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Kräftemessen im mN-Bereich

Immer häufiger werden in verschiedenen technischen Anwendungsbereichen sehr kleine Kräfte gemessen und erzeugt. Beispiele hierfür sind taktile Messtaster in der Fertigungsmesstechnik und Aktuatoren in der Mikromontage sowie Anwendungen in medizintechnischen Produkten, etwa in Insulinpumpen und funktionellen Kathetern. Für den Kraftbereich von 1 mN bis 2 N hat die PTB eine neue Normalmesseinrichtung auf der Basis von elektromagnetisch kompensierten Wägezellen entwickelt und in Betrieb genommen.

Die wesentlichen Komponenten der neuen Messeinrichtung sind eine elektromagnetisch kompensierte Wägezelle sowie ein piezoelektrischer Aktuator, der die Prüfkräfte gleichzeitig auf die über ihm montierte Wägezelle sowie auf den unter ihm angebrachten, zu kalibrierenden Kraftaufnehmer aufbringt. Der Prüfling wird somit in Normallage betrieben. Zur Vermeidung zusätzlicher Querkräfte erfolgt die Krafteinwirkung auf den Prüfling über eine horizontale Entkopplung, zusätzlich ist der Aufnehmer justierbar zum Piezoaktuator angeordnet. Um die Prüfkräfte definiert erzeugen zu können, müssen wegen der hohen mechanischen Steifigkeit der Aufnehmer die Stellwege des Piezoaktuators mit einer Auflösung von besser als 1 nm auf das Wägezellensignal geregelt werden. Hieraus resultieren sehr hohe Anforderungen an die thermische und mechanische Stabilität der für die Messeinrichtung notwendigen Komponenten, insbesondere des höhenverstellbaren und justierbaren Einbaurahmens.

In der neuen Messeinrichtung wurde bislang eine elektromagnetisch kompensierte Wagezelle mit maximalem Bereich von 2 N und einer Auflösung von 0,1 µN eingesetzt. Eine Erweiterung auf Wägezellen mit maximalem Bereich von 12 N bzw. 0,2 N ist vorgesehen. Mit der verwendeten Wägezelle erscheinen Kraftstufen von 2 N bis herunter zu 1 mN möglich, da eine Messunsicherheit bis unter 1 µN erreicht werden konnte. Die Messunsicherheit ist dabei zum Teil von den Eigenschaften des Aufnehmers selbst beeinflusst, wie zum Beispiel seiner Langzeitstabilität, seiner Temperaturabhängigkeit und seiner Empfindlichkeit gegenüber den Einbaubedingungen.

Durch die neue Normalmesseinrichtung wurde die Kraftskala der PTB zu kleinen Kräften von bis zu 1 mN hin erweitert. Geeignete Kraftaufnehmer können nunmehr mit Unsicherheiten im µN-Bereich kalibriert werden. Zur Messung noch geringerer Kräfte im nN-Bereich mit pN-Empfindlichkeit, die z.B. in der Rastersondenmikroskopie oder auch in molekularen Bindungen relevant sind, wird zurzeit eine noch empfindlichere Messeinrichtung in der PTB aufgebaut, die auf einem anderen Messprinzip basiert.

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