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 einkristallinen Kristalls, an dessen Oberfläche bei Belastung mit Druckkraft eine elektrische Ladung entsteht. In der Regel werden zwei dünne Scheiben verwendet, zwischen denen sich eine Elektrode befindet. Die gesamte Konstruktion ist von einem Gehäuse umgeben. Die Ladung wird von der Elektrode und dem Gehäuse aufgenommen und über ein koaxiales Ladungskabel an einen Ladungsverstärker weitergegeben.

Piezoelektrische Sensoren sind auf einen sehr guten Kontakt zwischen dem Kristall und dem Gehäuse angewiesen. Zum einen sind hierzu präzise verarbeitete Oberflächen der Kristalle und der Komponenten, die mit dem Kristall in Berührung kommen notwendig, zum anderen werden diese Sensoren vorgespannt betrieben. In der Praxis verwendet man eine Vorspannung von mindestens 10 %, um einen sicheren Kontakt zu gewährleisten - höhere Vorspannung verbessert die messtechnischen Eigenschaften. Natürlich darf die Vorspannung weder die Vorspannelemente noch den Sensor überlasten.

Exkurs: Was bestimmt das Ausgangssignal eines piezoelektrischen Sensors?

Wird ein piezoelektrischer Kristall mit einer Kraft belastet, so entsteht ein Ausgangssignal in Form einer Ladung Q, gemessen in pC (10-12 C). Berechnen lässt sich die Ladung durch die Formel:

Q = qxy*F

Dabei ist F die Kraft, qxy die piezoelektrische Konstante. Diese hängt von der Art des verwendeten Kristalls sowie von der Kristallrichtung ab, die belastet wird. Das gängigste eingesetzte Material ist Quarz mit einer Empfindlichkeit von 4,3 pC/N und der Temperaturgrenze von 200 °C. Bei HBM findet auch Galliumphosphat Verwendung. Dessen Empfindlichkeit ist etwa doppelt so groß wie die von Quarz (ca. 8 pC/N). Die Temperaturgrenze liegt bei 850 °C, was sich allerdings für Kraftaufnehmer nicht nutzen lässt, da diese auf Grund von thermischen Spannungen auf 300 °C begrenzt sind.

Piezoelektrische Sensoren haben viele Vorzüge, DMS-basierte Sensoren auch. Wofür soll ich mich entscheiden?

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 (von bis zu 300 °C)
  • Extreme Überlastfähigkeit
  • Hohe Dynamik

Auch dehnungsmessstreifenbasierte Sensoren weisen Vorzüge gegenüber piezoelektrischen Kraftsensoren auf, so erlauben sie die Messung von Zugkräften und sind oft wirtschaftlicher. Dazu kommen bessere Genauigkeiten, driftfreie Messungen und die statische Kalibrierung. Im Bereich der Referenzmesstechnik ist die DMS-Technik ohne Alternative. 

Es empfiehlt sich, in jedem Fall zu prüfen, welcher Aufnehmer die Anforderung der Messaufgabe besser und günstiger erfüllt. Entscheidet man sich für den Einsatz eines piezoelektrischen Sensors, 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, damit Sie die richtige Wahl treffen.

Hintergrund - 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.

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.

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.

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.

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.

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.

Sollte einer dieser Punkte auf Ihre Anwendung zutreffen, so benötigen Sie einen piezoelektrischen Aufnehmer für die Kraftmessung. Doch welcher Sensor ist nun der richtige? 

Exkurs: Einmessen einer piezoelektrischen Kraftmesskette - Der Referenzsensor

Vor der Investition in einen Kraftaufnehmer, der als Referenz zum Einmessen von Kraftmessketten genutzt werden soll, ist es sinnvoll die Anforderungen an diesen Sensor zu klären. Im Allgemeinen wird gefordert, dass ein solcher Kraftaufnehmer an ein nationales Normal angeschlossen ist. Das heißt, dass die Kalibrierung des Referenzkraftaufnehmers in einem nach der DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiertem Labor durchgeführt sein muss. Diese Labore können den Anschluss an das jeweilige nationale Institut (in Deutschland der Physikalisch Technischen Bundesanstalt) nachweisen und unterliegen überprüfbaren Richtlinien hinsichtlich der Verfahren sowie der Ausbildung ihrer Mitarbeiter.

Das Video zeigt am Beispiel des Kraftmessringes CFW, wie eine piezoelektrische Kraftmesskette eingemessen werden soll.

HBM bietet neben geeigneten Aufnehmern auch Kalibrierdienstleistungen an.

 

 

Die nebenstehende Abbildung zeigt den typischen Aufbau eines piezoelektrischen Kraftaufnehmers. 

 

1. Gehäuse
2. Piezoelektrischer Kristall
3. Elektrode

Auswahlhilfe piezoelektrische Sensoren

„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. Bitte beachten Sie dabei die Belastbarkeit, um weder Sensor noch Vorspannelement (Schraube) zu überlasten. 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 Sie eine Kraftmessung in Newton durchführen wollen.


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

Unsere Empfehlung: Kraftsensoren des Typs CFT+

CFT+-Sensoren sind bereits ab Werk vorgespannt und kalibriert. Der mechanische Anschluss erfolgt über eine Flanschanbindung. Die Empfindlichkeit der Kraftaufnehmer ist – passend zum großen Messbereich – in drei Messbereichen ausgewiesen: Bei Nennkraft, bei 10 % der Nennkraft und bei einem Prozent der Nennkraft.

Eine Besonderheit ist der CFT+/25KN, bei dem Galliumphosphat zum Einsatz kommt. Der Sensor erreicht damit die doppelte Empfindlichkeit (gegenüber Quarz) und eignet sich somit insbesondere zur Messung von sehr kleinen Kräften.


„Ich kann nicht einmessen und habe extrem wenig Platz zur Verfügung.“

Wir empfehlen: Kraftsensoren des Typs CFT

CFT Kraftsensoren sind, genau wie die CFT+, vorgespannt und kalibriert und somit ohne vorherigen Einmessvorgang einsatzbereit. Sie werden mithilfe eines Schraubanschlusses montiert und verfügen über marktübliche mechanische Anschlüsse.

Sensoren des Typs CFT sind klein und arbeiten ebenfalls mit Galliumphosphat. Sie sind ideal für Anwendungen im Bereich von wenigen Newton wie die Überprüfung kleinster Bauteile.


„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 etwas größer als die der Serie CLP, 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. 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.


Sie müssen Scherkräfte messen?

Unser Tipp: CSW Miniatur-Kraftmessringe für Scherkräfte

Die Kraftmessringe der Serie CSW arbeiten so, dass Kräfte, die parallel zum Messring einwirken, gemessen werden. Die Sensoren weisen die gleichen kompakten Dimensionen auf wie die CLP-Serie. Für die Miniatur-Kraftmessringe ist ein Einmessvorgang notwendig, um quantitative Ergebnisse ermitteln zu können.

TIPP: Mit einem CLP und einem CSW ist es sehr einfach, einen zweikomponentigen Kraftsensor aufzubauen. Eine häufige Anwendung ist die Maschinenüberwachung bei Fräs- oder Drehprozessen.


„Ich kann keinen Messring unterbringen. Auch ein Sensor auf Basis von Dehnungsmessstreifen beansprucht 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, also bei sehr geringem Dehnungsniveau. Dabei hängt die Messgenauigkeit insbesondere von dem Werkstoff ab, auf dem der Sensor montiert wird.

Artikel von: Thomas Kleckers

Produktmanager für Kraftsensoren bei HBM

Weitere Fachartikel zum Thema Kraftmessung finden Sie in unseren Kraft Tipps & Tricks​​​​​​​

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