Ein Vergleich …


Unterschiede beider Technologien, es handelt sich um exemplarische Werte

Bei den DMS-Sensoren wird zunächst eine elastische Verformung des Messkörpers in eine Widerstandsänderung des DMS umgewandelt, um anschließend ein elektrisches Ausgangssignal einer Wheatstoneschen Brückenschaltung zu generieren.

Der piezoelektrische Effekt beruht darauf, dass Kristalle unter Druckbelastung eine direkt zur eingeleiteten Kraft proportionale elektrische Ladung erzeugen. Mit Hilfe eines Verstärkers wird diese Ladung dann in eine proportionale Ausgangsspannung umgewandelt.


Abb. 1: DMS-Aufnehmer mit Brückenschaltung


Beide Technologien ergänzen sich perfekt. Auf der einen Seite erreichen DMS eine wesentlich bessere Stabilität bei Langzeitmessungen sowie eine höhere Linearität. Die piezoelektrischen Sensoren bauen wesentlich kleiner und sind wegen der hohen Eigenfrequenz besonders gut für dynamische Anwendungen geeignet.


Abb. 2: Kristallprinzip des piezoelektrischen Sensors


Piezoelektrische Sensoren haben beim Messen quasi keinen Messweg, da der Quarz bereits die mechatronische Komponente mit elektrischem Ausgangssignal bildet. Die Messempfindlichkeit eines piezoelektrischen Sensors hängt in der Regel nicht von seiner Größe oder dem Volumen des Quarzes, sondern nur vom verwendeten Material und dessen Geometrie ab.

Q = q11 · n · F

Q = Erzeugte elektrische Ladung
q11 = Materialkonstante, z.B 4,3 pC/N
n = Anzahl der in Reihe geschalteten
Quarz-Elemente
F = Mechanische Belastung bzw. Kraft

Bei DMS-Senoren wird die elastische Verformung nach dem Hook´schen Gesetz genutzt, um eine Widerstandsänderung des DMS zu erreichen. Für die Widerstandsänderung gilt der Zusammenhang:

F = E · A · ε

ε = Dehnung des Messkörpers
E = Elastizitätsmodul des Messkörpers
A = Querschnitt des Messkörpers
F = Mechanische Belastung bzw. Kraft

∆R / R = k · ε

∆R = Widerstandsänderung bei Belastung
R = Widerstand in unbelastetem Zustand
k = k-Faktor des DMS

Ein Systemvergleich von piezoelektrischer und DMS-Technologie zeigt den signifikanten Unterschied in der elektrischen Sensitivität:

Fall 1:
Piezosensor 5 kN => Kenngröße -4,3 pC/N
DMS-Sensor 5 kN => Kenngröße 2 mV/V=> 0.4 µV/N

Fall 2:
Piezosensor 140 kN => Kenngröße -4,3 pC/N
DMS-Semsor 140 kN => Kenngröße 2 mV/V=> 0.014 µV/N

So ist bei der piezoelektrischen Messtechnik mit einer Sensorgröße ein weiter Messbereich ohne Genauigkeits- und Auflösungsverlust realisierbar.

Bei der Langzeitstabilität hat die DMSTechnologie Vorteile, da es in der piezoelektrischen Messtechnik praktisch nicht möglich ist, einen Messaufbau mit unendlich großem Isolationswiderstand zu realisieren. Hieraus ergibt sich in der Praxis oft eine Drift von ca. 1 N/min, weshalb in Abhängigkeit von den Anforderungen an die Messaufgabe die Messung auf einige Minuten beschränkt werden muss. Bei einem Messbereich von 50 kN mit 215000 pC Ladungssignal -4,3 pC / N und einer Forderung von <0,05 % an die Drift, ergibt sich eine maximale Messzeit von ca. 25 min.

Durch die Vollbrückenschaltung bei DMSbasierten Sensoren kann eine exzellente Linearität erreicht und die Kompensation weiterer Störeinflüsse wie Temperaturschwankungen vermieden werden und ist deshalb auch für hochgenaue Messaufgaben in Teillastbereichen z.B. als Referenzaufnehmer prädestiniert.

Bei beengten Platz- und Einbauverhältnissen spielt wiederum der piezoelektrische Aufnehmer seine Stärke aus. Bei gleichem Messbereich und ähnlichen Leistungseigenschaften baut der piezoelektrische Aufnehmer, um den Faktor bis zu 30 kleiner als ein vergleichbarer DMS-Aufnehmer.


Abb. 3: Piezo-Messkette mit Prozess-Controller MP85A-FASTpress


Beide Aufnehmer-Technologien, sowohl DMS als auch Piezoelektrik, haben ihren Platz in der Messtechnik für mechanische Größen. Dort wo die Leistungsfähigkeit des DMS endet setzt die Piezoelektrik ein, bzw. auch umgekehrt. Da HBM immer die optimale messtechnische Lösung bietet, wurde das Programm um die piezoelektrische Messtechnik ergänzt.

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