Piezoelektrische Sensoren: Welcher ist der richtige für meine Anwendung?

Mit dem piezoelektrischen Prinzip lassen sich Kraftsensoren aufbauen, die sich in Ihren Eigenschaften von den Sensoren auf Basis von Dehnungsmessstreifen stark unterscheiden. Piezoelektrische Kraftsensoren bestehen aus Scheiben eines piezoelektrischen Kristalls, die eine Ladung erzeugen, wenn man sie einer Druckkraft aussetzt. Im Allgemeinen werden zwei solcher Scheiben genutzt, zwischen denen eine Elektrode eingelegt ist. Diese nimmt die entstehenden Ladungen auf. Das umgebende Gehäuse dient ebenfalls als Elektrode. Dabei sind die Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit von Kristall und Gehäuse sehr hoch und bestimmen die Qualität (Linearität, Ansprechverhalten) der Kraftsensoren.

Die Entscheidung zwischen piezoelektrischen Kraftsensoren und Sensoren auf Basis von Dehnungsmessstreifen ist anwendungsabhängig. Piezoelektrischen Sensoren ist insbesondere dann der Vorzug zu gewähren, wenn die Anwendung eine der folgenden Anforderungen stellt:

  • Begrenzter Raum für den Einbau des Sensors
  • Messung kleiner Kräfte bei hoher Vorlast
  • Großer Messbereich
  • Messung bei sehr hohen Temperaturen
  • Extreme Überlastfähigkeit
  • Hohe Dynamik

Entscheidet man sich für den Einsatz eines piezoelektrischen Aufnehmers, so stellt sich die Frage, welcher Kraftaufnehmer der richtige ist. Im Folgenden gehen wir auf die typischen Anwendungsfelder genauer ein und geben Ihnen eine Auswahlhilfe zur Wahl des richtigen Sensors.

Thomas Kleckers, HBM

In diesem Artikel erläutert Thomas Kleckers, Produktmanager bei HBM, wie Sie den passenden piezoelektrischen Aufnehmer für Ihre Anwendung auswählen.

Anwendungsbedingungen, die für den Einsatz piezoelektrischer Sensoren sprechen:

1. Begrenzter Raum für den Einbau des Sensors

Piezoelektrische Kraftsensoren lassen sich ungemein kompakt bauen – z. B. die Serie CLP mit Bauhöhen von 3 bis 5 mm (je nach Größe des Messringes). Daher sind solche Sensoren optimal geeignet für die Integration in bestehende Strukturen. Die Sensoren verfügen über ein integriertes Kabel, da sich Stecker bei der geringen Bauhöhe nicht unterbringen lassen. Sensoren für alle Gewinde von M3 bis M14 stehen zur Verfügung. Die geringe Bauhöhe verlangt eine möglichst gleichmäßige Kraftverteilung auf der Sensorfläche.

Icon hohe Vorlast

2. Messung kleiner Kräfte bei hoher Vorlast

Piezoelektrische Sensoren erzeugen eine elektrische Ladung, wenn eine Kraft eingeleitet wird. Allerdings wirken auch außerhalb der eigentlichen Kraftmessung Kräfte auf den Sensor, z. B. bei der Montage. Die entstandene Ladung kann jedoch einfach kurz geschlossen werden, wodurch das Signal am Eingang des Ladungsverstärkers auf ‚Null‘ gesetzt wird. So lässt sich der Messbereich nach der tatsächlich zu messenden Kraft einstellen. Eine hohe Auflösung ist bei der Messung also auch dann gewährleistet, wenn das Verhältnis von Vorlast zur zu messenden Kraft sehr ungünstig ist. Moderne Ladungsverstärker, wie z. B. das Modell CMD600, ermöglichen eine fast stufenlose Einstellung des Messbereichs und unterstützen somit derartige Anwendungen.

Icon großer Messbereich

3. Großer Messbereich

Auch in mehrstufigen Prozessen zeigen die piezoelektrischen Kraftaufnehmer ihre Stärken. Stellen wir uns einen mehrstufigen Pressvorgang vor: Zunächst wirken große Kräfte beim eigentlichen Pressvorgang. Die piezoelektrische Messkette ist entsprechend eingestellt. Im zweiten Teil des Prozesses soll die Kraft nachgeführt werden, also kleinere Schwankungen der Kraft gemessen werden. Auch hier macht man sich die Eigenschaft piezoelektrischer Sensoren zunutze, das Signal am Eingang des Ladungsverstärkers physikalisch zu eliminieren. Der Eingang des Ladungsverstärkers steht wieder auf ‚Null‘ und der Messbereich lässt sich zugunsten einer hohen Auflösung einstellen.

Icon hohe Temperatur

4. Außergewöhnlich hohe Temperaturen

Manche Anwendungen erfordern die Kraftmessung bei sehr hohen Temperaturen. Hier stoßen Kraftaufnehmer basierend auf Dehnungsmessstreifen an ihre Grenzen. Piezoelektrische Messringe der Serie CHW hingegen sind genau für solche Anwendungen ausgelegt und bei Messungen bis zu 300 Grad C einsetzbar.

Icon Überlastfähigkeit

5. Extreme Überlastfähigkeit

Mit wenigen Ausnahmen weisen alle piezoelektrischen Sensoren die gleiche Empfindlichkeit auf. Im Umkehrschluss heißt dies, dass das Ausgangssignal eines Kraftsensors mit einer Nennkraft von 20 kN bei einer gegebenen Kraft genauso groß ist wie das eines Sensors mit 700 kN Nennkraft. Hinsichtlich Auflösung und Genauigkeit ist es somit ganz gleich, welcher der beiden Sensoren eingesetzt wird. Die Messkette lässt sich auf die Maximalkraft auslegen und erlaubt dennoch die Messung kleiner Kräfte.

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6. Hohe Dynamik

Die Messwege piezoelektrischer Sensoren sind sehr klein, entsprechend hoch sind deren Steifigkeiten – ideale Voraussetzungen für den Einsatz bei dynamischen Anwendungen. Allerdings beeinflusst die gesamte Messkette die dynamischen Eigenschaften. Auch die Steifigkeit der Anbauteile und die nachfolgende Elektronik müssen beachtet werden. Generell gilt, dass piezoelektrische Messketten hervorragend für hochdynamische Messungen kleiner Kräfte geeignet sind. Kraftaufnehmer auf Basis von Dehnungsmessstreifen hingegen sind die erste Wahl bei dynamischen Messungen großer Kräfte.

Welcher Sensor ist der richtige?

Sollte einer der oben genannten Punkte auf Ihre Anwendung zutreffen, so benötigen Sie einen piezoelektrischen Aufnehmer für die Kraftmessung. Doch welcher Sensor ist nun der richtige? Anhand typischer Anwendungsfälle haben wir eine Auswahlhilfe für Sie zusammengestellt.


„Piezoelektrische Kraftmessringe sind weit verbreitet. Kommt ein solcher Sensor auch für meine Anwendung in Frage?“

Die meisten Anwender bevorzugen piezoelektrische Messringe, da sie ohne große mechanische Veränderungen des Messobjektes bzw. der Maschine integrierbar sind. Allerdings bedingen diese Sensoren stets eine Montage unter Vorspannung, d. h. sie sind mittels Schrauben oder Vorspannsätzen mit einer Vorlast zu beaufschlagen, um Beschädigungen zu vermeiden und eine geeignete Biegemomentstabilität zu garantieren. Zusätzlich ist eine Kalibrierung notwendig, da der Einbau der Sensoren die Empfindlichkeit der Messstelle mitbestimmt. Das bedeutet, dass nach der Montage die Empfindlichkeit der Messstelle durch Kalibrierung festzustellen ist, wenn qualitative Ergebnisse erwartet werden.


„Ich kann nicht einmessen, würde aber gerne piezoelektrische Sensoren einsetzen.“

Unsere Empfehlung: Kraftsensoren des Typs CFT

Für solche Anwendungen gibt es Sensoren, die bereits vorgespannt und kalibriert sind, wie z. B. Kraftsensoren des Typs CFT, die sofort messbereit sind. Ein mitgeliefertes Prüfprotokoll gibt Auskunft über deren Empfindlichkeit.


„Ich wünsche mir einen Sensor, den ich einfach integrieren kann, jedoch erfordert meine Anwendung einen Steckeranschluss.“ / „Es kann zur punktförmigen Belastung kommen.“ / „Ich habe sehr hohe Kräfte zu beachten.“

Unser Tipp: Kompakte Kraftmessringe der Serie CFW

Die Bauhöhe der CFW Kraftmessringe ist relativ hoch, wodurch sich mehr Material zwischen Krafteinleitung und Messelement befindet. Der größte Messring der Serie ist CFW/700 KN, der einen Innendurchmesser von 36 mm aufweist. Infolgedessen ist die Unempfindlichkeit in Bezug auf ungünstige Einbausituationen größer. Kraftmessringe der Serie CFW sind mit einem Steckeranschluss ausgestattet und somit sehr flexibel. Verschiedene Kabel können angeschlossen werden, wie z. B. das robuste Ladungskabel KAB145, bei dem mittels O-Ring die Verbindung zum Sensorgehäuse abgedichtet ist. Ideale Voraussetzungen für den Einsatz in rauer Umgebung!


„Ich muss bei ungewöhnlich hohen Temperaturen Kräfte messen.“

Wir empfehlen: Kraftmessringe der Serie PACEline CHW

Die Messringe der Serie CHW sind für extreme Temperaturen ausgelegt. So ist das Modell CHW-2 bei Temperaturen bis 200 Grad C einsetzbar, CHW-3 sogar bei Temperaturen bis 300 Grad C. Auch diese Messringe müssen eingemessen werden. Dabei erlaubt die geringe Temperaturempfindlichkeit die Kalibrierung bei Raumtemperatur.


„Ich habe extrem wenig Platz zur Verfügung, die Bauhöhe ist für meine Anwendung entscheidend.“

Unser Tipp: CLP Miniatur-Kraftmessringe

Insbesondere die Serie CLP ist für solche Anwendungen geeignet, da die Bauhöhe der Sensoren je nach Größe des Messringes nur 3 bis 5 mm beträgt. Zudem verfügen die Sensoren über ein integriertes Kabel, da sich Stecker bei der geringen Bauhöhe nicht unterbringen lassen. Für alle Gewinde von M3 bis M14 stehen Sensoren zur Verfügung. Die geringe Bauhöhe verlangt eine Möglichst gleichmäßige Kraftverteilung auf der Sensorfläche.


„Ich kann keinen Messring unterbringen. Auch ein Sensor auf Basis von Dehnungsmessstreifen oder ein CFT-Aufnehmer beanspruchen zu viel Platz.“

Der passende Sensor: Piezoelektrische Dehnungsaufnehmer der Serie CST

Dehnungsaufnehmer der Serie CST bauen sehr klein und lassen sich mit einer Schraube befestigen. Das Funktionsprinzip lässt sich wie folgt erklären: Werden Kräfte in die Struktur eingeleitet, so entstehen Verformungen, die oftmals proportional zur eingeleiteten Kraft sind. Der Sensor misst die Verformung. CST lässt sich z. B. auf Schweißzangen oder Presswerkzeugen montieren und misst die Verformung dieser Bauteile zuverlässig. Auch diese Aufnehmer müssen eingemessen bzw. kalibriert werden. Dehnungsaufnehmer der Serie CST sind sehr empfindlich und eignen sich auch für den Einsatz bei sehr steifen Konstruktionen. Dabei hängt die Messgenauigkeit insbesondere von dem Werkstoff ab, auf dem der Sensor montiert wird.

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