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Basiswissen

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Wie funktioniert ein piezoelektrischer Sensor?

Text: Stefan Schäfer, Kistler
Die Qualitäts- und Prozesskontrolle profitiert von den Vorteilen piezoelektrischer Messverfahren. Druck, Beschleunigung, Drehmoment und Kraft sind die Messgrößen, die durch die Entdeckung des Piezo-Effekts der Curie-Brüder, bestimmt werden können. Doch wie funktioniert ein solcher Sensor?

Piezoelektrische Sensoren können sowohl mit Piezo-Keramik als auch mit Piezo-Kristallen hergestellt werden. Bei Keramiken ist die piezoelektrische Konstante zwar höher, sie besitzen also eine größere Sensitivität, doch ist die Langzeitstabilität schlechter als bei Kristallen. Daher wird oft ein Quarzkristall verwendet. Dieser erzeugt bei mechanischer Belastung ein Ladungssignal, das direkt proportional zur einwirkenden Kraft ist. Durch die hohe Steifheit des Kristalls sind die Messwege entsprechend klein, sie liegen meist im Bereich weniger Mikrometer. Laufen die zu prüfenden Prozesse schnell und dynamisch, erweist sich die hohe Eigenfrequenz des Quarzes als vorteilhaft. Abhängig von der Lage der polaren Kristallachsen zur einwirkenden Kraft unterscheidet man verschiedene Piezoeffekte:

  • Beim Longitudinaleffekt entsteht die Ladung auf den Angriffsflächen der Kraft und kann dort über Elektroden abgenommen werden. Piezoelemente mit diesem Effekt reagieren empfindlich auf Druckkräfte und eignen sich für einfache und robuste Sensoren zur Messung von Kräften.

  • Wie beim Longitudinaleffekt ist auch beim Schub- oder Schereffekt die piezoelektrische Empfindlichkeit von der Form und Größe des Piezoelements unabhängig. Schubempfindliche Piezoelemente werden für Schubkraft-, Drehmoment- und Dehnungssensoren sowie für Beschleunigungssensoren verwendet. Geeignet für den Bau von Sensoren, die auch bei Temperaturänderungen ein gutes Verhalten aufweisen.

  • Durch eine geeignete Formgebung und Anordnung der Piezoelemente ist es beim Transversaleffekt möglich, eine größere Ladungsausbeute zu erreichen. Elemente, die diesen Effekt aufweisen, eignen sich für hochempfindliche Druck-, Dehnungs- und Kraftsensoren.

Ladungsverstärker wandeln die vom Sensor abgegebene Ladung in eine proportionale Spannung um. Der Verstärker wirkt als Integrator und kompensiert ständig die vom Sensor abgegebene elektrische Ladung am Bereichskondensator proportional zur wirkenden Messgröße. Mit Quarzsensoren lassen sich Kräfte sowohl direkt als auch indirekt messen. Bei der direkten Messung liegt der Sensor voll im Kraftfluss und misst die ganze Kraft. Das ergibt eine hohe Messgenauigkeit, die nahezu unabhängig vom Angriffspunkt der Kraft ist. Kann der Sensor nicht direkt in den Kraftfluss platziert werden, misst der Sensor nur einen Teil der Kraft und der Rest fließt über die Einbaustruktur, den Kraftnebenschluss, ab. Bei indirekter Kraftmessung wird mit Dehnungssensoren die Prozesskraft indirekt über die Strukturdehnung gemessen. Quarzsensoren sind stabil, robust und kompakt. Daher sind sie nicht nur in der Forschung und Entwicklung, sondern auch in Produktion und industrieller Prüftechnik verbreitet.

Überlastgeschützt und dynamisch

Alterungs- und Belastungsuntersuchungen an Kraftfahrzeugkomponenten erfordern eine dynamische Kraftmessung. Die Quarz-Kraftaufnehmer bestehen aus aktiven Sensorelementen, die ein lineares Ladungssignal am Ausgang erzeugen, das zur einwirkenden Kraft proportional ist. Da die Kraftmessung direkt über die Sensorelemente und nicht indirekt über die Verformung einer Struktur erfolgt, kann man die Sensoren für mehrere Messbereiche verwenden. Aus diesem Grund können diese Elemente über mehrere Dekaden messen und müssen nicht getauscht werden. Einen weiteren Vorteil bieten die Piezosensoren bezüglich Überlastschutz: Quarz-Kraftaufnehmer reagieren auf Belastung, nicht auf Dehnung. Das bedeutet, dass während der Messung praktisch keine Auslenkung auftritt. Die meisten Aufnehmer haben eine Druckfestigkeit von 3,0 x 108 Pa, wodurch eine massive Überlastung möglich ist, ohne sie dauerhaft zu schädigen.

Auch hinsichtlich der Empfindlichkeitsstabilität bieten piezoelektrische Sensoren einen Mehrwert: Quarz-Kraftaufnehmer bestehen aus einer Festkörperkonstruktion. Da Quarz-Elemente unter Belastung nicht ausgelenkt werden, ist die Wahrscheinlichkeit für eine Empfindlichkeitsänderung sehr gering und Kalibrierintervalle können erweitert werden.

Die Abmessungen sind häufig ein entscheidender Punkt bei der Auswahl. Quarz-Kraftaufnehmer sind hier ebenfalls im Vorteil, da sie nur wenig Platz benötigen und somit nur eine unbedeutende Masse für dynamische Untersuchungen hinzufügen. Weitere Vorteile sind die hohe Ausgangsspannung von 5 oder 10 V bei ICP-Ausgang, ein Betriebstemperaturbereich von –73 °C bis +204 °C sowie die niedrigen Lebenszykluskosten. Nicht geeignet ist diese Prinzip für statische Langzeitmessungen.

Prozessintegrierte QS

Die erfassten Daten werden in entsprechenden Monitorsystemen visualisiert, bewertet und dokumentiert. Eine Integration solcher Überwachungssysteme in die Produktion ist nötig, um die Qualität der hergestellten Produkte zu überprüfen. So überwacht das Monitorsystem maXYmos von Kistler den gesamten Herstellungsprozess in der Montagetechnik und bringt die Produktion dem Ziel der absoluten Null Fehler Produktion ein Stück näher.

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