Mechanische Druckkraftsensoren

Inhalt

Einleitung
•- Warum Sensoren?
•- Was ist ein Sensor?

Dehnmeßstreifen(DMS)-Druckkraftsensoren
•- Kraft und Druck
•- Die Wirkung von Kraft
•- Woraus besteht ein Druckkraftsensor?
•- Federkörper
•- Dehnmeßsteifen(DMS)
•- Wheatstone'sche Meßbrücke

Abgleich, Kompensation und Standardisierung
•- Nullpunktsabgleich
•- Temperaturkompensation des Nullpunktes
•- Temperaturkompensation des Kennwertes
•- Standardisierung

Zusamenfassung

Literaturliste

Einleitung

Warum Sensoren?

Sensoren sind heute ein fester Bestandteil aller technischen Produktionsprozesse und begegnen uns oft auch im täglichen Leben, wo wir sie meistens nicht wahrnehmen. In den letzten Jahrzehnten sind die Anforderungen an Qualität und Wirtschaftlichkeit von Industrieprodukten stark angestiegen. Der Mensch alleine konnte diese Anforderungen nicht mehr erfüllen, so dass automatische Überwachungen von Produktionsdaten erforderlich wurden. Sensoren bieten hier eine kostengünstige und meistens verlässliche Alternative, wenn es um die Kontrolle hoher Stückzahlen, Präzisionsmessungen und Messungen in für den Menschen gesundheitsgefährdender Umgebung geht. Ebenso übernehmen sie Messungen in alltäglichen Gebrauchsgegenständen, welche durch die Verbraucher nicht erfolgen können und wo sie für die Funktion dieser Gebrauchsgegenstände unverzichtbar sind. Man denke nur einmal an moderne Autos, bei denen z.Bsp. die Nockenwelle, die Einspritzung, der Airbag usw. über Sensoren gesteuert werden.

Was ist ein Sensor?

Ältere Bezeichnungen für Sensoren sind u.a. Meßwertaufnehmer, Fühler, Geber usw. Ein Sensor misst physikalische, chemische oder biologische Größen und formt diese in elektrische Signale um, die dann weiterverarbeitet werden können. Es ist somit nicht ganz richtig, von einem Sensor zu sprechen und nur das messende Element zu meinen. Ein Sensor ist heute ein System aus einem Meßwertaufnehmer, der aus einer Meßgröße ein elektrisches Signal erzeugt und an eine dazu gehörende (meistens) analoge Signalaufbereitung weiterleitet. Das aufgearbeitete Signal wird dann oftmals digitalisiert und zur Regelung weiterverwendet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1:

Dehnmeßstreifen(DMS)-Druckkraftsensoren

Wie funktioniert ein Kraftsensor?

1.Kraft und Druck

Kraft und Druck sind verschiedene Größen. Druck ist eine ungerichtete (skalare) Größe, die mit Hilfe von Medien übertragen wird. Kraft dagegen ist eine gerichtete (vektorielle) Größe, welche meistens mechanisch übertragen wird.

Kraft ist definiert als das Produkt der Masse m eine Körpers und der Beschleunigung a, welche der Körper erfährt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Einheit der Kraft ist das Newton N. Ein Newton ist die Kraft, die einen Körper der Masse

1 kg um 1 m/s² beschleunigt.

Druck ist definiert als Kraft F pro Fläche:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Einheit des Drucks ist N/m². Dies ergibt allerdings oft unhandlich große Zahlen, deshalb wird meistens in „bar“ gerechnet: 1 bar=100000N/m².

Der Vektor Kraft greift in der Theorie nur an einem bestimmten Punkt an. Für die Kraftmessung aber ist es erforderlich, diesen Vektor in eine skalare Größe zu überführen, weil man keine punktförmigen Übertragungen realisieren kann.

Das Prinzip der Druck-und Kraftmessung ist somit gleich, es beruht in beiden Fällen auf den Verformungen, die diese Größen in einem Körper hervorrufen.

2.Die Wirkung von Kraft

Ein mechanischer Körper wird durch eine Krafteinwirkung verformt. Das war bereits in den Zeiten von Galileo Galilei bekannt. Geht die Verformung bei nachlassender Kraft wieder vollständig zurück, spricht man von elastischer Verformung. Entsprechende Körper nennt man Federkörper oder auch Federn. Nur solche Körper kommen als Sensorelemente in Betracht.

Behält der Körper die Verformungen bei, spricht man von plastischer Verformung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Spannungsdiagramm

Durch solche Verformungen (abgek.?), die je nach Richtung Dehnungen oder Stauchungen genannt werden, werden Spannungen in Körpern verursacht. Im einfachsten Fall wirkt die Normalkraft auf eine bestimmte Fläche und verursacht so die Normalspannung:

Für solche auftretenden Spannungen nun besteht eine Proportionalität zu den resultierenden Dehnungen, welche durch das „Hooke'sche Gesetz“ beschrieben wird:

(E ist der Elastizitätsmodul,?=?l/l=rel. Längenänderung)

Entscheidend bei diesen Gleichungen ist die Tatsache, dass man einen Zusammenhang zwischen der Normalkraft N und den im Körper auftretenden Dehnungen? gegeben hat, welche auch für die Widerstandsänderungen in den Dehnmeßstreifen (DMS) verantwortlich sind.

3.Woraus besteht ein Druckkraftsensor?

•-Federkörper

Das Sensorelement eines Kraftsensors besteht aus einem Federkörper. Dieser kann verschiedenartig ausgeführt sein, z.B. als Biegebalken, Stauchkörper oder Membranaufnehmer.

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Abbildung 2: Biegebalken, Fa. Burster, Typ 8511

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Abbildung 3: Stauchkörper, Fa. Burster,Typ 8402

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Abbildung 4: Membranaufnehmer,Fa. Burster,Typ 85043/85073

Die oben gezeigten Federkörper nun verhalten sich bei Belastung wie unter 2) beschrieben. Die Berechnung der Spannungen und Verformungen solcher Aufnehmer ist außerordentlich kompliziert und langwierig, weshalb hier darauf verzichtet wird.

Als Grundlage dient jedoch die „Kirchhoff'sche Plattentheorie“ (2).

Um geeignete Membranaufnehmer herstellen zu können, muss man sie nicht nur ordentlich berechnen und auslegen, man muss auch Werkstoffe finden, die einen geeignet großen elastischen Bereich aufweisen und ihre alte Form nach Belastung wieder vollständig annehmen. Dieser Vorgang sollte möglichst oft wiederholbar sein. 10⁶ oder mehr Lastwechsel sollten für einen solchen mechanischen Sensor kein Problem darstellen.

Noch vor einigen Jahren hat man vorwiegend Kupfer-Beryllium (Cu-Be)-Legierungen verwendet, die hervorragende Federeigenschaften aufweisen. Allerdings ist dieser Werkstoff sehr teuer und die Abfälle der spanenden Bearbeitung müssen als Sondermüll entsorgt werden.

Heute haben sich vorwiegend legierte, hochvergütete Stähle (? 40 HRc) durchgesetzt. Für kleinere Messbereiche oder Präzisionsmessungen sind auch Aluminiumlegierungen im Einsatz, die sehr gute messtechnische Eigenschaften aufweisen und zudem kostengünstig sind.

- Dehnmeßstreifen (DMS)

Die Messung der Verformungen der Federkörper unter Krafteinwirkung sind in der Regel so klein, dass sie für das menschliche Auge nicht sichtbar sind. Eine Methode, diese Verformung zu messen, sind die sog. Dehnmeßsteifen, abgek. DMS.

DMS basieren auf einer elektrischen Widerstandsänderung eines leitenden Körpers bei Änderung der Länge oder des Querschnitts, welche 1856 von William Thomson entdeckt wurde

(Piezowiderstandseffekt). Wenn man an einem Stab zieht, wird er dünner und gleichzeitig länger. Der elektrische Widerstand nimmt zu, da die Elektronen in ihrer Bewegungsfähigkeit eingeschränkt werden. Im Gegensatz dazu sinkt der elektrische Widerstand eines Stabes, der in Längsrichtung zusammengedrückt wird. Er wird kürzer und breiter, so dass die Elektronen sich besser durch ihn hindurchbewegen können.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die relative Widerstandsänderung eines DMS hat steht nun unmittelbar mit diesen Dehnungen im Zusammenhang:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

k ist dabei der sog. K-Faktor, ein einheitenloser, annähernd konstanter Materialkoeffizient, der für die meisten DMS etwa 2,05 ist.

Der Dehnmeßsteifen wird kraftschlüssig auf den Federkörper aufgebracht, d.h. er wird fest mit ihm verbunden, meistens aufgeklebt. Dadurch wird der DMS den gleichen Verformungen wie der Federkörper ausgesetzt.

Frühe Dehnmeßsteifen (diese gab es schon Anfang des 20.Jahrhunderts) bestanden wirklich aus Draht. Dieser wurde dann auf Stäbe o.ä. gewickelt.

Heute (seit 1944) bestehen Dehnmeßstreifen meist aus einer Metallfolie, die auf ein Trägermaterial gewalzt ist. Früher wurde als Trägermaterial Hartpapier verwendet, heute hat sich Polyamid durchgesetzt. Die mäanderförmige Struktur des Widerstands wird fotochemisch herausgeätzt.

Typische Widerstandswerte für DMS sind 175?,350?,1000? oder 5000?.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Dehnmeßsteifen-Bauformen, HBM

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