Direkter Piezoeffekt (Generatorprinzip): Der Piezo-Aktuator beruht auf den Piezoeffekt. Der direkte Piezoeffekt besagt, dass bei einer mechanischer Verformung durch Krafteinwirkung bestimmter nichtleitenden Materialien (in diesem Fall ein Kristall), ein elektrisches Feld E entsteht und somit aufgrund des Abstandes l eine elektrische Spannung U an der Materialoberfläche gemessen werden kann.

[ U = E \cdot l ]

Der direkte Piezoeffekt wird meistens in der Sensoranwendungen (Drucksensor) eingesetzt. Die erzeugte Spannung kann je nach dem als Mass für die Kraft oder Stauchung (Deformation) des Piezos verwendet werden. Wir der Piezo mit einer Zugkraft (sprich in entgegegesetzter Richtung) belastet, entsteht an deren Oberfläche eine negative (entgegengesetzte) Spannung.

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Dieser Effekt wird in der Mechatronik hauptsächlich für drei Anwendungen genutzt: Für die Beschleunigungs-, Druck- und Dehnungsmessung. In anderen Bereichen wird der Piezo für die Tonabnahme bei Schallplatten (Nadel) oder Seiteninstrumente eingesetzt.

Für Beschleunigungsmessung: Bei der Verwendung piezoelektrischer Materialien zur Beschleunigungsmessung können die Piezoscheiben gleich als seismische Masse dienen. Bei hohen Frequenzen wird der Messbereich von der Eigenfrequenz f0 der schwingenden Masse m begrenzt und lässt sich mit der folgenden Formel abschätzen:

[ f_{0} = {1 \over 2\pi} \sqrt{c \over m} ] c: Federkonstante

Für tiefe Frequenzen wird der Messbereich von den Eigenschaften des Piezoelements und der angeschlossenen Elektronik begrenzt. Auch dieser Sensor ist im statischen Fall, sprich für kleine Frequenzen ungeeignet.

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Für Druckmessung: Bei der fluidischen Druckmessung werden mehere Piezoscheiben von einer Membran angeregt.

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Bei der mechanischen Druckmessung wird der Druck anstelle der Membrane direkt auf das Piezoelement geleitet.

Für Dehnungsmessung (DMS): Für die Dehnungsmessung wird in der Praxis meistens der sogenannte Dehnungsmessstreifen (kurz DMS) angewendet. Dieser Messstreifen wird an der verformungsaktiven Zone eines Körpers aufgeklebt. Bei diesem Sensortyp wird der piezoresistive Effekt (physikalischer Piezo-Effekt der Widerstandsänderung R) genutzt.

Zu diesem Sensortyp gibt es zwei wesentlichen Bauformen: Der Folien-DMS und der Halbleiter-DMS.

Für die Auslegung eines DMS sind folgende Grundformeln anzuwenden.

[ R = {\rho\cdot l \over A} ]

[ {\Delta R \over R} = \kappa\cdot\epsilon ]

[ R: Widerstand ]

[ \rho: Spezifischer \space Widerstand ]

[ l: Länge ]

[ A: Querschnitt \space des \space Leiters ]

[ \epsilon: Dehnung ]

[ \kappa: Dehnungsfaktor ]

Die Auswertung der Widerstandsänderung erfolgt zumeist mit einer Brückenschaltung.

Schaltungsarten Nach einer Deformation des Kristals enstehen keine weiteren Elektronen, die über einen externen Widerstand zu einem Stromfluss führen würden. In diesem Moment stellt das Piezoelement eine sehr hochohmige Spannungsquelle dar, die entsprechend hochohmig abgegriffen werden muss. Für die Auswertung wird empholen eine Ladungsverstärkerschaltung (Stromintegrator) einzusetzen.

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Da das Piezoelement eine gewisse Eigenkapazität hat, kommt es über den hohen Eingangswiderstand des Operationsverstärkers zu einem Stromfluss und daher zu einer Entladung. Die Zeitkonstante ergibt sich aus dem Produkt der Kapazität und des Widerstandes. Bei einem typischen Wert von Eingansgwiderstand R=Gigaohm ergibt sich eine Zeitkonstante von 200s. Das bedeutet, dass sich piezoelektrische Sensoren prinzipiell nicht für statische Belastungen eignen.

Vorspannung

Die Vorspannung eines Piezos erfolgt dann, wenn eine Piezokeramik innerhalb eines Bereiches sowohl gestaucht als auch gedehnt werden soll.

Speisespannung [V]:
Drucksensoren mit integrierten Schaltungen benötigen eine Speisespannung. Es gilt zu beachten, dass sich gewisse Angaben im Datenblatt auf eine bestimmte Speisespannung beziehen.

Druck [bar], [N]:
0 bis 1400 bar

Ausgangsspannungs-Bereich [V]:
Bezieht sich auf den Spannungsunterschied des Differenzdrucks am Ausgangsanschluss (maximalen Druck minus minimalen Druck). Je nach Sensor beträgt dieser Wert 20-300mV.

Nichtlinearität [%]:
Gibt die maximale Abweichung der Ausgangskurve bezogen auf eine Gerade an.

Hysterese [%]:
Hysterese kommt nur bei Piezoaktoren vor und entsteht durch kristalline Polarisationseffekte und molekularer Reibung. Sie tritt bei Richtungsänderungen der Bewegung auf.

Keine

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