Kraftsensor Serie K – für präzises Messen von Zug- und Druckkräften

Ein Kraftsensor ist ein Messgerät, das mechanische Kräfte (Druck oder Zug) in ein elektrisches Signal umwandelt. Die meisten Kraftsensoren basieren auf der Dehnungsmessstreifen-Technologie (DMS): Eine einwirkende Kraft verformt den Sensorkörper minimal, und diese Verformung wird als proportionales Spannungssignal ausgegeben. Kraftsensoren werden in Genauigkeitsklassen eingeteilt – je kleiner der Wert, desto präziser das Messergebnis.

Kraftsensoren kommen überall dort zum Einsatz, wo Kräfte gemessen, überwacht oder dokumentiert werden müssen. Typische Anwendungsfelder sind Werkstoff- und Bauteilprüfung, Prüfmaschinen, industrielle Fertigungs- und Qualitätsprozesse sowie Kalibrierlabore. Auch in Forschung, Maschinenbau und Fahrzeugindustrie sind sie unverzichtbar.

Eine einwirkende Kraft verformt den metallischen Sensorkörper elastisch. Aufgebrachte Dehnungsmessstreifen registrieren diese Verformung als Widerstandsänderung, die in einer Brückenschaltung in ein Spannungssignal (typischerweise in mV/V) umgewandelt wird. Ein nachgeschalteter Messverstärker erfasst und verarbeitet dieses Signal.

Die Kalibrierung eines Kraftsensors erfolgt durch den Vergleich seiner Messwerte mit rückgeführten Referenzkräften. Dazu wird der Sensor in einer Kalibriereinrichtung definiert belastet, meist in mehreren Laststufen zwischen Null und Nennkraft. Die aufgebrachte Kraft wird durch hochgenaue Referenzsysteme (z. B. Totgewichte oder Referenzkraftsensoren) bestimmt. Für jede Laststufe wird das Ausgangssignal erfasst und mit dem Sollwert verglichen. Daraus ergeben sich Kennwerte wie Empfindlichkeit, Linearität und Hysterese.

Die Kalibrierung wird nach internationalen Normen wie DIN EN ISO 376 durchgeführt. Dabei sind Belastungszyklen, Vorlasten und definierte Messpunkte vorgeschrieben, um reproduzierbare Ergebnisse sicherzustellen. Wichtig ist auch die Dokumentation der Umgebungsbedingungen, insbesondere der Temperatur. Als gemäß DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiertes Labor stellt GTM sicher, dass die Kalibrierung nach festgelegten Verfahren erfolgt und auf nationale Normale rückführbar ist. Das Ergebnis ist ein Kalibrierschein, der die Abweichungen und die Messunsicherheit transparent ausweist. Regelmäßige Kalibrierungen sind entscheidend, um die Messgenauigkeit langfristig zu gewährleisten.

Kraftsensoren sind von wenigen Newton bis zu mehreren Meganewton erhältlich. Um präzise Messergebnisse zu erhalten, sollte die Nennkraft so gewählt werden, dass die erwarteten Messkräfte im mittleren bis oberen Messbereich des Sensors liegen.

Ja, die meisten Kraftsensoren sind für beide Kraftrichtungen ausgelegt. Voraussetzung ist, dass der Sensor mechanisch für Zug und Druck konstruiert und entsprechend eingebaut ist. Im Datenblatt ist spezifiziert, ob beide Richtungen unterstützt werden.

Die Messergebnisse eines Kraftsensors werden von zahlreichen externen und internen Faktoren beeinflusst. Mechanische Einflüsse wie Querkräfte, Biegemomente oder eine exzentrische Krafteinleitung können zu erheblichen Messfehlern führen. Diese lassen sich durch eine saubere, zentrische Montage und geeignete Krafteinleitungselemente minimieren. Auch die Einbausituation (z. B. Verspannungen oder unebene Auflageflächen) spielt eine wichtige Rolle. Temperatur ist ein weiterer kritischer Faktor.

Änderungen führen zu Materialdehnung und elektrischen Drift-Effekten. Abhilfe schaffen temperaturkompensierte Sensoren und stabile Umgebungsbedingungen. Elektrische Störungen wie Rauschen oder schlechte Abschirmung können das Signal verfälschen; hier helfen hochwertige Verstärker und korrekte Verkabelung. Auch die Zeit beeinflusst das Ergebnis: Effekte wie Kriechen oder Drift treten besonders bei langen Messungen auf. Regelmäßige Kalibrierung und ausreichend Einschwingzeit sind daher wichtig. Schließlich können auch Bedienfehler, falsche Skalierung oder ungeeignete Auswerteelektronik die Genauigkeit verschlechtern. Eine sorgfältige Auswahl der Messkette und klare Prozesskontrolle sind entscheidend, um reproduzierbare und verlässliche Ergebnisse zu erzielen.

Kraftsensoren basieren auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien. Am häufigsten sind Dehnungsmessstreifen (DMS), bei denen sich der elektrische Widerstand durch mechanische Dehnung ändert. Piezoelektrische Sensoren erzeugen eine elektrische Ladung bei Kraftänderung und eignen sich besonders für dynamische Messungen. Kapazitive Sensoren messen die Änderung des elektrischen Feldes durch Verformung. Hydraulische oder pneumatische Systeme wandeln Kraft in Druck um. Seltener werden optische oder magnetoelastische Verfahren eingesetzt. Die Wahl des Prinzips hängt von Anforderungen wie Messbereich, Dynamik, Genauigkeit und Umgebungsbedingungen ab.

Diese Begriffe beschreiben unterschiedliche Fehlerquellen und Verhaltensweisen eines Kraftsensors.
- Linearität gibt an, wie stark die reale Kennlinie von einer idealen Geraden abweicht. Ein Sensor ist umso linearer, je proportionaler sein Ausgangssignal zur aufgebrachten Kraft ist.
- Hysterese beschreibt den Unterschied im Ausgangssignal, wenn dieselbe Kraft einmal von unten (Belastung) und einmal von oben (Entlastung) erreicht wird. Sie entsteht durch innere Materialeffekte und Reibung.
- Die Wiederholbarkeit (Reproduzierbarkeit) bewertet, wie konstant ein Sensor bei mehrfach identischer Belastung unter gleichen Bedingungen misst. Sie ist ein Maß für die Streuung der Messwerte.
- Kriechen beschreibt eine zeitabhängige Änderung des Signals bei konstanter Last. Das bedeutet: Auch wenn die Kraft gleich bleibt, driftet das Ausgangssignal langsam weiter.

Diese Effekte treten gleichzeitig auf, haben aber unterschiedliche Ursachen. Während Linearität und Hysterese eher material- und konstruktionsbedingt sind, hängt die Wiederholbarkeit stark von Stabilität und Rauschen ab. Kriechen wird durch viskoelastische Eigenschaften beeinflusst. Für präzise Messungen müssen alle vier Kenngrößen berücksichtigt werden, da sie sich direkt auf die Gesamtunsicherheit auswirken.

Der Sensorkörper verformt sich unter Krafteinwirkung minimal. Durch das Biegeringprinzip wird die wirkende Kraft über den gesamten Ring integriert – dadurch entstehen extrem lineare und wiederholbare Messergebnisse bei gleichzeitig geringer Empfindlichkeit gegenüber parasitären Einflüssen.

Warum das wichtig ist:

• hohe Messgenauigkeit
• hervorragende Reproduzierbarkeit
• minimierte Fehlerquellen

Die Genauigkeit von Kraftsensoren wird durch mehrere Kenngrößen beschrieben, die zusammen die Gesamtmessunsicherheit bilden. Dazu zählen Linearitätsabweichung, Hysterese, Wiederholbarkeit, Kriechen sowie der Einfluss von Temperatur und Querkräften. Hersteller geben die Genauigkeit meist als Prozentsatz vom Endwert (z. B. ±0,1 % v. E.) an. Grundlage sind Kalibrierungen nach internationalen Normen (z. B. ISO 376), bei denen definierte Kräfte aufgebracht und Abweichungen bewertet werden.