Elasticity 101

In der Kraftmessung besteht eine häufige Fehlannahme darin, dass Steifigkeit das eigentliche Ziel sei. Wäre eine Kraftmessdose vollkommen starr, wäre sie nutzlos. Die gesamte Funktionsweise eines Kraftsensors basiert auf dem physikalischen Grundprinzip der Elastizität. Um Kraftmessdosen zu verstehen, sollte man sie als hochentwickelte Federn betrachten – nicht als massive Metallblöcke.

Was ist Elastizität in der Kraftmessung?

Elastizität ist im Wesentlichen die Fähigkeit eines Materials, sich unter Belastung zu verformen und nach Entfernung dieser Belastung in seine ursprüngliche Form zurückzukehren. Bei einer Kraftmessdose messen wir diese Verformung, um die aufgebrachte Kraft zu bestimmen. Wenn eine Last auf eine Kraftmessdose wirkt, verformt sich der Metallkörper – das sogenannte Flexurelement – auf mikroskopischer Ebene. Diese Veränderungen werden mithilfe von Dehnungsmessstreifen erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dies ist der Kraftmessung-Ausgangswert.

Die Physik des Hookeschen Gesetzes

Das Hookesche Gesetz besagt, dass die Kraft (F), die erforderlich ist, um eine Feder um eine bestimmte Strecke (x) zu dehnen oder zu komprimieren, linear mit dieser Strecke skaliert. Es lautet: F = (k) × (x), wobei:

• F die aufgebrachte Kraft ist.
• k die Federkonstante (die Steifigkeit des Materials) ist.
• x die Auslenkung (Verformung) ist.

Bei einer Kraftmessdose wünschen wir uns ein Material mit einem sehr vorhersehbaren Steifigkeitswert (k). Ist das Material nicht elastisch – verformt es sich also dauerhaft oder kriecht es –, kehrt der Verformungswert (x) nicht auf null zurück, und die Messungen werden ungenau.

Die Goldlöckchen-Zone: Die Grenze finden

Jedes Material hat einen Bruchpunkt, an dem es physisch versagt. In der Hochpräzisionstechnik ist jedoch ein viel früherer Schwellenwert entscheidend: die Elastizitätsgrenze, auch bekannt als Streckgrenze.

Die Streckgrenze ist der spezifische Punkt, an dem das Verhalten eines Materials von temporärer Biegung zu dauerhafter Verformung wechselt. Um zu verstehen, wie eine Kraftmessdose präzise bleibt, unterscheiden wir zwei Bereiche:

• Der elastische Bereich (die sichere Zone) ist der Kraftbereich unterhalb der Streckgrenze. Stellen Sie sich diesen als die Federphase vor: Sie tragen Kraft auf, das Metall biegt sich mikroskopisch. Da die Elastizitätsgrenze nicht überschritten wird, kehrt das Material in seine ursprüngliche Form zurück. Sobald die Kraft entfernt wird, springt es exakt in seinen Ausgangszustand zurück. Die sichere Zone ist der einzige Bereich, in dem eine Kraftmessdose betrieben werden sollte.
• Der plastische Bereich (die Schadenszone) beginnt, wenn Sie die Streckgrenze überschreiten und in die Plastizität eintreten. Wenn Sie eine Kraftmessdose überlasten – typischerweise jenseits von 150 % des Nennausgangs (RO%) –, verschiebt sich die innere Metallstruktur physisch. Das Material verliert seine Fähigkeit, in den Ausgangspunkt zurückzukehren, und bleibt dauerhaft verformt. Diesen Zustand bezeichnet man als permanenten Satz. Da das Metall nicht mehr auf null zurückkehren kann, ist die Sensorkalibrierung unwiderruflich zerstört.

Technischer Hinweis: Hochwertige Kraftmessdosen verwenden spezialisierte Legierungen wie 17-4 PH-Edelstahl oder hochfestes Aluminium, da diese einen breiten elastischen Bereich und minimale Hysterese aufweisen – also eine geringe Abweichung des Sensorausgangs beim Erhöhen gegenüber dem Verringern der Last.

Warum Elastizität für die Spezifikationen relevant ist

Wenn Sie die Spezifikationen eines Sensors – auch Datenblatt genannt – lesen, sehen Sie die quantifizierten Grenzen der elastischen Eigenschaften des Materials. Am Beispiel der 1200 LowProfile Kraftmessdosen-Serie lässt sich zeigen, wie diese Prinzipien in technische Leistungsmerkmale umgesetzt werden. Im Folgenden werden fünf wesentliche elastizitätsbezogene Spezifikationen aus den detaillierten Interface-Datenblättern vorgestellt.

#1 – Statisches Fehlerband (Nichtlinearität und Hysterese)

Hysterese bezeichnet die Differenz im Sensorausgang, wenn ein bestimmtes Gewicht von null angefahren wird, verglichen mit dem Annähern von einer höheren Last. Bei der 1200 Serie ist diese Hochleistungs-Kraftmessdose auf einen sehr engen Prozentsatz der Vollauslastung ausgelegt. Diese Spezifikation misst effektiv das Materialgedächtnis. Ein hochwertiges elastisches Material stellt sicher, dass das Flexurelement bei jeder Last – ob zunehmend oder abnehmend – denselben Weg zurückgeht. Weitere Details finden Sie unter Nichtlinearität 101 und Was ist der statische Fehlerbandausgang?

#2 – Kriechen (Creep)

Die Kriechspezifikation misst die Änderung des Lastausgangs über 20 Minuten unter konstanter Belastung. Kriechen ist ein entscheidender Test für die Elastizität: Ist das Material nicht vollkommen elastisch, verformt es sich leicht weiter, selbst wenn die Last konstant bleibt. Das Design der 1200 Serie minimiert diesen Effekt und sorgt dafür, dass das Signal bei Langzeitmessungen stabil bleibt.

#3 – Statische Durchbiegung

Die physische Bewegung des Sensors bei voller Kapazität ist die Definition der statischen Durchbiegung. Beim Modell 1210 beträgt diese Bewegung nur 0,001 Zoll (0,03 mm). Diese winzige Distanz ist das „x“ in der Formel F = (k) × (x). Sie repräsentiert die gesamte Flexibilität, die das Material aufbringen muss, um seinen Nennausgang zu erzeugen.

#4 – Sicherer Überlastbereich

Diese Spezifikation definiert die Grenze des elastischen Bereichs. Bei der 1200 Serie liegt der sichere Überlastbereich bei 150 Prozent der Nennkapazität. Das bedeutet: Der Sensor kann eine Last, die das 1,5-Fache seiner Nennkapazität beträgt, sicher aufnehmen, ohne die Streckgrenze zu überschreiten und in den plastischen Bereich einzutreten. Die Einhaltung dieses Grenzwerts stellt sicher, dass der Sensor stets zu seinem ursprünglichen Nullpunkt zurückkehrt. Weitere Informationen finden Sie unter Überlastung von Kraftmessdosen verstehen und verhindern.

#5 – Eigenfrequenz

Da die Kraftmessdose ein elastischer Körper ist, verhält sie sich wie ein mechanischer Oszillator. Das Datenblatt gibt die Eigenfrequenz in kHz an und zeigt damit, wie schnell der Sensor auf Kraftänderungen reagiert. Ein steiferer Sensor hat eine höhere Eigenfrequenz, was für Hochgeschwindigkeits- oder dynamische Prüfanwendungen mit schnell wechselnden Lasten unerlässlich ist.

Weitere Tipps zu Spezifikationen: