1 Ãberblick über die Sensorik
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Seite 105<br />
208 4.2 Piezoelektrische Kraft- und Drucksensoren 4.2.2 Aufbau piezoelektrischer Kraft- und Drucksensoren 209<br />
Piezoelektrische Kraftsensoren haben bei einem mechanischen Aufbau wie in Bild<br />
4.2.2-1 gegenüber anderen Sensorprinzipien mehrere grundsätzliche Vorteile:<br />
– Der Sensor ist mechanisch starr aufgebaut, d.h. es findet nur eine äußerst geringe<br />
Auslenkung einer Membran oder Halterung (deren Eigenschaften <strong>die</strong> Messung selbst<br />
nicht beeinflussen) in der Größenordnung der elastischen Verformung des piezoelektrischen<br />
Elements statt. Ein solcher Aufbau führt zu einer mechanisch sehr stabilen<br />
Konstruktion mit einer geringen Neigung zu mechanischen Eigenschwingungen<br />
oder Nachschwingeffekten bei kurzzeitiger Belastung, sowie einer sehr geringen Hysterese.<br />
– der piezoelektrische Effekt selber hat einen vergleichsweise niedrigen Temperaturkoeffizienten<br />
– der Sensor benötigt keine äußere Spannungsversorgung, er erfordert aber eine<br />
empfindliche elektronische Weiterverarbeitung (Integration kleiner Ladungen bis<br />
zur Spannungskompensation auf Null, s. auch Abschnitt 3.5)<br />
– der Wirkungsgrad der Energieumwandlung (mechanische in elektrische Energie)<br />
ist besonders hoch.<br />
Tab. 4.2.2-1<br />
a)<br />
Oberflächenladungen an piezoelektrischen Sensoren können nur präzise bestimmt<br />
werden bei Anwendung einer sehr hochohmigen Isolation und Verstärkerstufen mit<br />
niedrigen Eingangs-Leckströmen (nach [4.34])<br />
a) Isolationswiderstände von Werkstoffen, welche für <strong>die</strong> Isolation piezoelektrischer<br />
Sensoren eingesetzt werden können, sowie andere Anwendungen <strong>die</strong>ser<br />
Werkstoffe<br />
b) Leckströme verschiedener Ladungsverstärker-Eingangsstufen.<br />
Dagegen steht ein typischer Nachteil bei piezoelektrischen Sensoren, der auch schon bei<br />
den pyroelektrischen aufgetreten war:<br />
– Eine Kraftänderung führt zu einer Änderung der induzierten Oberflächenladung,<br />
<strong>die</strong> auf den angeschlossenen Metallelektroden eine Differenz der Fermienergien<br />
(von außen meßbare Spannung oder EMK, s. Abschnitt C1) erzeugt. Diese Spannung<br />
kann aber durch den Fluß relativ geringer Elektronenzahlen abgebaut werden, d.h.<br />
zur Aufrechterhaltung der Spannung ist eine extrem hochohmige Isolation und<br />
Signalverstärkung erforderlich (Tab. 4.2.2-1). Auch in <strong>die</strong>sem Fall wird <strong>die</strong> Spannung<br />
gewöhnlich innerhalb von Sekunden bis Stunden abgebaut, so daß <strong>die</strong> Ladungsintegration<br />
kurzzeitig erfolgen muß. Piezoelektrische Sensoren eignen sich daher besonders<br />
zur Messung von Kraft-, Druck- oder Beschleunigungsänderungen, weniger<br />
zur Messung statischer Größen.<br />
b)<br />
Piezoelektrische Sensoren messen grundsätzlich nur Kräfte. Bei Anwendungen in der<br />
Druckmeßtechnik muß der Druck erst – z.B. durch eine Membran – proportional in eine<br />
Kraft umgewandelt werden. Während Dehnungsmeßstreifen grundsätzlich Oberflächenspannungen<br />
messen, ist bei piezoelektrischen Sensoren der Spannungszustand im<br />
gesamten Sensorvolumen maßgebend. Eventuell vorhandene örtliche Schwankungen<br />
der Kraftverteilung werden gemittelt. Bild 4.2.2-2 zeigt technische Ausführungsformen<br />
von piezoelektrischen Kraft- und Drucksensoren. Bei den Kraftsensoren wird meistens<br />
der longitudinale piezoelektrischer Effekt ausgenutzt, bei den Drucksensoren der transversale.