1 Überblick über die Sensorik

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Magnetoelastischer Kraftsensor: In einer Meßfeder aus parallelen Transformatorblechen
ist eine Erreger-Spulenwicklung zusammen mit einer senkrecht dazu angeordneten
Meß-Spulenwicklung angeordnet. Nur bei einer durch Kraftwirkung induzierten
Anisotropie der Magnetisierbarkeit der Feder wird beim Wechselstrombetrieb der
Erregerspule in die Meßspule eine kraftabhängige Meßspannung induziert (Bild 4.4-2).
Dieses Verfahren läßt den Aufbau einfacher und robuster Meßzellen zu und liefert eine
beachtliche Genauigkeit.
Ein induktiver Kraftsensor auf der Basis des magnetostriktiven Effekts wird in Abschnitt
5.3 beschrieben.
Kraftsensoren mit akustischen Oberflächenwellen (SAW = surface acoustic wave)-Filtern:
Bei Kristallen aus piezoelektrischen und anderen Werkstoffen lassen
sich mit Hilfe von Kammstruktur-Elektroden (Bild 4.4-3) über eine Wechselspannungsansteuerung
mechanische Schwingungen (Gitterschwingungen oder Phononen) der
darunter angeordneten Atome und Ionen anregen, welche sich in Form von Volumen-
und Oberflächenwellen ausbreiten. Über die Kristallorientierung, sowie die
Form und Anordnung der Elektroden kann die Entstehung speziell von Oberflächenwellen
begünstigt werden. Die Eigenschaften solcher Wellen können empfindlich von der
atomaren Zusammensetzung und dem Gitterzustand an der Oberfläche abhängen, so
daß sich Oberflächenwellen für Sensoranwendungen nutzen lassen. Stellt die akustisch
angeregte Oberfläche z.B. gleichzeitig die Ober- oder Unterseite eines gebogenen Balkens
dar, dann kann die Größe einer Biegelast F gemessen werden (Bild 4.4-3).
Bild 4.4-2 Magneto-elastischer Kraftaufnehmer (nach [4.46])
a) Eine Feder, die aus parallel angeordneten Transformatorblechen besteht, wird
mit der Kraft F belastet, so daß sie sich in Kraftrichtung dehnt. Eingelagert sind in
die Feder eine Erregerspule und eine senkrecht dazu angeordnete Meßspule.
b) ohne Wirkung einer äußeren Kraft wird wegen der symmetrischen Anordnung
in die Meßspulenwicklung keine Meßspannung induziert.
c) bei elastischer Dehnung der Feder entstehen Vorzugsrichtungen für die
Magnetisierung der Feder, d.h. die Magnetisierung um die Erregerspule wird verändert.
Aufgrund der jetzt unsymmetrisch verlaufenden Feldlinien wird eine
Spannung in die Meßspule induziert.
Bild 4.4-3 Kraftsensor mit akustischem Oberflächenwellen (SAW)-Resonator (nach [4.46]):
Über zwei kammförmige Elektroden auf der Oberfläche eines Biegebalkens, der
aus einem piezoelektrischen Werkstoff aufgebaut ist, werden akustische Oberflächenwellen
erzeugt und detektiert (jeweils ein Kamm ist der Sender oder Empfänger).
Durch Rückkoppelung über einen phasenstarren Verstärker entsteht eine freischwingende
Oszillation, deren Eigenfrequenz (im Bereich von 50 bis 800 MHz) von
dem Zustand der Oberfläche abhängt. Im dargestellten Fall hängt die Eigenfrequenz
ab von der Oberflächendehnung des Biegebalkens, die ihrerseits durch die zu messende
Kraft F bestimmt wird.