Op de juiste manier krachten meten: Krachtsensor variaties samengevat

In technische systemen moeten de krachten precies goed zijn - als ze te zwak zijn, werkt de toepassing niet en als ze te sterk zijn, raakt het systeem beschadigd. Om zeker te zijn, moet je de krachten meten met specifieke krachtsensoren, de krachtopnemers, ook wel loadcellen genoemd. Wij laten zien welke opties er zijn en wat de voor- en nadelen van de verschillende sensoren zijn.

Het werkingsprincipe is voor alle krachtsensoren of krachtopnemenrs is in vergelijkbaar. Rekstrookjes, bijvoorbeeld gemaakt van een bepaalde metaallegering, worden uitgerekt onder belasting. Hierdoor verandert de elektrische weerstand van de meetstrip, waaruit de toegepaste kracht kan worden berekend. Het verschil tussen de verschillende soorten krachtopnemers zit voornamelijk in het ontwerp, in het aantal en de opstelling van deze rekstrookjes.

Duurzaam, maar relatief groot: Krachtopnemers met laag profiel

Krachtopnemers of krachtsensoren met een laag profiel, vaak ontworpen met afschuifbalken, bestaan uit meerdere stijve balkjes. Dit ontwerp zorgt voor een hoge structurele stijfheid, waardoor deze sensoren uitstekend presteren in toepassingen die veel cycli vereisen. Ze leveren een sterk en stabiel signaal en kunnen aanzienlijke dwarskrachten verwerken. Een nadeel van deze sensoren is dat ze relatief groot zijn in vergelijking met andere typen krachtopnemers.

De werking van dit type sensor is gebaseerd op afschuifbalken die de buitenste en binnenste ringen van de sensor met elkaar verbinden. Wanneer de sensor wordt belast, ervaren de balken een afschuiving die nauwkeurig wordt gemeten met behulp van rekstrookjes. In de meeste gevallen worden er acht of meer rekstrookjes gebruikt om de belasting nauwkeurig te meten en zo een hoge meetnauwkeurigheid te garanderen. Daarnaast helpt dit ontwerp bij het compenseren van de invloed van dwarskrachten, wat de betrouwbaarheid en precisie van de krachtmetingen verder verhoogt.

Voor centrisch werkende krachten: cilindrische krachtopnemers

Cilindrische krachtopnemers, ook wel bekend als ringkrachtopnemers, staan bekend om hun uitzonderlijke stijfheid, wat ze bijzonder geschikt maakt voor dynamische toepassingen. Door hun robuuste ontwerp kunnen ze hoge belastingen aan zonder vervorming, maar ze bieden doorgaans een lagere signaalsterkte in vergelijking met krachtopnemers met een laag profiel. Bovendien zijn ze minder goed bestand tegen zijwaartse krachten, wat hun gebruik in specifieke situaties kan beperken.

Een belangrijk punt bij het gebruik van ringkrachtopnemers is hun gevoeligheid voor niet-centrische krachten. Wanneer de kracht niet precies in het midden wordt uitgeoefend, kan dit de meetnauwkeurigheid aanzienlijk beïnvloeden en zelfs tot defecten leiden. In sommige gevallen kan schade al optreden wanneer de belasting slechts een derde van de maximale compressiekracht bedraagt. Dit maakt het essentieel om de kracht goed uit te lijnen voor betrouwbare metingen.

De allrounder: buigbalk load cells ofwel shear beam loadcell

Buigstaaf krachtopnemers, ook bekend als éénpunts krachtopnemers, zijn de allrounders onder de krachtopnemers. Shear beam loadcells zijn vaak de sensoren met de hoogste precisie en ze kunnen gecompenseerd worden voor dwarskrachten, bijvoorbeeld de ALF300. Deze weegsensoren met buigbalk zijn echter meestal niet ontworpen voor vermoeiing en hebben de neiging om te werken bij een hogere mechanische spanning dan vlakke profiel of cilindrische krachtopnemers. Daarom is hun levensduur korter in dynamische toepassingen. Een subcategorie is een S-vormige loadcel voor trekkrachten, die dezelfde voordelen heeft als een buigstaaf, maar erg gevoelig is voor zijwaartse belastingen.

Buigstaaf krachtopnemers worden gebruikt in de weeg- en meettechniek, vooral in platformweegschalen. Het ontwerp van single-point load cells maakt het mogelijk om het gewicht nauwkeurig te meten, ongeacht de positie van de last op het plateau. Dit wordt bereikt door het frezen en plaatsen van de rekstrookjes, die op de buigbalk worden gelijmd en de vervorming van de balk onder belasting registreren. Door de willekeurige positionering van de belasting hoef je niet meerdere loadcellen te gebruiken.

Voor de kleinere ruimte: Membraankrachtopnemer

Membraankrachtopnemers, ofwel Miniatuur krachtopnemers of membraam loadcell genoemd, zijn ideaal voor toepassingen waarbij een klein formaat cruciaal is. De ALF259 heeft bijvoorbeeld een diameter van maar 12,7 millimeter. Hierdoor is deze krachtopnemer ideaal voor gebruik in kleine ruimtes. Een voorbeeld is het meten van de grijpkracht in een robotarm.

Membraankrachtopnemers bestaan uit een dun membraan waarop de rekstrookjes worden aangebracht. Dit ontwerp maakt ze erg gevoelig voor laterale krachten en momenten. Het zijn ook niet de meest nauwkeurige sensoren en ze werken bij een veel hogere belasting dan de andere types. Daarom hebben ze vaak een uitgang van 1,5 mV/V of minder zodat ze niet overbelast worden. Deze Miniatuur krachtopnemers hebben geen hoge stijfheid en zijn qua nauwkeurigheid en levensduur niet geschikt voor zeer dynamische toepassingen.

Trends in krachtmeting

De huidige trends op het gebied van krachtsensoren zijn sterk gericht op miniaturisatie, specialisatie en integratie in intelligente systemen. Deze ontwikkelingen zijn erop gericht om krachtsensoren krachtiger en flexibeler te maken om te voldoen aan de groeiende eisen in verschillende industrieën.

Samenvatting

Krachtopnemers met een laag profiel staan bekend om hun hoge stijfheid en duurzaamheid, maar ze hebben als nadeel dat ze relatief groot zijn. Cilindrische krachtopnemers bieden maximale stijfheid bij centrisch werkende krachten, maar zijn kwetsbaar voor defecten wanneer de krachten niet precies centraal worden uitgeoefend. Krachtopnemers met buigbalken blinken uit in precisie en veelzijdigheid, maar hebben een kortere levensduur in dynamische toepassingen. Membraankrachtopnemers zijn compact en daardoor perfect geschikt voor situaties met beperkte inbouwruimte, maar ze bieden minder nauwkeurigheid en zijn niet ideaal voor zeer dynamische belastingstoepassingen.

Deze ontwikkelingen tonen aan dat krachtsensoren niet alleen compacter en intelligenter worden, maar ook steeds breder toepasbaar zijn. Ze worden gebruikt in uiteenlopende gebieden, variërend van uiterst nauwkeurige metingen in wetenschappelijk onderzoek tot integratie in alledaagse consumentengoederen.