leicht übertragen und weiterverarbeitet werden können. 2 1 siehe [Rod06], Seite 148 2 siehe [Rod06], Seite 149 2

2.2. MESSTECHNIK 3 2.2 Messtechnik Die Messtechnik befasst sich mit der Messung physikalischer Größen und ist ein Oberbegriff für drei Teilgebiete, welche bei der Sensorik eine wichtige Rolle spielen. Zum Einen die Entwicklung der Messsysteme inklusive der Messmethoden, des Weiteren die Beschreibung der zu ermittelnden Messgröße und schließlich die Beschreibung und Bewertung der Ergebnisse der Messung. Die Messtechnik unterteilt sich weiter in die direkte und indirekte Messtechnik. Bei der direkten Messtechnik wird der gemessene Wert unmittelbar mit einem Normal oder Maßstab verglichen. Im Gegensatz dazu kann bei der indirekten Messtechnik der Wert der zu bestimmenden physikalischen Größe nicht direkt ermittelt werden, sondern muss durch die Messung einer anderen Größe bestimmt werden. 1 2.2.1 Messsystem, Messmethode und Messprinzip Als Messsystem wird die Gesamtheit von Messmethode, Mensch und Umwelt betrachtet. 2 Hierbei wird als Messmethode die allgemeine Vorgehensweise für die Durchführung der Messung betrachtet. Diese Methoden müssen nicht zwingend eine konkrete physikalische Realisierung beschreiben. 3 Als Messprinzip wird die physikalische Grundlage der Messung bezeichnet. Die genaue Definition in der Norm DIN 1319-1:1995; Nr. 2.2 lautet: Das Messprinzip erlaubt es, anstelle der Messgröße eine andere Größe zu messen, um aus ihrem Wert eindeutig den der Messgröße zu ermitteln. Es beruht auf einer immer wieder herstellbaren physikalischen Erscheinung (Phänomen, Effekt) mit bekannter Gesetzmäßigkeit zwischen der Messgröße und der anderen Größe. 4 2.2.2 Messgröße Die phyikalische Größe, deren Wert mit Hilfe der Messung ermittelt werden soll, wird Messgröße genannt. Beispiele für Messgrößen sind Weg, Temperatur oder Kraft. Der Messvorgang besteht darin, die vor der Messung unbekannte Quantität der Messgröße zu bestimmen. Man vergleicht dazu die Quantität einer bereits festgelegten Maßeinheit mit der Messgröße. Die aus diesem Vergleich resultierende Zahl gibt an, wie oft die Maßeinheit in der Messgröße enthalten ist. Die Zahl mit der Maßeinheit multipliziert ergibt den Messwert. 5 1 siehe [WIK09d] 2 siehe [WIK09c] 3 siehe [Par07], Seite 30 4 siehe [WIK09b] 5 siehe [Rod06], Seite 151

Kapitel 3 Kraftsensoren Mit einem Kraftsensor kann eine Kraft gemessen werden, die auf diesen Sensor wirkt. Er ist in der Lage sowohl Zugkräfte als auch Druckkräfte zu bestimmen. 1 Kraftsensoren können mit Hilfe verschiedener Messprinzipien eine wirkende Kraft messen. Im foglenden werden diese Wirkungsprinzipien als Kraft-Sensorprinzipien bezeichnet. Man unterteilt sie in direkte und indirekte Kraft-Sensorprinzipien. 2 3.1 Physikalische Grundlagen Die Kraft ist eine verktorielle physikalische Größe und wird mit dem Buchstaben F bezeichnet. Die verwendete Einheit ist Newton (N). Jede Kraft besitzt eine Größe, eine Richtung und einen Angriffspunkt. Bei der Einwirkung auf eine Masse wird entweder eine Bewegunsänderung oder eine Verformung bewirkt. Zur Veranschaulichung der Kraft wird meist der aus dem zweiten Newtonschen Gesetz folgende Zusammenhang zur Beschleunigung aufgegriffen. F = m a [N] = [kg] [m s 2 ] Darauf bezogen wird eine Kraft von einem Newton benötigt, um einen ruhenden Körper der Masse 1 kg innerhalb einer Sekunde gleichmäßig auf eine Geschwindigkeit von 1 m s 1 zu beschleunigen. 3 1 siehe [WIK09a] 2 siehe [Czi07], Seite 96 3 siehe [Czi07], Seite 96 4

3.2. DIREKTE KRAFTSENSORPRINZIPIEN 5 Die heutige Physik unterteilt die Kraft in vier Grundkräfte: 1 starke Wechselwirkung - z.b. beim Zusammenhalt von Atomkernen schwache Wechselwirkung - z.b. bei der Radioaktivität von Stoffen elektromagnetische Kraft - z.b. als Reibung zwischen zwei Oberflächen von Körpern, als elektormotorische Kraft, welche Elektronen durch einen Leiter treibt Gravitationskraft - allgemein die Anziehung von Massen, z.b. die Erdanziehungskraft 3.2 Direkte Kraftsensorprinzipien Direkte Kraftsensorprinzipien basieren auf intrinsischen(= von innen herkommend ) mechano-elektrischen Effekten eines Körpers. Es ändert sich das Ladungsgleichgewicht, der elektrische Widerstand oder die elektrische Induktivität innerhalb dieses Körpers in Abhängigkeit der auf ihn einwirkenden Kraft (vgl. Abbildung 3.1). 2 Abbildung 3.1: Übersicht über Sensorprinzipien zur direkten Kraftmessung (Quelle: [Czi07] Bild 5.41) 1 siehe [Kos08] 2 siehe [Czi07], Seite 96

3.2. DIREKTE KRAFTSENSORPRINZIPIEN 6 3.2.1 Piezoelektrischer Sensor Diese Art von Sensor nutzt den piezoelektrischen Effekt. Bei der Krafteinwirkung auf ein kristallines Material können nachweisbare Ladungsverschiebungen gemessen werden. Stark vereinfacht kann man sich den Effekt mit Auftreten von Gitterverschiebungen im Kristall unter Krafteinwirkung erklären, welche eine Störung der sonst gleichverteilten Ladung bewirken (vgl. Abbildung 3.2). Abbildung 3.2: (a) Piezoelektrischer Effekt (b) Prinzipskizze eines piezoelektrischen Sensors (Quelle: [Par07] Bild 10-27) Die zu messende Ladung wird mittels der Gleichung Q = k p F bestimmt, wobei k p die piezoelektrische Konstante, auch Piezomodul genannt, ist. Aus dieser Gleichung geht hervor, dass Q F ist und somit anhand der gemessenen Ladungsverschiebung die resultierende Kraftänderung ermittelt werden kann. Die Ladung ist jedoch nicht direkt messbar. Sie wird über eine Kapazität in eine proportionale Spannung U q überführt. Mit Hilfe des Zusammenhangs Q = C U q => U q = Q C = kp F C lässt sich nun mittels dieser Spannung direkt auf die Kraft schließen. Piezoelektrische Sensoren eigenen sich vor allem zum Messen von dynamischen Kräften mit einer Änderungsfrequenz von bis zu 60 khz. Da die von der Messung erzeugte Ladung in Abhängigkeit von der Zeit abfließt, erzielt dieses Kraftsensorprinzip schlechte Messergebnisse beim Messen von statischen konstanten Kräften. 1 1 siehe [Par07], Seite 155f.

3.2. DIREKTE KRAFTSENSORPRINZIPIEN 7 3.2.2 Piezoresistiver Sensor Der Piezoresistive Effekt bezeichnet die Änderung des spezifischen Widerstandes eines Halbleiterkristalls unter Druck- oder Zugbelastung. Vereinfacht dargestellt vergrößert bzw. verkleinert sich der Abstand der Atome im Kristallgitter und damit ändert sich der Bandabstand und die Form der Bänder des Halbleiters. Folglich ändert sich die Anzahl der Elektronen im Leitungsband sowie die Beweglichkeit der Ladungsträger aufgrund der Krafteinwirkung. Resultierend aus diesen Effekten verändert sich der Widerstand. 1 Abbildung 3.3: Vereinfachte Darstellung der Funktionsweise eines piezoresistiven Kraftsensor (Quelle: In Anlehnung an [mphat06] Abb. 3.10) In Abb. 3.3 wird der wichtigste Bestandteil eines Kraftsensors, der mit dem piezoresistiven Effekt arbeitet, gezeigt, nämlich die Silikonmembran. Teil (a) zeigt die Ausgangslage der Membran bei einem Kräftegleichgewicht. Im Gegensatz dazu wirkt in Teil (b) die Kraft F2 stärker, weshalb die Membran nach oben ausgedehnt wird. Hierdurch ändert sich der spezifische Widerstands des Silikons, welchen man durch Anlegen einer Spannung an die Halterungen der Membran ermitteln kann. Die Veränderung des Widerstandes verhält sich dabei proportional zur Kraftdifferenz. Der piesoresistive Kraftsensor ist sehr empfindlich, weshalb auch kleinste Kraftänderungen bestimmt werden können. Sie eignen sich gut dazu, statische konstante Kräfte zu messen. Jedoch ist ein Nachteil die Temperaturanfälligkeit, die nur begrenzt mit Hilfe bestimmter Widerstandsschaltungen kompensiert werden kann. 2 1 siehe [Hil06], Seite 139 2 siehe [?]

3.2. DIREKTE KRAFTSENSORPRINZIPIEN 8 3.2.3 Magnetoelastischer Sensor Bei dem magnetoelastischen Kraft-Sensorprinzip wird der magnetoelastische Effekt bei ferromagnetischen Körpern verwendet. Durch das Einwirken einer Kraft auf einen solchen Körper, erfährt dieser eine Deformation, wodurch sich sein Magnetfeld ändert. Abbildung 3.4: Schematische Darstellung der Domänen eines ferromagnetischen Materials (Quelle: [wbe09]) Ein ferromagnetischer Körper besteht aus mikroskopisch kleinen magnetisierten Domänen (vgl. Abbildung 3.4). Falls dieser Körper eine Kraft erfährt, ändert sich seine Form. Damit einhergehend verändert sich die magnetische Ausrichtung der Domänen. Diese Reaktion löst die zuvor angesprochene Änderung des Magnetfeldes bzw. der Feldstärke des ferromagnetischen Körpers aus. Abbildung 3.5: Ideale Bauform eines magnetoelastischen Kraftsensors (Quelle: [SH04] Bild 3-20) Abbildung 3.5 zeigt den Querschnitt eines magnetoelastischen Kraftsensors. Der aktive Körper besteht aus ferromagnetischen Material. Wie zuvor erläutert, ändert sich unter eine Krafteinwirkung (F) die Feldstärke des aktiven Körpers. Dadurch wird in der eingebetteten Spule mittels Induktion eine Spannung erzeugt. Der Zusammenhang zwischen der ausübenden Kraft und der induzierten Spannung weist eine gute Linearität auf. Folglich kann somit durch Messung der Spannung der Betrag der Krafteinwirkung ermittelt werden. 1 1 siehe [SH04], Seite 141f.

3.3. INDIREKTE KRAFTSENSORPRINZIPIEN 9 3.3 Indirekte Kraftsensorprinzipien Bei der Messung der Kraft mittels indirekten Kraft-Sensorprinzipien werden Zwischengrößen zur Kraftdetektion genutzt. Mögliche Abläufe einer solchen Messung werden in Abblidung 3.6 gezeigt und in den folgenden Kapiteln erläutert. 1 Abbildung 3.6: Übersicht über Sensorprinzipien zur indirekten Kraftmessung (Quelle: [Czi07] Bild 5.41) 3.3.1 Schwingsaiten-Kraftsensoren Ein Schwingsaiten-Kraftsensor ermittelt den Betrag der wirkenden Kraft mit Hilfe einer gespannten metallischen Saite. Der schematische Aufbau eines solchen Sensors wird in Abbildung 3.7 dargestellt. Abbildung 3.7: Aufbau eines Schwingsaiten-Kraftsensors (Quelle: [Czi07], Bild 5.43) Die gespannte Saite wird z.b. elektromagnetisch zur transversalen Schwingung angeregt. Die Grundfrequenz f der schwingenden Saite ist f = 1 2l σ ϱ ( l Länge bei ungespanntem Zustand, σ mechanische Spannung, ϱ Dichte des Saitenmaterials). 1 siehe [Czi07], Seite 96

3.3. INDIREKTE KRAFTSENSORPRINZIPIEN 10 Die Formel für die mechanische Spannung σ in Abhängigkeit der Spannkraft F und dem Durchmesser d der Saite lautet σ = F /( π 4 d2 ). Eingesetzt in die Formel für die Grundfrequenz f der Schwingnug ergibt sich folgender Zusammenhang: f = 2l 1 F = 1 π 4 d2 ϱ ld Die Schwingsaite ist nun mit der Kraft F 0 vorgespannt und schwingt mit der Grundfrequenz f 0. Erfährt der Sensor nun eine Kraft F, so ändert sich die Frequenz und die Saite schwingt nun mit der neuen Frequenz f. Aus F πϱ f = 1 F 0 +F und f ld πϱ 0 = 1 ld ergibt sich durch Quadrieren der Formeln und anschließendes Dividieren durcheinander ( ) 2 F f F 0 = f 0 1. Da der eingebaute Schwingfrequenzsensor die neue Frequent ermitteln kann, lässt sich mit Hilfe der Formel die einwirkende Kraft berechnen. 1 F πϱ 3.3.2 DMS-Kraftsensoren Beim Messen der Kraft mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen (DMS) wird wieder auf das Prinzip der Änderung des spezifischen Widerstandes bei Dehnung oder Stauchung eines Körpers zurückgegriffen. Wirkt an einem Stab mit dem Querschnitt A Die Zug- oder Druckkraft F, so entsteht in diesem eine mechanische Spannung σ. Diese bewirkt innerhalb des Elastizitätsbereiches eine proportionale Dehnung ɛ = σ E. 1 siehe [HC07], Seite 1285f.

3.3. INDIREKTE KRAFTSENSORPRINZIPIEN 11 Abbildung 3.8: Kraftmessdose mit Dehnungsmessstreifen (DMS) (Siemens) (Quelle: [HC07], Kapitel H32 3.3.2) In Abbildung 3.8 sind insgesamt vier DMS auf einem Hohlzylinder mittels eines Spezialklebers aufgeklebt. Zwei der angebrachten DMS sind in Kraftrichtung, die anderen beiden senkrecht dazu. Der Hohlzylinder wird durch die Messkraft gestaucht, wodurch im Idealfall die DMS in Kraftrichtung eine Längsdehnung ɛ l = σ E = F AE erfahren und die DMS senkrecht dazu eine kleinere Querdehnung ɛ q = µɛ l (F Messkraft, A Querschnittsfläche des Stauchzylinders, E Elastizitätsmodul, µ Poisson- Zahl). Der Widerstand der DMS in Kraftrichtung verringert sich dabei, der Widerstand der DMS senkrecht dazu vergrößert sich hingegen. Durch Anordnung der vier DMS in einer sogenannten Brückenschaltung 1, erreicht man die maximale Empfindlichkeit und somit ein genaueres Messergebnis. Die Änderung des Widerstands ist annähernd proportional zur mechanischen Spannung. So lässt sich die Kraft mit Hilfe der Formel für die mechanische Spannung ermitteln. 2 3.3.3 Induktive Kraftsensoren Induktive Kraftsensoren führen die Kraftmessung über einen Federdiagrammzusammenhang auf eine Wegmessung mit induktiven Wegsensoren zurück. Abbildung 3.9a zeigt den schematischen Aufbau eines solchen Kraftsensors in der Ausgangslage. Die Bauweise ist ähnlich der eines reinen induktiven Wegsensors. Der Unterschied liegt darin, dass die Auslenkung des Taststiftes über die Zugstange mit Hilfe einer Federmembran zu Stande kommt (vgl. 3.9b). 1 zum Weiterlesen siehe [HC07], Kapitel H56 4.2 2 siehe [HC07], Kapitel H32 3.3.2

3.3. INDIREKTE KRAFTSENSORPRINZIPIEN 12 Abbildung 3.9: a) induktiver Kraftsensor in Ausgangslage b) induktiver Kraftsensor unter Krafteinfluss (Quelle: [Czi07], in Anlehnung an Bild 5.43 ) Wie man dem abgebildeten Federdiagramm in Abbildung 3.9b entnehmen kann, ist die Kraft F proportional zur Auslenkung s. Folglich kann man durch Bestimmen von s auf F schließen. Die Auslenkung wird indirekt über die abgegriffene Messspannung U M beschrieben. Diese Spannung kommt zum Einen durch die speisende Spannung U 0 und zum Anderen aus der induzierten Spannung, die durch Auslenkung des magnetischen Taststiftes im Spulenkörper erzeugt wird, zu Stande. Somit kann also die einwirkende Kraft F indirekt durch die Messspannung U M berechnet werden.

3.4. KRAFTSENSOREN IN DER PRAXIS 13 3.4 Kraftsensoren in der Praxis In der Praxis werden Kraftsensoren in vielen Bereichen eingesetzt. Hier unterscheiden sie sich vor allem in der Dimension des Messbereichs. Im Folgenden sind drei Beispiele aufgeführt, welche diese Unterscheidung verdeutlichen und wo sich die Kraftmessung in Bereichen von nano-newton bis hin zu Mega-Newton aufhält. Abbildung 3.10: Prinzip des Rasterkraftmikroskops zur Detektion von Kräften < mn (Quelle: [Czi07], Bild 5.44 ) Abbildung 3.11: Zähler auf der Basis von PVDF-Folie (Quelle: [SH04], Bild 3-19)

3.4. KRAFTSENSOREN IN DER PRAXIS 14 Abbildung 3.12: Darstellung der Kraft im Mega-Newton Bereich (Quelle: [Czi07], Bild 5.44 ) 3.4.1 Biegebalken Kraftsensor Typ 410 von Huba Control Abbildung 3.13: Datenblatt Biegebalken Kraftsensor Typ 410 (Quelle: [Con09]) Der in Abbildung 3.13 gezeigte Biegebalken Kraftsensor vom Typ 410 des Herstellers Huba Control arbeitet nach dem Piezoresistiven Effekt. Die Widerstände sind auf dem Biegebalken (3) angebracht, wo die Widerstandsänderung mittels einer Brückenschaltung ermittelt wird. Der Angriffspunkt für die Kraft wird von der angebrachten Kugel (4) zur Verfügung gestellt.

3.4. KRAFTSENSOREN IN DER PRAXIS 15 Der Sensor misst je nach Ausführung Kräfte im Bereich von 0 bis 53cN bzw. 0 bis 265cN und ist somit geeignet für kleinere Kraftmessungen. Außerdem weist er ein gutes dynamisches Verhalten auf mit einer Ansrpechzeit von weniger als einer Millisekunde. Die Umgebungstemperatur bei Betrieb darf sich jedoch nur zwischen 0 und 70 C befinden, was darauf schließen lässt, dass dieser Sensortyp temperaturanfällig ist. Die Prozentwerte des Toleranz Nullpunktes, Toleranz Endwertes und der Auflösung beziehen sich auf den Maximalwert des Messbereichs und weisen eine gute Genauigkeit auf.

Kapitel 4 Fazit Wie schon in den vorhergehenden Kapiteln angedeutet, spielen Kraftsensoren im Bereich der Messtechnik eine wichtige Rolle. Sie finden in vielen Gebieten ihre Anwendnug und sind dort nicht mehr wegzudenken. Geforscht wird zur Zeit vor allem in Gebieten, die auf den ersten Blick wohl nicht mit Kraftsensoren in Verbindung gebracht werden. Wo wurde beispielsweise ein Kraftsensor im Bereich der Medizin enwickelt, welcher dem Arzt bei der Navigation des Führungsdrahtes bei der Katheterisierungen hilft. Hiermit sind komplett neue Anforderungen an einen Kraftsensor entstanden, wie zum Beispiel ein hohes Maß an Sicherheit und die Biokompatibilität in Bezug auf den menschlichen Körper. 1 Das obige Beispiel soll andeuten, dass es noch Bereiche gibt, die Potential zur Entwicklung von neuen und zur Verbesserung von alten Kraftsensoren motivieren. 1 siehe [DISK09] 16

Kapitel 5 Abkürzungsverzeichnis DMS Dehnungsmessstreifen............................................. ii 17

Literaturverzeichnis [Con09] Huba Control. Datenblatt biegebalken kraftsensor typ 410. http://www.hubacontrol.com/fileadmin/user_upload/domain1/ Produkte/Kraftsensoren/DB410_DE.pdf, Juni 2009. Abgerufen am: 02.07.2009. [Czi07] Horst Czichos. Mechatronik - Grundlagen und Anwendungen technischer Systeme. Vieweg+Teubner Verlag, 2007. 2.Auflage. [DISK09] Dipl.-Ing. Thorsten Meiß Dipl.-Ing. Stephanie Klages. Hapcath. http://www.emk.tu-darmstadt.de/institut/fachgebiete/ must/forschung/miniaturisierte_kraftsensoren/, 2009. Abgerufen am: 02.07.2009. [HC07] Akademischer Verein Hütte e.v. Horst Czichos, Manfred Hennecke. Das Ingenieurwissen. Springer Verlag, 2007. 33.Auflage. [Hil06] Ulrich Hilleringmann. Mikrosystemtechnik. Teubner Verlag, 2006. [Kos08] Newtonsche Kraft. http://www.kosmosphysik.de/02kraft.htm, März 2008. Abgerufen am: 02.07.2009. [mphat06] Prof. Dr. med. Prof. h.c. A. Thiede. Entwicklung eines verfahrens zur Druckmessung in der kompressionstherapie. http://deposit.ddb.de/cgi-bin/dokserv?idn=982203845&dok_ var=d1&dok_ext=pdf&filename=982203845.pdf, Mai 2006. Abgerufen am: 02.07.2009. [Par07] Rainer Parthier. Messtechnik. Vieweg Verlag, 2007. 4.Auflage. [Rod06] Werner Roddeck. Einführung in die Mechatronik. Teubner Verlag, 2006. 3.Auflage. [SH04] [wbe09] Gerhard Schnell Stefan Hesse. Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation. Vieweg Verlag, 2004. 3.Auflage. Weiss-Bezirk. http://de.wikipedia.org/wiki/weiss-bezirk, Mai 2009. Abgerufen am: 02.07.2009. [WIK09a] Kraftaufnehmer. http://de.wikipedia.org/wiki/kraftsensor, Mai 2009. Abgerufen am: 01.07.2009. [WIK09b] Messprinzip. http://de.wikipedia.org/wiki/messprinzip, Mai 2009. Abgerufen am: 01.07.2009. 18

LITERATURVERZEICHNIS 19 [WIK09c] Messsystem. http://de.wikipedia.org/wiki/messsystem, Februar 2009. Abgerufen am: 01.07.2009. [WIK09d] Messtechnik. http://de.wikipedia.org/wiki/messmethode, Juni 2009. Abgerufen am: 01.07.2009.