Zur Messung von Kräften nutzt man verschiedene physikalische Effekte, bei denen ein definierter Zusammenhang zwischen Kraft und einer anderen Größe besteht, z.B. Elastizität (Dehnung, Längenänderung), Druck, Piezoelektrizität u.a. Die verbreitetste Methode zum Messen von Kräften ist die Ausnutzung der elastischen Verformung von Festkörpern. Es gibt mechanische -, hydraulische -, und elektrische Kraftaufnehmer.

Definition der Kraft : Die Kraft ist die Ursache für eine Form- oder Bewegungsänderung eines Körpers. Die physikalische Größe Kraft kann als Produkt der Masse m eines Körpers und der Beschleunigung a, die er unter Einwirkung der Kraft F erfahren würde dargestellt werden.

Mechanische Kraftaufnehmer werden vorzugsweise für statische Einzelmessungen eingesetzt und dort wo eine geringe Meßgenauigkeit und eine Meßwertanzeige vor Ort ausreicht.

Hydraulische Kraftaufnehmer können bei mittlerer Meßgenauigkeit und im rauhen Betrieb verwendet werden. Die Anzeige erfolgt über Druckmesser, die direkt an dem Kraftaufnehmer angebracht sind.

Elektrischer Kraftaufnehmer erreichen je nach meßtechnischem Aufwand höchste Genauigkeit. Sie sind auch für robusten Betrieb und dynamische Meßaufgaben geeignet. Auf elektrischer Kraftaufnehmer wird im folgendem genauer Eingegangen.

1.1 Arten von elektrischen Kraftaufnehmern

1.1.1 DMS-Kraftaufnehmer

1.1.2 Induktive Kraftaufnehmer

1.1.3 Magnetoelastische Kraftaunehmer

1.1.4 Piezoelektrische Kraftaufnehmer

1.1.5 Schwingsaiten - Kraftaufnehmer

1.1.6 Kreisel - Wägezelle

1.2 Aufbau und Funktion von Kraftaufnehmern

1.1.1 DMS - Kraftaufnehmer

Von allen Verfahren zum Messen von Kräften haben die DMS - Kraftaufnehmer von den elektrischen Kraftaufnehmern die größte Bedeutung. Der Meßbereichsumfang ist bei DMS - Kraftaufnehmern ungewöhnlich groß.In der einfachsten Form besteht ein Verformungskörper aus einem axial belasteten Stab. Bei Belastung wird der Stab gestaucht, wobei sich sein Umfang vergrößert. Die im Bereich des homogenen Kraftverlaufs aufgeklebten DMS werden so zu einer Wheatstoneschen - Brücke geschaltet, daß sich in den beiden benachbarten Brückenzweigen jeweils die längs -bzw. quergeklebten DMS befinden. Bei einer Verformung des Körpers ändern sich die Widerstände der DMS - Streifen und das Brückengleichgewicht wird verstimmt und führt zu einer elektrischen Spannungsänderung . Die Spannungsänderung ist ein Maß für die Kraft. Sie eignen sich sowohl für statische als auch für dynamische Messungen.

1.1.2 Induktive Kraftaufnehmer

Induktive Kraftaufnehmer haben gegenüber den DMS - Aufnehmern anders gelagerte Einsatzgebiete die sich aus ihrem Aufbau und den typischen Eigenschaften ergeben. Bei induktive Kraftaufnehmer wird die Abstandsänderung zwischen zwei Punkten eines Verformungskörpers bei Krafteinwirkung gemessen. Als Meßelement dienen induktive Wegaufnehmer (Differentialdrossel, Differentialtransformator). Anwendung finden sie vorwiegend im Bereich kleinerer Kräfte. Sie sind durch ein großes Meßsignal gekennzeichnet und werden daher gerne im Labor und Prüffeld für statische und dynamische Meßzwecke eingesetzt. Induktive Kraftaufnehmer sind zu dem sehr Preiswert.

 Induktive Sensoren :

1.1.3 Magnetoelastische Kraftaunehmer

Diese Kraftaufnehmer bestehen aus ferromagnetischen Materialien, bei denen sich ihre Permeabilität in der Richtung ändert, in der Zug- oder Druckkräfte auf sie einwirken. Ein magnetoelastischer Kraftaufnehmer kann aus einem Meßkörper aus diesem Material bestehen, der zentral mit einer Drosselspule versehen ist. Die sich bei Belastung ergebende Induktivitätsänderung kann durch allgemein bekannte elektrische Schaltungen zur Anzeige gebracht werden. Wegen des großen Meßeffektes sind Meßverstärker nicht erforderlich. Sie sind vorzugsweise für robuste statische und quasistatische Messungen geeignet und das Meßelement verformt sich bei Belastung nur gering und ist daher für große Nennkräfte geeignet.

Sie finden Anwendung in Hüttenwerken, Kranwaagen und Galvanikbetrieben.  

1.1.4 Piezoelektrische Kraftaufnehmer

Piezoelektrische Kraftaufnehmer eignen sich zum Messen dynamischer und quasistatischer Kräfte, jedoch nur bedingt zum Messen statischer Kräfte. Bei ihnen dienen Quarzkristall - Scheiben als aktive Meßelemente. Bei Belastung entsteht an ihrer Oberfläche eine der Belastung proportionale elektrische Ladung. Sie entsteht im Moment der Kraft Einwirkung. Je nach Lage der Schnittflächen zu den Kristallachsen sind die Scheiben auf Druck - oder Schubkräfte empfindlich. Es ist möglich , mehrere Lagen verschiedenartig geschnittener Quarzscheiben übereinander zu legen, wodurch man einen 2 - oder 3 - Komponenten - Kraftaufnehmer zum Messen der Druckkraft und der Schubkraft erhält.

Ein nach geschalteter Ladungsverstärker wandelt die Ladungsänderung in eine entsprechende Spannung um. Diese Kraftaufnehmer ermöglichen Untersuchungen kleiner dynamischer Belastungsanteile und sind sehr steif, wodurch sie sich bei Belastung nur wenig verformen.

1.1.5 Schwingsaiten - Kraftaufnehmer

Bei diesem Verfahren wird die Eigenfrequenz einer eingespannten Meßsaite bei Längenänderung entsprechend der veränderten Zugspannung verändert. Zum Messen wird die Saite elektromagnetisch angezupft, ihre Frequenz in eine quifrequente elektrische Spannung umgewandelt und einem Zählgerät zugeführt. Die Meßsaite ist das Sensorelement aus einer dünnen Saite oder blatt-federähnlichen Struktur, das in Längsrichtung von der zu messenden Kraft beaufschlagt wird. Mittels Elektromagnet oder Piezoquarz erfolgt die Schwingungsanregung quer zur Längsachse. Die Schwingbewegung wird von einem gleichartigen Element erfaßt und über einen Resonanzverstärker auf den Erreger zurück gekoppelt.

Schwingungsaufnehmer werden in Waagen Eingesetz, z.B. zur geeichten Gewichtsbestimmung, zum Zählen, Sortieren, Mischen. Er findet auch als Industriewaage mittels einer Hebelübersetzung Anwendung und ist Vorwiegend für statische Messungen geeignet (wegen der Meßzykluszeit).

1.1.6 Kreisel - Wägezelle

Dies stellt eine völlig unkonventionelle Lösung zur Umsetzung von Kräften in definierte Bewegung dar. Kräfte senkrecht zur Achse einer drehenden Masse bewirkt ein Ausweichen der Drehachse senkrecht zur Kraftrichtung. Die Kreiselachse erfährt eine weitere Drehbewegung, deren Geschwindigkeit proportional der angreifenden Kraft ist. Die Drehgeschwindigkeit um die Präzessionsachse ermittelt ein quarzstabilisierter Zähler, wodurch das Ausgangssignal direkt in digitaler Form vorliegt.

Anbiter und Daten von Kraftaufnehmern: