Kraft und Weg dynamisch und präzise messen

Ob im Bereich Schwingungstechnik oder im Maschinenbau: Die Messung von Kräften und Momenten ist Grundlage zahlreicher Anwendungen in Industrie und Forschung, wie zum Beispiel der Materialprüfung. Ein Problem dabei ist bisher die dynamische Kalibrierung von Prüfeinrichtungen, wie etwa Werkstoffprüfmaschinen.

Die Messgrößen Kraft und Weg werden häufig nur in statischer Form, einzeln und nacheinander kalibriert. Das ist nicht nur zeitaufwendig, sondern kann zu einer großen Messunsicherheit bei einer dynamischen Prüfung führen. Das Gesamtverhalten von Materialprobe und Prüfmaschine, die sich durch den Belastungsvorgang ebenfalls minimal verformt, bleibt dabei unberücksichtigt.

Deshalb kamen Rolf Kumme und André Buß von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) auf die Idee, ein neuartiges Transfernormal zu entwickeln. Es kann Kraft und Weg gemeinsam und dynamisch messen. Der dynamische Kraft-Weg-Sensor kann somit für eine dynamische und anwendungsnahe In-situ-Kalibrierung eingesetzt werden. Die Ergebnisse sind rückführbar und präziser als bisher.

Eine wichtige Voraussetzung für die dynamische Kalibrierung von Werkstoffprüfmaschinen ist, dass die Steifigkeit des Sensors an den jeweiligen Prüfling angepasst werden kann. Deshalb ist der Kraft-Weg-Sensor modular aus einem Federelement, Sensoren und Einspanneinheiten aufgebaut. Entsprechend der Anwendung kann eine Feder mit höherer oder geringerer Steifigkeit verwendet werden. Ob der Prüfling nun aus Kunststoff oder Stahl besteht – eine anwendungsnahe Kalibrierung ist in jedem Fall möglich. Die Messungen von Kraft und Weg können durch die Verwendung zweier Sensoren unabhängig voneinander rückgeführt werden. Das Prinzip eines Kombinationssensors ist auch auf Größen wie Drehmoment, Drehwinkel und Federsteifigkeit übertragbar und kann dann zur Kalibrierung von Torsions- und Motorenprüfständen eingesetzt werden.

Neben dem Kraftaufnehmer selbst müssen auch die nachfolgenden Messverstärker kalibriert werden. Deren dynamische Kalibrierung für praktisch jeden zeitlich veränderbaren Spannungsverlauf bis in den Kilohertz-Bereich erlaubt das ebenfalls auf der Messe vorgestellte dynamische Brückennormal. Damit bietet die PTB auf der Sensor+Test ein Rundum-sorglos-Paket zur Kalibrierung dynamischer Kräfte an.

Für die Nano- und Mikrotechnik können kleine Kräfte mit dem Mikro- und dem linearen Nanokraftsensor erstmals in den Bereichen von Milli- bis Mikronewton bzw. Mikro- bis Nanonewton präzise gemessen werden. Durch die zunehmende Miniaturisierung technischer Prozesse bietet sich hier ein breites Anwendungsfeld, beispielsweise in taktilen Koordinatenmessgeräten, medizintechnischen Produkten oder der Messung biologischer Proben.

In Halle 12, Stand 261 stehen Mitarbeiter der PTB zur Beantwortung von Fragen zum Technologietransfer zur Verfügung. ms/ptb

Ansprechpartner Technologietransfer
Dr. Bernhard Smandek, Tel: (0531) 592-8303, E-Mail: bernhard.smandek@ptb.de
Ansprechpartner dynamischer Kraft-Weg-Sensor
Dr. Rolf Kumme, Fachbereich 1.2 Festkörpermechanik, Tel.: (0531) 592-1200,
E-Mail: rolf.kumme@ptb.de