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Sensoren
Von der Füllstandsmessung bis zur Adaptronik
Piezoelemente für eine Vielzahl sensorischer
Anwendungen
Bild 1: Bei Piezoelementen sind unterschiedliche Varianten realisierbar, die die Anpassung an die jeweilige
Anwendung ermöglichen: z.B. Rohre, Scheiben, Bieger, Scherelemente oder Translatoren (Foto: PI).
Piezoelektrische Materialien
können bei Krafteinwirkung
eine elektrische Spannung erzeugen
(Piezoeffekt) oder unter
dem Einfluss eines elektrischen
Feldes ihre Abmessungen verändern
(inverser Piezoeffekt). Sie
wandeln mechanische in elektrische
Energie um und umgekehrt,
man spricht hier auch von
Transducern. Während sich der
inverse Piezoeffekt für aktorische
Anwendungen nutzen lässt, bietet
sich der direkte Piezoeffekt
oder auch die Kombination beider
Effekte für die Realisierung
von Sensoren an. Der Piezoeffekt
beruht dabei ausschließlich
auf Verschiebungen innerhalb
Autor:
Dipl.-Physiker Frank Möller,
Vertrieb und Marketing,
PI Ceramic GmbH, und
Ellen-Christine Reiff, M.A.,
Redaktionsbüro Stutensee
des Kristallgitters des piezoelektrischen
Elements. Er ist daher
keiner mechanischen Reibung
und keinem Verschleiß im klassischen
Sinne unterworfen und
ist hochsensibel. Bereits kleinste
Deformationen erzeugen unmittelbar
eine messbare Ladungsverschiebung
und umgekehrt
bewirkt eine kleine elektrische
Spannung bei einem Aktor eine
sofortige Auslenkung. Damit
erschließen sich eine Vielzahl
potentieller Anwendungen, angefangen
von Ultraschall-, Kraft-
bzw. Beschleunigungssensoren
bis hin zu komplexen adaptronischen
Systemen.
Klassische Piezo-Anwendung
Das Erzeugen und Detektieren
von Ultraschall ist eine
klassische Piezo-Anwendung,
denn beim Anlegen einer Wechselspannung
beginnt das Piezoelement
zu schwingen. Die
kurzen Ansprechzeiten und
die daraus resultierende hohe
Dynamik ermöglichen hohe
Schwingungsfrequenzen von
bis zu 20 MHz. Als Ultraschall
bezeichnet man Schall mit Frequenzen
oberhalb des mensch-
lichen Hörfrequenzbereichs,
also ab etwa 16 kHz. Industrie,
Medizintechnik und Forschung
nutzen diesen Frequenzbereich
in vielerlei Hinsicht. Das Spektrum
reicht von Abstandsbestimmung
und Objekterkennung,
Füllstand- oder Durchflussmessungen
über hochauflösende
Materialprüfungen bis hin zur
medizinischen Diagnostik und
Therapie. Piezokeramiken lassen
sich praktisch in beliebigen Formen
preisgünstig fertigen und
bieten so für die unterschiedlichen
Anwendungen maßgeschneiderte
Lösungen.
Flexibel bei Frequenz und
Bauform
Die Piezoelemente von PI Ceramic
(vgl. Kastentext 1) eignen
sich für eine Vielzahl von Ultraschallanwendungen.
Diese lassen
sich grob klassifizieren in
zumeist sensorische Anwendungen
für Frequenzen bis
20 MHz und Leistungs-Ultraschall,
bei dem die Energiedichten
höher sind. Bei letzteren verrichten
die Piezoelemente dann
Bild 2: Ein typischer Anwendungsfall für die Laufzeitmessung ist die
Messung von Füllständen (Foto: PI).
30 Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik 2012