Hoe werkt een Loadcel (krachtopnemer) ?

Wat is een loadcell, krachtsensor of krachtopnemer?

Per definitie is load cell (of loadcell) een type transducer, met name een krachttransducer . Het zet een mechanische kracht zoals belasting, gewicht (ook bekend als gewichtssensoren ), spanning , compressie of druk (ook bekend als druksensoren voor drukmeting - (echter een druk sensor is iets anders dan een kracht sensor) om in een andere fysieke variabele, in dit geval in een elektrische uitvoer signaal dat kan worden gemeten, omgezet en gestandaardiseerd. Naarmate de kracht die op de krachtsensor wordt uitgeoefend toeneemt, verandert het elektrische signaal proportioneel.

Krachttransducers werden een essentieel element in veel industrieën, van de automobielindustrie, de productie met hoge precisie, de lucht- en ruimtevaart en defensie, de industriële automatisering, de medische en farmaceutische sector en de robotica, waar betrouwbare en uiterst nauwkeurige belastingsmeting van het grootste belang is (dwz medische load cell). Meest recentelijk, met de vooruitgang in Collaborative Robots (Cobots) en Surgical Robotics, zijn er veel nieuwe toepassingen voor krachtmeting in opkomst, zoals medische miniatuursensoren voor robotchirurgie.

Hoe werkt een loadcell?

Ten eerste moeten we de onderliggende fysica en materiaalwetenschap begrijpen achter het werkingsprincipe van de load cell, de Rekstrook (Strain Gauge) (soms ook spanningsmeter genoemd ). Metaalfolie-rekstrookjes zijn een materiaal waarvan de elektrische weerstand varieert met de uitgeoefende rek of stuiking van de rekstrook. De rekstrook wordt aangebracht op een metalen lichaam waarop de kracht wordt aangebracht. Het metalen lichaam vervormt en hierdoor zal de rekstrook rekken of samendrukken omdat deze zeer vast op het metalen lichaam geplakt is met speciale lijm. De rekstrook zet nu dus kracht, druk, spanning, compressie, koppel, gewicht, enz. om in een verandering in elektrische weerstand, die vervolgens kan worden gemeten. Dus, metaalfolie-rekstrookjes zijn de bouwsteen van het werkingsprincipe van de krachtsensor. 

Rekstrookjes zijn elektrische geleiders die stevig in een zigzagvorm aan een film zijn bevestigd. Wanneer aan deze film wordt getrokken, rekt hij – en de geleiders – uit en wordt hij langer. Wanneer het wordt geduwd, wordt het samengetrokken en wordt het korter. Door deze vormverandering verandert ook de weerstand in de elektrische geleiders. De spanning die in de load cell wordt uitgeoefend, kan op basis van dit principe worden bepaald, aangezien de weerstand van de spanningsmeter toeneemt met de uitgeoefende spanning en afneemt met samentrekking.

Een krachtsensor (of transducer ) is gemaakt van een metalen lichaam (ook wel flexure genoemd) waaraan folie- rekstrookjes zijn gebonden. Het sensorlichaam is meestal gemaakt van aluminium of roestvrij staal, wat de sensor twee belangrijke kenmerken geeft: (1) biedt de stevigheid om hoge belastingen te weerstaan en (2) heeft de elasticiteit om minimaal te vervormen en terug te keren naar zijn oorspronkelijke vorm wanneer de kracht wordt uitgeoefend of wordt verwijderd.

Wanneer kracht (spanning of compressie) wordt uitgeoefend, werkt het metalen lichaam als een "veer" en wordt licht vervormd, en tenzij het wordt overbelast, keert het terug naar zijn oorspronkelijke vorm. Naarmate de buiging vervormt, verandert het rekstrookje ook van vorm en bijgevolg van zijn elektrische weerstand, wat een differentiële spanningsvariatie creëert via een Wheatstone Bridge-circuit . De verandering in spanning is dus evenredig met de fysieke kracht die op de buiging wordt uitgeoefend.

Deze rekstrookjes zijn gerangschikt in wat een Wheatstone Bridge Circuit wordt genoemd (zie het geanimeerde diagram van het loadcell-circuit). Dit betekent dat vier rekstrookjes als een brug-circuit met elkaar zijn verbonden. Het meetraster van de te meten kracht is overeenkomstig uitgelijnd, zodat de gevoeligheid van de sensor toeneemt.

De load cell-versterkermodule (of loadcell-signaalomvormers) leveren gereguleerde excitatiespanning aan de Wheatstone-brug van de loadcell en zetten het mV/V uitgangssignaal om in een andere vorm van signaal dat nuttiger is voor de gebruiker. Het signaal dat door de rekstrookjesbrug wordt gegenereerd, is een signaal van lage sterkte en werkt mogelijk niet met andere componenten van het systeem, zoals PLC, data-acquisitiemodules (DAQ), loadcell-dataloggers, computers of microprocessors. Zo omvatten rekstrookversterkerfuncties excitatiespanning, ruisfiltering, signaalversterking en uitgangssignaalomzetting.

Verder is de verandering in de uitgangsspanning van de rekstrookversterker gekalibreerd om lineair evenredig te zijn met de kracht die op de sensor flexure wordt uitgeoefend.

Een belangrijk concept met betrekking tot krachtopnemers is de gevoeligheid en nauwkeurigheid van de load cell. Krachtsensornauwkeurigheid kan worden gedefinieerd als de kleinste hoeveelheid kracht die op het sensorlichaam kan worden uitgeoefend om een lineaire en herhaalbare variatie in de uitgangsspanning te veroorzaken. Hoe hoger de nauwkeurigheid van de krachtopnemer , des te beter, omdat deze consistent zeer voelbare krachtvariaties kan vastleggen. In toepassingen zoals fabrieksautomatisering met hoge precisie, chirurgische robotica, ruimtevaart, is lineariteit van de loadcel van het grootste belang om het PLC- of DAQ-besturingssysteem nauwkeurig te voeden met de nauwkeurige krachtmeting . Sommige van onze Universal Pancake Load Cells hebben een niet-lineariteit van ± 0,1% (van het nominale vermogen) en een niet-herhaalbaarheid van ± 0,05% RO.

Wat zijn de voordelen van op rekstrookjes gebaseerde loadcellen?

Spanningsmeters van metaalfolie (geen trekdraadsensor) zijn de meest gebruikte technologie, gezien de hoge nauwkeurigheid, betrouwbaarheid op lange termijn, verscheidenheid aan vormen en sensorgeometrie en kosteneffectiviteit in vergelijking met andere krachtmetingstechnologieën. Ook worden sensoren voor het meten van rekstrookjes minder beïnvloed door temperatuurschommelingen.

• De hoogste nauwkeurigheid die kan voldoen aan vele normen, van chirurgische robotica tot ruimtevaart;
• Robuuste constructie gemaakt van roestvrij staal of aluminium met hoge weerstand en kleine deflectie.
• Behoud hoge prestaties bij de langst mogelijke levensduur, zelfs onder de meest rigoureuze omstandigheden. Sommige loadcelontwerpen kunnen oplopen tot miljarden volledige cycli (levensduur).
• Een overvloed aan geometrieën en aangepaste vormen, evenals montage-opties voor elke schaal nagenoeg elke plek.
• Een volledig scala aan selecties met capaciteiten variërend van 10 gram tot 100.000 pond.

Wat zijn de soorten loadcellen?

Hoewel er verschillende technologieën zijn om kracht te meten , zullen we ons concentreren op het meest voorkomende type load cell: metaalfolie-rekstrookjes. Binnen de soorten krachtsensoren is er een verscheidenheid aan sensorvormen en geometrieën, elk voor verschillende toepassingen. Leer ze kennen als u een loadcel wilt kopen :

• In-Line Load Cell - Meestal aangeduid als in-line krachtopnemers krachtsensor met mannelijke schroefdraad. Deze stijl van belastingkrachtopnemer kan worden gebruikt in zowel duw- als trekkrachttoepassingen (ook bekend als push-pull load cell ). In-line sensoren bieden een hoge nauwkeurigheid en hoge stijfheid met minimale benodigde montageruimte. Ze zijn geweldig voor uithoudingsvermogen, drukmetingstoepassingen en krachtmetingssensoren voor fitnessapparatuur . Ook aangeboden in geminiaturiseerde versies als micro load cell (ook bekend als micro force sensor , mini load cell , mini force sensor of milligram load cell ).
• Column Load Cell - FUTEK biedt een breed scala aan Canister Load Cells (ook bekend als Column Load Cell ) ontworpen voor compressietoepassingen met hoge capaciteit, zoals CNC Machine Vise Clamping Force Test . Deze modellen bieden een robuuste constructie met een capaciteit van 2.000 tot 30.000 lbs. FUTEK heeft ook een serie miniatuur Load Cell Canisters ontwikkeld voor toepassingen waarbij grootte een kritische factor is.
• Laadknop - Deze krachtopnemers hebben een enkel plat, verhoogd oppervlak (ook wel een knop genoemd) waar de compressiekracht wordt uitgeoefend. Wat indrukwekkend is aan laadknoppen, is hun onopvallende laadcelontwerp . Hoe klein ze ook zijn, ze staan bekend om hun robuustheid en worden gebruikt in vermoeiingstoepassingen. Sommige toepassingen vereisen miniatuurmodi, zoals de LLB130 subminiatuur load cell- laadknop. Meting van de belasting van lagers met wentellagers is een toepassing waarbij belastingsknoppen worden gebruikt.
• S Beam Load Cell - Met andere namen, waaronder Z Beam Sensor, S Type load cell , is de S Beam Load Cell een spanningsbelastingscel en compressiebelastingscel met vrouwelijke schroefdraad voor montage. Met een hoge nauwkeurigheid en een dunne straal-laadcel , compact profiel, is dit type krachtsensor ideaal voor in-line verwerking en geautomatiseerde controle-feedbacktoepassingen. S Beam Load-cellen kunnen ook worden gebruikt als een contactloze stromingssensor in toepassingen voor vloeistofstromingsmeting.
• Thru Hole Load Cell - Ook bekend als donut load cell of wasmachine load cell, hebben thru hole loadcellen traditioneel een gladde binnendiameter zonder schroefdraad die wordt gebruikt om drukbelastingen te meten waarvoor een staaf door het midden moet gaan. Een van de belangrijkste toepassingen van dit sensortype is het meten van de boutbelasting.
• Pancake Load Cells - Pancake load cell, universal load of shear web load cell hebben een centraal schroefdraadgat voor het meten van belastingen in trek of compressie. Deze krachtopnemers worden gebruikt in toepassingen die een hoog uithoudingsvermogen, een hoge vermoeiingslevensduur of in-line metingen met hoge capaciteit vereisen, zoals materiaalkrachttests , loadcellen voor tankweegsystemen of toepassingen met kraanweegcellen . Ze zijn ook zeer goed bestand tegen belasting buiten de as en zijn ook verkrijgbaar als pancake-weegcel met laag profiel .
• Rod End Load Cell - Ook bekend als Actuator Load Cell , dit type belastingstransducer biedt één buitendraad en één binnendraad voor montage. De combinatie van mannelijke en vrouwelijke schroefdraad is zeer geschikt voor toepassingen waarbij u een krachtsensor moet aanpassen aan een bestaand armatuur.
• Bending Beam Load Cell - Biedt een slank ontwerp waardoor het ideaal is voor OEM-toepassingen. Gebruikt in compressie, kunnen de Bending Beam Load Cells worden gebruikt om kracht, oppervlaktedruk en verplaatsing te meten voor OEM-toepassingen. Met zijn miniatuurformaat is de Cantilever Load Cell een geweldige keuze voor krappe omgevingen.
• Single Point Load Cell - Aan de zijkant gemonteerde loadcel met een enkelpunts ontwerp dat speciaal is gemaakt voor OEM-toepassingen die hoge precisie of een hoog volumeproductie vereisen. Deze op rekstrookjes gebaseerde krachtsensoren, ook bekend als Shear Beam Load cell , meten spanning en compressie en zijn ook bekend als compacte parallellogramsensoren of single point load cell . Zijwaarts gemonteerde loadcellen zoals de sensoren uit de LSM-serie zijn een aanbevolen OEM-oplossing voor gewichtsmeting en zijn sensoren die worden gebruikt in flessenvulinstallaties .

Er zijn ook andere unieke ontwerpen beschikbaar, zoals de load-pin-loadcellen (ook bekend als load-cell-pin), veiligheidsgordel-loadcel en andere.

Deze tekst is geschreven door FUTEK Advance Sensor Technology in de VS. PIMZOS is de distributeur voor FUTEK in de Benelux.