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Measuring force and displacement dynamically and with high precision

PTB's Technology Transfer Department introduces a novel dynamic force-displacement sensor and nano- and micro-force sensors at the Measurement Fair "Sensor+Test 2010"

10.05.2010

Whether in the field of vibration technology or in mechanical engineering: The measurement of forces and torques is the basis for numerous applications in industry and research, e.g. material testing. So far, however, the dynamic calibration of test equipment, e.g. material testing machines, has been a problem. The measurands "force" and "displacement" are often calibrated only statically - individually and sequentially. This is not only time-consuming, but can also lead to a great measurement uncertainty in a dynamic test. The overall behaviour of material sample and testing machine - the latter is also minimally deformed by the loading procedure - is not taken into account. Therefore, Rolf Kumme and André Buß of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) came up with the idea of developing a novel transfer standard. It can measure force and displacement jointly and dynamically. The dynamic force-displacement sensor can thus be used for a dynamic and application-oriented in-situ calibration. The results are traceable and more precise than before.

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.