2-Achsen-Kraftsensoren Grundlagen

Zweiachsige (biaxiale) Sensoren, wie die 2-Achsen-Kraftsensoren von Interface, stellen einen bedeutenden Fortschritt in der Kraft- und Drehmomentmessung dar. Diese fortschrittlichen Aufnehmer gehen über die Grenzen einachsiger Sensoren hinaus und sind darauf ausgelegt, Kräfte oder Drehmomente in zwei senkrechten Richtungen gleichzeitig mit einem einzigen, integrierten Gerät präzise zu messen.

Die Kerntechnologie basiert auf internen Dehnungsmessstreifen, die auf einer speziell entwickelten Metallstruktur montiert sind, die als Biegekörper bezeichnet wird. Wenn mechanische Dehnung aufgebracht wird, wandeln die Messstreifen diese Verformung in ein proportionales elektrisches Signal um.

Bemerkenswert ist, dass das 2-Achsen-Design mehrere, isolierte Dehnungsmessstreifen-Brücken innerhalb eines einzigen Sensorkörpers umfasst. Während ein einachsiger Sensor eine Brücke verwendet, um die Kraft entlang einer Achse zu messen, wie Zug oder Druck, setzt ein 2-Achsen-Sensor zusätzliche Brücken ein, um separate, unabhängige Ausgangssignale für die orthogonalen Achsen zu erzeugen. Dies ermöglicht die gleichzeitige Messung von Paaren, wie:

• Kraft in X und Kraft in Y zur Messung von Scher- oder Querkräften.
• Axialkraft und Torsionsdrehmoment zur Messung von Druck/Zug und Verdrehung.

Vorteile der Mehrachsen-Technologie

Der primäre technische Vorteil eines mehrachsigen Designs ist die Fähigkeit, umfassendere und detailliertere Daten über Kraftwechselwirkungen von einem einzigen Messpunkt aus zu erfassen. Diese Konsolidierung der Messung vereinfacht den gesamten Testprozess und verbessert gleichzeitig die Datenqualität erheblich.

Vorteil #1 – Minimierung von Übersprechen

Eine zentrale technische Herausforderung beim mehrachsigen Design ist das Übersprechen, bei dem die Belastung einer Achse unbeabsichtigt das Ausgangssignal einer anderen beeinflusst. Interface-Sensoren sind mit geringen Übersprechcharakteristiken entwickelt, um höchste Genauigkeit und Signaltreue für jeden unabhängigen Kanal zu gewährleisten. Dies führt zu zuverlässigeren Daten zur Bewertung der strukturellen Integrität, Lastverteilung und Leistungsmerkmale.

Vorteil #2 – Effizienz und Integration

Durch den Ersatz mehrerer einachsiger Sensoren bietet das 2-Achsen-Design eine kompakte Bauform, die physischen Platz spart, die Einrichtung durch Reduzierung der erforderlichen Anzahl von Sensoren, Kabeln und Verbindungen vereinfacht und die Investitionsrendite für komplexe Testgeräte maximiert. Dies macht sie ideal für die Einbettung in Produkte der Robotik, Luft- und Raumfahrt sowie fortschrittlicher Materialprüfumgebungen, in denen der Platz begrenzt ist.

Vorteil #3 – Erhöhte Zuverlässigkeit

Die erhöhte Datendichte durch die Verfolgung der Leistung in mehreren Richtungen verbessert inhärent die Nichtwiederholbarkeit und die Gesamtzuverlässigkeit der Testergebnisse und bietet Ingenieuren und Forschern ein umfassenderes Verständnis komplexer Kraftdynamiken.

Interface 2-Achsen-Kraftsensoren

Interface 2-Achsen-Kraftsensoren messen gleichzeitig zwei beliebige Kräfte oder Drehmomente, haben minimales Übersprechen, sind standardmäßig ab Lager verfügbar und sind hochpräzise Sensoren.

• TXY 2-Achsen-Kraftsensor
• AT101 2-Achsen-Axial-Torsions-Kraftsensor
• AT102 2-Achsen-Axial-Torsions-Kraftsensor
• 2816 2-Achsen-Axial-Torsions-Kraftsensor
• 1216 2-Achsen-Axial-Torsions-Kraftsensor
• 1516 2-Achsen-Axial-Torsions-Kraftsensor
• 5600 2-Achsen-Axial-Torsions-Kraftsensor
• AT103 2-Achsen-Axial-Torsions-Kraftsensor

Kritische technische Spezifikationen von 2-Achsen-Kraftsensoren

Bei der Integration eines 2-Achsen-Sensors definieren wichtige Spezifikationen seine Betriebsfähigkeit und Präzision:

• Genauigkeitskennzahlen sind Präzisionsdefinitionen, die durch Spezifikationen wie Nichtlinearität (Abweichung von einer geraden Kalibrierungskurve) und Hysterese (Ausgabedifferenz beim Be- und Entladen) quantifiziert werden. Beide sind entscheidend für die Aufrechterhaltung des Vertrauens in die Kraftdaten über den gesamten Vollausschlag (FS)-Bereich.
• Temperaturverhalten wird im kompensierten Bereich spezifiziert, was das Umgebungstemperaturfenster ist, innerhalb dessen der Sensor garantiert seine spezifizierte Genauigkeit erfüllt. Zusätzlich definieren Leistungskennzahlen wie Auswirkung auf Null (Nullausgabe-Verschiebung) und Auswirkung auf Ausgabe (Empfindlichkeitsänderung) die Degradation des Sensors.
• Sicherheitsschwellenwerte werden verwendet, um strukturelles Versagen zu verhindern; Ingenieure müssen die spezifizierte sichere Überlast (maximale Last ohne bleibende Beschädigung) und maximale Überlast (ultimative Last ohne strukturelles Versagen) einhalten.

TIPP: Verwenden Sie das Interface ForceEDU 2-Achsen-Kraftsensor Cheat Sheet als Referenz für diese Arten von Sensoren.

Vielfältige Anwendungen von 2-Achsen-Sensoren – Von Wearables bis zu Steuerknüppeln

Während die technischen Spezifikationen von 2-Achsen-Sensoren ihre Präzision hervorheben, zeigt die Untersuchung ihrer Anwendungen ihre unverzichtbare Vielseitigkeit über verschiedene Branchen hinweg. Die Fähigkeit, Axialkraft (Druck/Zug) und Torsionsdrehmoment (Verdrehung) gleichzeitig in einem einzigen, kompakten Gehäuse zu messen, macht diese Sensoren ideal sowohl für anspruchsvolle Dauerhaftigkeitstests als auch für kritische Betriebsüberwachung.

Fall 1: Prüfung der Widerstandsfähigkeit von Wearable-Technologie

Ingenieure, die Unterhaltungselektronik wie Smartwatches entwickeln, stehen vor der ständigen Herausforderung, die Haltbarkeit unter wiederholter, komplexer Belastung zu gewährleisten. Smartwatch-Armbänder unterliegen beispielsweise beim täglichen Tragen und Abnehmen Dehnungen, Ziehen und Verdrehungen. Um die höchsten Qualitätsstandards zu gewährleisten, erforderte der Test eine präzise Methode zur Erfassung der Zugkraft, die erforderlich ist, um das Armband zu lösen oder zu verformen.

Die Lösung von Interface umfasst die Integration des 1216 2-Achsen-Axial-Torsions-Kraftsensors in eine spezialisierte Kraft- und Drehmoment-Testmaschine. Der Sensor wurde an einem Aktuator montiert, um die aufgebrachten Kräfte genau zu erfassen. Der 1216 misst die primären axialen Zugkräfte am Armband und überwacht gleichzeitig alle durch Drehbewegungen verursachten Torsionskräfte. Mit diesen biaxialen Daten können Ingenieure erfolgreich Schwachstellen in den Armbandmaterialien und -verbindungen identifizieren und so das Design für verbesserte Langzeitverlässigkeit und Komfort vor der Massenproduktion optimieren. Sehen Sie sich die Smartwatch-Armband-Zugtest-Anwendungshinweise an.

Fall 2: Überwachung kritischer Flugzeugsteuerungen

Am anderen Ende des Komplexitätsspektrums sind 2-Achsen-Sensoren unerlässlich für die kritische Betriebssicherheit und Überwachung in der Luft- und Raumfahrtfertigung. Ein Flugzeughersteller zielte darauf ab, die auf das Flugzeug-Steuerhorn (Steuerlenkrad) ausgeübten Kräfte und Drehmomente kontinuierlich zu verfolgen, um ordnungsgemäße Funktion und Reaktionsfähigkeit sicherzustellen.

Interface empfiehlt den AT103 2-Achsen-Axial-Torsions-Kraftsensor. Dieser Sensor kann diskret in der Steuerhorn-Baugruppe selbst installiert werden. Der AT103 ist einzigartig in der Lage, die Eingaben des Piloten zu messen, einschließlich des durch Drehen des Steuerhorns erzeugten Drehmoments und der Axialkraft durch Drücken oder Ziehen des Steuerhorns nach vorne oder hinten. Durch die Kombination des AT103 mit einem Datenerfassungssystem, wie dem SI-USB4 4-Kanal-USB-Schnittstellenmodul, kann der Luft- und Raumfahrtausrüstungshersteller diese dualen Eingaben genau messen und überwachen. Diese Daten sind entscheidend für Flugsteuerungssysteme, um sicherzustellen, dass Piloteneingaben zuverlässig in Flugzeugbewegungen umgesetzt werden, und um den ordnungsgemäßen Betriebszustand der Steuerungen zu validieren. Lesen Sie mehr: Flugzeug-Steuerhorn-Drehmomentmessung.

Fazit

Diese beiden Beispiele verdeutlichen die breite Palette von Anwendungen, von der Sicherstellung der mechanischen Integrität eines kleinen Verbrauchergeräts bis zur Validierung der Echtzeit-Funktionalität eines kritischen Luftfahrt-Steuersystems. In beiden Fällen sind die Effizienz und die umfassenden Daten, die von einem einzigen 2-Achsen-Kraftsensor zur Messung sowohl linearer als auch rotatorischer Kräfte bereitgestellt werden, für vertrauensvolle Ingenieurentscheidungen unerlässlich.

Mit ihrer inhärenten Präzision, geringem Übersprechen und dauerhaftem, ermüdungsbeständigem Design sind Interface 2-Achsen-Kraftsensoren ideal für kritische Anwendungen geeignet, die eine detaillierte Analyse aus mehreren Achsen erfordern. Zu diesen Anwendungen gehören die Optimierung von Prothesendesigns, die Analyse von Kräften in automobilen Windkanälen und die Überwachung struktureller Lasten in militärischen und Luft- und Raumfahrtstrukturen.

Erfahren Sie mehr über Interface Mehrachsen-Sensoren.