1 Überblick über die Sensorik

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208 4.2 Piezoelektrische Kraft- und Drucksensoren 4.2.2 Aufbau piezoelektrischer Kraft- und Drucksensoren 209
Piezoelektrische Kraftsensoren haben bei einem mechanischen Aufbau wie in Bild
4.2.2-1 gegenüber anderen Sensorprinzipien mehrere grundsätzliche Vorteile:
– Der Sensor ist mechanisch starr aufgebaut, d.h. es findet nur eine äußerst geringe
Auslenkung einer Membran oder Halterung (deren Eigenschaften die Messung selbst
nicht beeinflussen) in der Größenordnung der elastischen Verformung des piezoelektrischen
Elements statt. Ein solcher Aufbau führt zu einer mechanisch sehr stabilen
Konstruktion mit einer geringen Neigung zu mechanischen Eigenschwingungen
oder Nachschwingeffekten bei kurzzeitiger Belastung, sowie einer sehr geringen Hysterese.
– der piezoelektrische Effekt selber hat einen vergleichsweise niedrigen Temperaturkoeffizienten
– der Sensor benötigt keine äußere Spannungsversorgung, er erfordert aber eine
empfindliche elektronische Weiterverarbeitung (Integration kleiner Ladungen bis
zur Spannungskompensation auf Null, s. auch Abschnitt 3.5)
– der Wirkungsgrad der Energieumwandlung (mechanische in elektrische Energie)
ist besonders hoch.
Tab. 4.2.2-1
a)
Oberflächenladungen an piezoelektrischen Sensoren können nur präzise bestimmt
werden bei Anwendung einer sehr hochohmigen Isolation und Verstärkerstufen mit
niedrigen Eingangs-Leckströmen (nach [4.34])
a) Isolationswiderstände von Werkstoffen, welche für die Isolation piezoelektrischer
Sensoren eingesetzt werden können, sowie andere Anwendungen dieser
Werkstoffe
b) Leckströme verschiedener Ladungsverstärker-Eingangsstufen.
Dagegen steht ein typischer Nachteil bei piezoelektrischen Sensoren, der auch schon bei
den pyroelektrischen aufgetreten war:
– Eine Kraftänderung führt zu einer Änderung der induzierten Oberflächenladung,
die auf den angeschlossenen Metallelektroden eine Differenz der Fermienergien
(von außen meßbare Spannung oder EMK, s. Abschnitt C1) erzeugt. Diese Spannung
kann aber durch den Fluß relativ geringer Elektronenzahlen abgebaut werden, d.h.
zur Aufrechterhaltung der Spannung ist eine extrem hochohmige Isolation und
Signalverstärkung erforderlich (Tab. 4.2.2-1). Auch in diesem Fall wird die Spannung
gewöhnlich innerhalb von Sekunden bis Stunden abgebaut, so daß die Ladungsintegration
kurzzeitig erfolgen muß. Piezoelektrische Sensoren eignen sich daher besonders
zur Messung von Kraft-, Druck- oder Beschleunigungsänderungen, weniger
zur Messung statischer Größen.
b)
Piezoelektrische Sensoren messen grundsätzlich nur Kräfte. Bei Anwendungen in der
Druckmeßtechnik muß der Druck erst – z.B. durch eine Membran – proportional in eine
Kraft umgewandelt werden. Während Dehnungsmeßstreifen grundsätzlich Oberflächenspannungen
messen, ist bei piezoelektrischen Sensoren der Spannungszustand im
gesamten Sensorvolumen maßgebend. Eventuell vorhandene örtliche Schwankungen
der Kraftverteilung werden gemittelt. Bild 4.2.2-2 zeigt technische Ausführungsformen
von piezoelektrischen Kraft- und Drucksensoren. Bei den Kraftsensoren wird meistens
der longitudinale piezoelektrischer Effekt ausgenutzt, bei den Drucksensoren der transversale.