Einfache Integration Erfolgreich piezoelektrisch messen

Piezoelektrische Technologie - wie sie funktioniert und integriert werden kann.
Piezoelektrische Technologie - wie sie funktioniert und integriert werden kann.

Vielen Messtechnikern ist die piezoelektrische Technologie nur am Rande bekannt. Welche Vorteile bietet sie bei der Messung von Kraft, Druck oder Beschleunigung und wie funktioniert eine einfache Integration in verbreitete Hard- und Software-Plattformen?

Piezoelektrische (PE) Sensoren weisen einen extrem weiten und hochauflösenden Messbereich auf, sind aufgrund ihrer Steifigkeit hervorragend für hochdynamische Vorgänge geeignet und können selbst bei Extremtemperaturen eingesetzt werden. Dank dieser herausragenden Eigenschaften eignen sie sich sehr gut für die Messung von Kraft, Druck oder Beschleunigung in dynamischen Anwendungen. Musste dafür bisher stets ein externer Verstärker mit einem Datenerfassungsgerät kombiniert werden, gibt es seit einiger Zeit verschiedene Möglichkeiten, piezoelektrische Kraft-, Druck- und Beschleunigungssensoren direkt in Datenerfassungslösungen einzubinden.

Direkte Einbindung in CompactRIO

Die neusten Entwicklungen unterstützen die Einbindung von piezoelektrischen Sensoren in CompactRIO-Anwendungen. So können die Vorteile von PE-Sensoren in der Echtzeit-Steuer- und Datenerfassungs-Plattform CompactRIO von National Instruments genutzt werden. Bisher waren CompactRIO-Anwender gezwungen, für die Einbindung von PE-Sensoren einen externen Verstärker zu verwenden. Dieser musste separat gespeist und konfiguriert werden. Die Spannungssignale wurden über Analogeingänge zum CompactRIO geführt. Mit speziellen Ladungsverstärker-Modulen, wie beispielsweise dem Kistler Typ 5171A (Bild 1), können PE-Sensoren nun direkt an CompactRIO angeschlossen werden.

Die Programmierung erfolgt bequem in den gewohnten Werkzeugen LabVIEW FPGA, LabVIEW Real-Time und LabVIEW. Damit stehen den Anwendern sämtliche grundlegende Vorteile der piezoelektrischen Messtechnik ohne Umwege zu Verfügung. Die Wahl eines ein- oder vierkanaligen Moduls ermöglicht so quasistatische Messungen von fast 0 Hz (beispielsweise für langsamere Kraftverläufe wie Einpressvorgänge). Je nach Messbereich lassen sich aber auch Signale bis zu 20 kHz messen, was dynamische Druck- oder Beschleunigungssignale abdeckt. Die direkte 24-bit-Digitalisierung des Ladungssignals ohne Umweg über eine weitere Analogleitung wirkt sich positiv auf das Rauschverhalten aus und trägt zu einer hohen Signalqualität bei.

Digitale Sensorsignale für LabVIEW-Anwendungen

Auch neuste Standalone-Ladungsverstärker (Signalaufbereitungsgeräte) liefern Sensorsignale direkt in digitalisierter Form. So lassen sich diese problemlos am PC weiterverarbeiten. Eine Möglichkeit, Daten komfortabel in eigene, maßgeschneiderte Anwendungen einzubinden, bietet beispielsweise die weit verbreitete, offene Software-Plattform LabVIEW. Eine gute Möglichkeit, die Vorteile von digitalisierten Daten zu nutzen, bietet der Ladungsverstärker für dynamische Signale Kistler LabAmp 5165A (Bild 2) mit flexiblen Sensor-Eingängen, einer integrierten Datenerfassung und einer benutzerfreundlichen Bedienung über den Web-Browser für schnelle Resultate und einen übersichtlichen Messaufbau. Die flexible LabVIEW-Einbindung ist gerade für Forschung, Entwicklung und Labor interessant, zum Beispiel für Beschleunigungs- und Schwingungsanalysen, pulsierende Druckanwendungen oder dynamische Kraftmessungen.

Statische Messungen – ein No-Go?

Es ist wichtig zu wissen, dass mit piezoelektrischen Sensoren keine absolut statischen Messungen über längere Zeit gemacht werden können. Durch den Einsatz hochwertiger, driftarmer Verstärker können aber sehr wohl langsame Signale im Bereich von mehreren Minuten präzise gemessen werden. Diese Art der Messung wird auch „quasistatisch“ genannt. Bei quasistatischen Messungen wird der Nullpunkt immer zu Beginn der Messung gesetzt. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise ein langsamer Druckaufbau auf ein hohes Niveau gemessen werden kann. Danach wird durch ein Umstellen des Verstärkerbereichs und einen erneuten Start der Messung der Nullpunkt auf den hohen Druckpegel gesetzt. So steht die Messauflösung voll für das kleine, pulsierende Signal zur Verfügung. Entscheidend für die Messung mit PE-Sensoren ist das Vorhandensein der entsprechenden Signalaufbereitungselektronik, eines sogenannten Ladungsverstärkers.

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Der piezoelektrische Effekt

1880 entdeckten die Gebrüder Curie, dass sich die Oberfläche bestimmter Kristalle elektrisch auflädt, wenn der Kristall mechanisch belastet wird. Diese elektrische Ladung ist proportional zu der auf den Kristall wirkenden Kraft, welche in Picocoulomb (pC) gemessen wird. Da die Ladung eine experimentell schwer zugängliche Größe darstellt, erlangte der piezoelektrische Effekt erst durch das 1950 an Walter P. Kistler erteilte Patent auf den Ladungsverstärker (eigentlich ein Ladungs-Spannungswandler) an Bedeutung.