Grundlagen der Kernmessung von Kraft, Spannung und Dehnung

Die Kraftmessung ist in verschiedenen technischen Disziplinen von grundlegender Bedeutung, vom Entwurf komplexer mechanischer Systeme bis hin zum Bau robuster Strukturen.

Für Anwender von Interface-Wägezellen und anderen Präzisionskraftmessgeräten ist ein solides Verständnis der zugrunde liegenden Prinzipien von Kraft, Spannung und Dehnung unerlässlich für erfolgreiche Projekte, eine nahtlose Integration und genaue Testlaborprogramme.

Was ist Kraft?

Eine Kraft, oft auch als Last bezeichnet, ist ein äußerer Einfluss, der auf ein Objekt wirkt. Sie hat sowohl eine Stärke als auch eine Richtung, und ihre Einwirkung kann dazu führen, dass ein Körper seinen Bewegungszustand ändert (durch Beschleunigung, Verlangsamung oder Richtungsänderung) oder seine Form verändert.

Im Maschinenbau werden Kräfte häufig eingesetzt, um eine gewünschte Bewegung zu erzielen, während im Bauwesen das primäre Ziel in der Regel darin besteht, unerwünschte Bewegungen und Verformungen entgegenzuwirken oder zu minimieren, um die Integrität zu erhalten. Besuchen Sie unsere Test- und Messlösungen, um verschiedene Anwendungen zur Kraftmessung zu sehen.

Stress ist innerer Widerstand

Spannung ist der innere Widerstand pro Flächeneinheit, den ein Objekt als Reaktion auf eine auf es einwirkende äußere Kraft entwickelt. Sie quantifiziert die Verteilung der inneren Kräfte innerhalb eines Materials. Das Verständnis von Spannung ist für Anwender von Interface-Produkten von entscheidender Bedeutung. Wenn Sie eine Last auf eine Struktur oder Komponente ausüben, verursacht diese Last eine innere Spannung. Ihre Interface-Wägezelle misst die ausgeübte Kraft genau und liefert die Daten, die zur Berechnung dieser Spannungen erforderlich sind. So wird sichergestellt, dass ein Material innerhalb seiner sicheren Betriebsgrenzen bleibt.

Wie in unseren Lösungen für Belastungstests beschrieben, werden ermüdungsgeprüfte Wägezellen von Interface häufig in Prüfmaschinen und Prüfständen für Belastungstests eingesetzt. Diese Präzisions-Wägezellen sind so konstruiert, dass sie bis zu 100 Millionen vollständig umgekehrten Lastzyklen standhalten und sowohl im Zug- als auch im Druckmodus eine Überlastfestigkeit von bis zu 300 % aufweisen.

Dehnung ist das Maß für die Verformung

Die Dehnung ist das Maß für die Verformung eines Materials als Reaktion auf eine aufgebrachte Spannung. Im Gegensatz zur Spannung, die eine innere Kraft pro Flächeneinheit ist, ist die Dehnung eine dimensionslose Größe, die die relative Veränderung der Form oder Größe darstellt. Sie wird in der Regel als Verhältnis der Dimensionsänderung zur ursprünglichen Dimension ausgedrückt. Wie in unseren Lösungen für Dehnungsprüfungen dargelegt, ermöglicht das Verständnis der Streckgrenze und anderer wichtiger Kennzahlen Ingenieuren, Produkte zu entwickeln, die den Belastungen der realen Welt standhalten und potenzielle Ausfälle verhindern.

Die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung ist entscheidend. Innerhalb der Elastizitätsgrenze eines Materials ist die Spannung direkt proportional zur Dehnung, ein Konzept, das durch das Hookesche Gesetz beschrieben wird. Diese Beziehung beinhaltet eine Materialeigenschaft, die als Elastizitätsmodul (oder Elastizitätsmodul) bekannt ist.

Für Interface-Anwender ist die Dehnung besonders relevant, da viele Kraftmessgeräte, darunter auch Wägezellen, nach dem Prinzip der Dehnungsmessung funktionieren. Dehnungsmessstreifen, die grundlegenden Sensorelemente in Interface-Wägezellen, sind präzise mit einem sorgfältig konstruierten Federelement (Biegeelement) verbunden. Wenn eine äußere Kraft dieses Element verformt (Dehnung), ändert sich der elektrische Widerstand des Dehnungsmessstreifens proportional. Diese Widerstandsänderung wird dann in ein genaues elektrisches Signal umgewandelt, das Ihr Interface-Messgerät als präzisen Kraftwert interpretiert.

Wie Objekte auf Krafteinwirkung reagieren

Wenn eine Kraft auf ein Objekt einwirkt, kann dies zu verschiedenen Ergebnissen führen, darunter unterschiedliche Arten von Verformungen und sogar Versagen. Diese Reaktionen lassen sich wie folgt kategorisieren:

#1 – Elastische Verformung bezeichnet eine vorübergehende Veränderung der Form oder Größe eines Objekts, die vollständig zurückgeht, sobald die ausgeübte Kraft entfernt wird. Materialien verhalten sich bis zu einem bestimmten Punkt, der als Elastizitätsgrenze bezeichnet wird, elastisch. Zu den spezifischen Arten der elastischen Verformung gehören

• Zugfestigkeit: Eine Verlängerung oder Dehnung, die durch Zugkräfte verursacht wird. Siehe „Wie funktioniert eine Zugprüfung?“.
• Druck: Eine Verringerung der Länge oder des Volumens durch Druckkräfte. Siehe: Druckprüfung von Beton
• Scherung: Verformung, bei der parallele Schichten eines Materials aneinander vorbeigleiten, was häufig zu einer Verzerrung der Winkel eines Objekts führt. Das Verziehen ist ein spezieller Fall der Scherverformung, der typischerweise bei Rahmenkonstruktionen auftritt. Siehe: Vergleich zwischen Scherkraft- und Druckkraftmessung.
• Biegung (Flexural): Eine Kombination aus Zug- und Druckspannungen, die dazu führt, dass sich ein Objekt krümmt oder wölbt. Die daraus resultierende Verschiebung gegenüber der ursprünglichen Position wird als Durchbiegung bezeichnet. Lesen Sie: Grundlagen zu Biegebalken-Wägezellen.
• Torsion (Verdrehung): Eine Rotationsverformung, die durch eine aufgebrachte Drehkraft oder ein Drehmoment verursacht wird. Nutzen Sie dieses großartige Tool: Spickzettel für Drehmomentaufnehmer.

#2 – Plastische Verformung: Eine dauerhafte Formänderung, die auch nach Wegfall der Kraft bestehen bleibt. Dies tritt auf, wenn die aufgebrachte Spannung die Elastizitätsgrenze des Materials überschreitet und irreversible interne Strukturveränderungen verursacht.

#3 – Bruch: Das vollständige Brechen oder Trennen eines Materials aufgrund übermäßiger Krafteinwirkung oder Belastung. Im Gegensatz zur elastischen oder plastischen Verformung stellt ein Bruch eher ein Versagen des Materials als eine reversible Formänderung dar. Entdecken Sie Anwendungen für Ermüdungsprüfungen, um mehr über diese Art von Prüfungen zu erfahren.

Wägezellen zur Messung von Kraft, Spannung und Dehnung

Wägezellen von Interface sind hochentwickelte Geräte, die dazu dienen, die ausgeübte Kraft genau zu messen, indem sie mechanische Kraft in ein messbares elektrisches Signal umwandeln. Sie werden weltweit in zahlreichen Kraftmessprojekten, Integrationssystemen und Testlabors eingesetzt.

Im Kern erreichen Schnittstellen-Wägezellen diese Präzision durch den Einsatz präzise konstruierter Dehnungsmessstreifen. Diese winzigen Sensoren, die typischerweise in einer Wheatstone-Brückenschaltung angeordnet sind, werden mit einem sorgfältig bearbeiteten Metallelement innerhalb der Wägezelle verbunden, das oft als „Biegeelement” oder „Federelement” bezeichnet wird.

Wenn eine externe Kraft auf die Wägezelle ausgeübt wird, verformt sich die Biegeplatte proportional zur ausgeübten Kraft leicht (Dehnung). Diese geringe Verformung bewirkt, dass sich die Dehnungsmessstreifen dehnen oder zusammenziehen, wodurch sich ihr elektrischer Widerstand ändert. Die Wheatstone-Brückenschaltung wandelt diese Widerstandsänderungen dann in ein hochpräzises und wiederholbares elektrisches Spannungssignal um, das proportional zur ausgeübten Kraft ist. Dieses Spannungssignal wird an Geräte wie Verstärker, Anzeigegeräte und Datenerfassungssysteme übertragen, die den Kraftwert verarbeiten und anzeigen, häufig in Einheiten wie Pfund-Kraft (lbf), Newton (N) oder Kilogramm-Kraft (kgf).

Interface: Der weltweit führende Anbieter von Kraftmessgeräten

Für Anwender von Interface-Produkten in Testlabors, in der Fertigung, in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie und in vielen anderen Branchen ist eine präzise Kraftmessung unerlässlich. Sie gewährleistet Produktqualität und -sicherheit, sorgt für eine konsistente Prozesskontrolle, unterstützt die Forschung und Entwicklung bei der Charakterisierung von Materialeigenschaften, gewährleistet die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und steigert letztendlich die Effizienz und senkt die Kosten durch die Optimierung von Konstruktionen und die Vermeidung kostspieliger Ausfälle.

Durch das Verständnis der Grundprinzipien von Kraft, Spannung und Dehnung und das Wissen darüber, wie die fortschrittlichen Wägezellen und Messgeräte von Interface diese Phänomene genau messen, sind Sie besser darauf vorbereitet, das Potenzial Ihrer Kraftmesslösungen für alle Ihre kritischen Anwendungen zu maximieren. Nutzen Sie den neuen Ressourcen-Hub von Interface, ForceEDU, um weitere Artikel, Videos und Materialien zum Thema Kraftmessung zu finden.

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