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Piezoelektrische Sensoren

Dynamisches Messen direkt in der Fertigung

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Physikalische Grundlagen der Piezosensorik

Physikalische Grundlage für die Anwendung solcher Sensoren bildet der sogenannte piezoelektrische Effekt, der im Jahr 1880 von Pierre und Jacques Curie entdeckt wurde: Piezoelektrische Materialien erzeugen bei mechanischer Belastung (griechisch „piezein“: drücken) elektrische Ladungen. Ein wichtiger Schritt hin zur Anwendung des piezoelektrischen Effekts erfolgte mit der Patentierung des Ladungsverstärkers für piezoelektrische Signale durch Walter P. Kistler im Jahr 1950.

Mit dem Quarzkristall lässt sich der piezoelektrische Effekt besonders gut nutzbar machen: Bei mechanischer Belastung kann aus entsprechend bearbeitetem Quarz ein Ladungssignal generiert werden, welches direkt proportional zur einwirkenden Kraft ist. Die Erfassung der Meßgröße ist also nicht abhängig von Dehnung und Auslenkung, wie dies bei anderen Techniken der Fall ist. Die Dimension des Quarz­elementes bestimmt dabei lediglich die maximal zulässige Amplitude der Messgröße. Ein großer Sensor erzeugt demnach ein vergleichbares Signal wie ein gleich aufgebauter kleinerer Sensor. Über den nachgeschalteten Verstärker wird dann der erforderliche Messbereich eingestellt, wodurch die präzise Messung mit nur einem Sensor über mehrere Dekaden möglich wird, ohne den mechanischen Aufbau zu verändern.

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Kistler bietet auch piezoelektrische Kraftaufnehmer mit einem ICP-Ausgang, die das Rohsignal bereits im Sensor in eine Ausgangsspannung von 5 oder 10 V wandeln.

Aufgrund der enorm hohen Steifheit des Kristalls sind die Messwege entsprechend klein. Sie liegt meist im Bereich mehrerer Kilonewton pro Mikrometer, woraus eine hohe Eigenfrequenz des Messsystems resultiert. Dies ist gerade bei hochdynamischen Prozessen ein wesentliches Kriterium. Hinzu kommt, dass Quarz und Kristalle keine Ermüdung oder Langzeiteffekte wie Nullpunktverschiebungen oder Linearitätsänderungen aufweisen. Limitierend für den Einsatz von piezoelektrischen Sensoren kann in einigen Fällen die aus physikalischen Gründen auftretende Ladungsdrift sein. Je nach Amplitude der Messgröße und Auslegung der Messtechnik kann dennoch über mehrere Minuten oder sogar Stunden hinweg quasistatisch gemessen werden.

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