Piezoelektrische Kraftsensoren bestehen aus Scheiben eines piezoelektrischen Kristalls, die eine Ladung erzeugen, wenn man sie einer Druckkraft aussetzt. Im Allgemeinen werden zwei derartige Scheiben ­genutzt, zwischen denen eine Elek­trode eingelegt ist. Diese nimmt die entstehenden Ladungen auf. Das umgebende Gehäuse dient ebenfalls als Elektrode. Dabei sind die Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit von Kristall und Gehäuse sehr hoch und bestimmen die Qualität (Linearität, Ansprechverhalten) der Kraftsensoren.

Aufbau eines piezo­elektrischen Sensors. In Grün dargestellt die Quarzscheiben, die die eingeleitete Kraft in eine Ladung wandeln, die von der Elektrode zwischen den Sensoren aufgenommen wird.

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Die Entscheidung zwischen piezoelektrischen Kraftsensoren und Sensoren auf Basis von Dehnungsmessstreifen ist anwendungsabhängig. Piezoelektrischen Sensoren ist insbesondere dann der Vorzug zu gewähren, wenn die Anwendung eine der folgenden Anforderungen stellt:

• Begrenzter Raum für den Einbau des Sensors;
• Messung kleiner Kräfte bei hoher Vorlast;
• Großer Messbereich;
• Messung bei sehr hohen Temperaturen;
• Extreme Überlastfähigkeit;  
• Hohe Dynamik.

Entscheidet man sich für den Einsatz eines piezoelektrischen Aufnehmers, so stellt sich die Frage, welcher Kraftaufnehmer der richtige ist. Hier gilt es, unterschiedliche Anwendungsfelder zu betrachten.

Piezoelektrische Kraftsensoren lassen sich sehr kompakt bauen. Daher sind solche Sensoren optimal geeignet für die Integration in bestehende Strukturen bei beengten Platzverhältnissen. Die Sensoren der CLP-Serie von HBM verfügen über ein integriertes Kabel, da sich Stecker bei der geringen Bauhöhe nicht unterbringen lassen. Zur Verfügung stehen Sensoren für alle Gewinde von M3 bis M14. Jedoch verlangt die geringe Bauhöhe eine möglichst gleichmäßige Kraftverteilung auf der Sensorfläche.

Verschiedene Anwendungen

Häufig müssen Anwender kleine Kräfte bei hoher Vorlast messen. Piezoelektrische Sensoren erzeugen eine elektrische Ladung, wenn eine Kraft eingeleitet wird. Allerdings wirken auch außerhalb der eigentlichen ­Kraftmessung Kräfte auf den Sensor, zum Beispiel bei der Montage. Die ­entstandene Ladung kann jedoch ­einfach kurz geschlossen werden, wodurch das Signal am Eingang des ­Ladungsverstärkers auf ‚Null‘ gesetzt wird. So lässt sich der Messbereich nach der tatsächlich zu messenden Kraft einstellen. Eine hohe Auflösung ist bei der Messung demnach selbst dann gewährleistet, wenn das Verhältnis von Vorlast zur messenden Kraft sehr ungünstig ist. Moderne Ladungsverstärker, wie etwa das Modell CMD600, ermöglichen eine fast stufenlose Einstellung des Messbereichs und unterstützen somit derartige Anwendungen.

Einsatz bei sehr hohen ­Temperaturen

Auch in mehrstufigen Prozessen zeigen die piezoelektrischen Kraftauf­nehmer ihre Stärken. Zum Beispiel bei einem mehrstufigen Pressvorgang: Zunächst wirken große Kräfte beim ­eigentlichen Pressvorgang. Die piezoelektrische Messkette ist entsprechend eingestellt. Im zweiten Teil des Pro­zesses soll die Kraft nachgeführt ­werden, also kleinere Schwankungen der Kraft gemessen werden. Auch hier macht man sich die Eigenschaft piezoelektrischer Sensoren zunutze, das Signal am Eingang des Ladungsverstärkers physikalisch zu eliminieren. Der Eingang des Ladungsverstärkers steht wieder auf ‚Null‘ und der Messbereich lässt sich zugunsten einer hohen Auflösung einstellen.
 
Manche Anwendungen erfordern die Kraftmessung bei sehr hohen Temperaturen. Hier stoßen Kraftaufnehmer basierend auf Dehnungsmessstreifen an ihre Grenzen. Piezoelektrische Messringe der Serie CHW hingegen sind exakt für solche Anwendungen ausgelegt. So ist das Modell CHW-2 bei Temperaturen bis 200 °C einsetzbar, CHW-3 sogar bei Temperaturen bis 300 °C. Auch diese Messringe müssen eingemessen werden. Dabei erlaubt die geringe Temperaturempfindlichkeit die Kalibrierung bei Raumtemperatur.

Mit wenigen Ausnahmen weisen alle piezoelektrischen Sensoren die gleiche Empfindlichkeit auf. Im Umkehrschluss heißt dies, dass das Ausgangssignal eines Kraftsensors mit einer Nennkraft von 20 kN bei einer gegebenen Kraft genauso groß ist wie das eines Sensors mit 700 kN. Hinsichtlich Auflösung und Genauigkeit ist es somit unerheblich, welcher der beiden Sensoren eingesetzt wird. Die Messkette lässt sich auf die Maximalkraft auslegen und erlaubt dennoch die Messung kleiner Kräfte.

Zudem bieten piezoelektrische Sensoren ideale Voraussetzungen für den Einsatz bei dynamischen Anwendungen. Denn die Messwege sind sehr klein, entsprechend hoch sind deren Steifigkeiten. Allerdings beeinflusst die gesamte Messkette die dynamischen Eigenschaften. Auch die Steifigkeit der Anbauteile und die nach­folgende Elektronik müssen beachtet werden. Generell gilt, dass piezoelektrische Messketten hervorragend für hochdynamische Messungen kleiner Kräfte geeignet sind. Kraftauf­nehmer auf Basis von Dehnungsmessstreifen hingegen sind die erste Wahl bei dynamischen Messungen großer Kräfte.

Messringe zumeist bevorzug

Die meisten Anwender bevorzugen piezoelektrische Messringe, da sie ohne ­große mechanische Veränderungen des Messobjektes beziehungsweise der Maschine integrierbar sind. Allerdings bedingen diese Sensoren stets eine Montage unter Vorspannung, das heißt, sie sind mittels Schrauben oder Vorspannsätzen mit einer Vorlast zu beaufschlagen, um Beschädigungen zu vermeiden und eine geeignete Biegemomentstabilität zu garantieren. Zusätzlich ist eine Kalibrierung notwendig, da der Einbau der Sensoren die Empfindlichkeit der Messstelle mitbestimmt. Das bedeutet, dass nach der Montage die Empfindlichkeit der Messstelle durch Kalibrierung festzustellen ist, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erhalten.

Wenn man nicht einmessen kann, aber trotzdem auf piezoelektrische Sensoren setzen will, gibt es Sensoren, die bereits vorgespannt und kalibriert sind, wie zum Beispiel Kraftsensoren des Typs CFT, die sofort messbereit sind. Ein mitgeliefertes Prüfprotokoll gibt Auskunft über deren Empfindlichkeit.

Häufig wünschen sich Anwender einen Sensor, der einfach integrierbar ist, wobei die Anwendung einen Steckeranschluss erfordert. Zudem kann es zu punktförmigen Belastung kommen und es sind sehr hohe Kräfte zu beachten. Hier eignen sich kompakte Kraftmessringe – etwa der Serie CFW. Die Bauhöhe ist relativ hoch, wodurch sich mehr Material zwischen Krafteinleitung und Mess-Element befindet. Der größte Messring der Serie ist der CFW/700 kN, der einen Innendurchmesser von 36 mm aufweist. Infolgedessen ist die Unempfindlichkeit in Bezug auf ungünstige Einbausituationen größer. Kraftmessringe der Serie CFW sind zudem mit einem Steckeranschluss ausgestattet und somit sehr flexibel.

Anwender wollen einfach integrierbaren Sensor

Verschiedene Kabel können angeschlossen werden, wie etwa das robuste Ladungskabel KAB145, bei dem mittels O-Ring die Verbindung zum Sensorgehäuse abgedichtet ist, etwa für den Einsatz in rauer Um­gebung.

Können Anwender keinen Messring unterbringen und beansprucht auch ein Sensor auf Basis von Dehnungsmessstreifen oder ein CFT-Aufnehmer zu viel Platz, so gibt es dennoch ­passende Sensoren: Dehnungsaufnehmer der Serie CST sind sehr klein und lassen sich mit einer Schraube be­festigen. Das Funktionsprinzip lässt sich wie folgt erklären: Werden Kräfte in die Struktur eingeleitet, so ent­stehen Verformungen, die oftmals proportional zur eingeleiteten Kraft sind – der Sensor misst die Verformung. CST lässt sich zum Beispiel auf Schweißzangen oder Presswerkzeugen montieren und misst die Verformung dieser Bauteile zuverlässig. Auch diese Aufnehmer müssen eingemessen ­beziehungsweise kalibriert werden. Solche Dehnungsaufnehmer sind sehr empfindlich und eignen sich ebenso für den Einsatz bei sehr steifen Kon­struktionen. Dabei hängt die Messgenauigkeit insbesondere von dem Werkstoff ab, auf dem der Sensor ­montiert wird.

Autor:
Thomas Kleckers ist Produktmanager für Kraftaufnehmer bei HBM.