Allgemeine piezoelektrische Theorie

Piezoelektrizität

Um ein brauchbares Ausgangssignal zu erzeugen, sind unsere Sensoren auf den piezoelektrischen Effekt angewiesen. ("Piezo" ist ein griechischer Begriff, der "zusammendrücken" bedeutet.) Wenn die piezoelektrischen Elemente durch eine äußere Kraft belastet werden, sammelt sich die verschobene elektrische Ladung auf den gegenüberliegenden Oberflächen an. Abbildung 1 veranschaulicht die Verschiebung der elektrischen Ladung aufgrund der Auslenkung des Gitters in einem natürlich piezoelektrischen Quarzkristall. Die größeren Kreise stehen für Siliziumatome, die kleineren für Sauerstoff. Kristalliner Quarz, entweder in seiner natürlichen oder in einer hochwertigen, wiederaufbereiteten Form, ist eines der empfindlichsten und stabilsten piezoelektrischen Materialien, die es gibt.

Neben Quarzkristallen verwendet PCB auch künstlich hergestellte, polykristalline Piezokeramiken. Diese Materialien, die durch das Anlegen eines großen elektrischen Feldes gezwungen werden, piezoelektrisch zu werden, erzeugen eine extrem hohe Ladungsabgabe. Diese Eigenschaft ist ideal für den Einsatz in rauscharmen Messsystemen. Weitere Vor- und Nachteile sind in Tabelle 1 aufgelistet, die einen Vergleich der einzelnen piezoelektrischen Materialien enthält.

Quarzkristall Polykristalline Keramik
natürliches piezoelektrisches Material künstlich polarisiertes, künstlich hergestelltes Material
hohe Spannungsempfindlichkeit hohe Ladungsempfindlichkeit
Steifigkeit vergleichbar mit Stahl unbegrenzte Verfügbarkeit von Größen und Formen
weist eine ausgezeichnete Langzeitstabilität auf Materialien verfügbar, die bei 1000 F (540 C) funktionieren
nicht-pyroelektrisch Leistung aufgrund von thermischen Transienten (pyroelektrisch)
niedriger Temperaturkoeffizient Eigenschaften variieren mit der Temperatur

Tabelle 1: Vergleich von piezoelektrischen Materialien


Piezoelektrische Materialien können in vielen verschiedenen Größen und Formen in piezoelektrischen Sensoren verwendet werden. Als echte Präzisionsfedern bieten die in Abbildung 2 dargestellten unterschiedlichen Elementkonfigurationen verschiedene Vor- und Nachteile. (Das Rot steht für die piezoelektrischen Kristalle, während die Pfeile anzeigen, wie das Material belastet wird. Beschleunigungssensoren haben in der Regel eine seismische Masse, die durch die graue Farbe dargestellt ist. Eine ausführlichere Beschreibung der Sensorstrukturen finden Sie im nächsten Abschnitt). Die Kompressionsbauweise zeichnet sich durch eine hohe Steifigkeit aus, was sie für den Einsatz in Hochfrequenz-Druck- und Kraftsensoren geeignet macht. Ihr Nachteil ist, dass sie etwas empfindlich auf thermische Transienten reagiert. Die Einfachheit des Biegedesigns wird durch den engen Frequenzbereich und die geringe Überlastbarkeit bei Überschocks ausgeglichen. Die Scherkonfiguration wird in der Regel in Beschleunigungssensoren verwendet, da sie eine ausgewogene Mischung aus breitem Frequenzbereich, geringer außermittiger Empfindlichkeit, geringer Empfindlichkeit gegenüber Basisdehnung und geringer Empfindlichkeit gegenüber thermischen Einflüssen bietet.




Abbildung 2: Materialkonfigurationen

Mit Steifigkeitswerten in der Größenordnung von 15E6 psi (104E9 N/m2), die mit denen vieler Metalle vergleichbar sind, erzeugen piezoelektrische Materialien eine hohe Leistung bei sehr geringer Belastung. Mit anderen Worten, piezoelektrische Messfühler haben im Wesentlichen keine Auslenkung und werden oft als Festkörperbauelemente bezeichnet. Aus diesem Grund sind piezoelektrische Sensoren so robust und weisen eine ausgezeichnete Linearität über einen großen Amplitudenbereich auf. In Verbindung mit entsprechend konzipierten Signalaufbereitern haben piezoelektrische Sensoren in der Regel einen dynamischen Amplitudenbereich (d. h.: maximaler Messbereich zu Rauschverhältnis) in der Größenordnung von 120 dB. Das bedeutet, dass ein einziger Beschleunigungssensor Beschleunigungswerte von 0,0001 g bis zu 100 g messen kann!

Ein letzter wichtiger Hinweis zu piezoelektrischen Materialien ist, dass sie nur dynamische oder sich ändernde Ereignisse messen können. Piezoelektrische Sensoren sind nicht in der Lage, ein kontinuierliches statisches Ereignis zu messen, wie es bei Trägheitsführungen, Luftdruck- oder Gewichtsmessungen der Fall wäre. Während statische Ereignisse eine anfängliche Ausgabe verursachen, wird dieses Signal langsam abklingen (oder abfließen), je nach Zeitkonstante des piezoelektrischen Materials oder der angeschlossenen Elektronik. Diese Zeitkonstante entspricht einem Hochpassfilter erster Ordnung und basiert auf der Kapazität und dem Widerstand des Geräts. Dieser Hochpassfilter bestimmt letztlich die Grenzfrequenz oder Messgrenze des Geräts.

Strukturen

Eine Darstellung eines typischen Kraft-, Druck- und Beschleunigungssensors ist in Abbildung 3 zu sehen. (Die graue Farbe steht für den Testaufbau. Die blaue Farbe entspricht dem Sensorgehäuse. Die piezoelektrischen Kristalle sind rot gefärbt. Die schwarze Elektrode ist der Ort, an dem sich die Ladung der Kristalle sammelt, bevor sie von der gelben Mikroschaltung aufbereitet wird. Der Beschleunigungsmesser enthält auch eine Masse, die durch die grüne Farbe dargestellt wird). Es ist zu beachten, dass sie sich in ihrem inneren Aufbau nur wenig unterscheiden. Bei Beschleunigungsmessern, die Bewegungen messen, wird die unveränderliche seismische Masse "M" von den Kristallen gezwungen, der Bewegung der Basis und der Struktur, an der sie befestigt ist, zu folgen. Die daraus resultierende Kraft auf die Kristalle lässt sich mit Hilfe des zweiten Newtonschen Bewegungsgesetzes leicht berechnen: F=MA. Druck- und Kraftsensoren sind nahezu identisch und beruhen auf einer externen Kraft, die die Kristalle belastet. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Drucksensoren eine Membran verwenden, um den Druck zu erfassen, der einfach eine über eine Fläche ausgeübte Kraft ist.



Abbildung 3: Aufbau des Sensors

Aufgrund ihrer Ähnlichkeit sind Sensoren, die für die Messung eines bestimmten Parameters ausgelegt sind, auch etwas empfindlich gegenüber anderen Eingaben. Indem sie ihre Empfindlichkeit gegenüber unerwünschten Ereignissen minimieren, können die Sensoren den vorgesehenen Parameter genauer messen. Hochentwickelte Drucksensoren verwenden beispielsweise häufig ein Kompensationselement, um ihre Empfindlichkeit gegenüber Beschleunigung zu verringern. Andere Sensoren verwenden thermische Kompensationsverstärker, um den thermischen Gesamtkoeffizienten des Sensors zu verringern. Schließlich verwenden Beschleunigungssensoren alternative scherstrukturierte Sensorelemente, um die Auswirkungen von thermischen Transienten, Querbewegungen und Basisdehnung zu reduzieren.

Signalaufbereitung

Nachdem das Sensorelement ein vermutlich gewünschtes Ausgangssignal erzeugt hat, muss dieses Signal aufbereitet werden, bevor es von einem Oszilloskop, Analysator, Schreiber oder einem anderen Auslesegerät analysiert werden kann. Wie in Abbildung 4 dargestellt, kann diese Signalverarbeitung auf zwei verschiedene Arten erfolgen: (1) intern im Sensor durch eine mikroelektronische Schaltung oder (2) extern am Sensor in einer "Black Box". (PCB verwendet die eingetragene Marke ICP® zur Bezeichnung von Sensoren mit eingebauter Mikroelektronik. Sensoren ohne Elektronik werden üblicherweise als Ladungsmodus-Sensoren bezeichnet).



Abbildung 4: Sensorsysteme

Diese analogen Verarbeitungsschaltungen haben dieselben allgemeinen Funktionen, nämlich: (1) Umwandlung in ein nützliches Spannungssignal mit niedriger Impedanz; (2) Signalverstärkung/-dämpfung; und (3) Filterung. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Position des Schaltkreises für den ordnungsgemäßen Betrieb des Sensorsystems entscheidend sein kann. Es folgt eine detailliertere Beschreibung der einzelnen Methoden.

Zunächst wird der ICP®-Sensor erörtert. Dieses Konzept hat seit seiner Entwicklung im Jahr 1967 ein hohes Maß an technischen Verbesserungen erfahren. Das heißt, die Schaltkreise sind kleiner geworden, die Preise für die Komponenten sind gesunken und die Signalverarbeitungsfähigkeiten haben sich durch integrierte Miniaturschaltungen und Mirco-Hi-Meg-Widerstände erhöht. Trotz dieser Verbesserungen bleibt die ursprüngliche Absicht der Idee unverändert: Einfachheit und Benutzerfreundlichkeit. Dieses Zweileitersystem verwendet einen gemeinsamen Leiter für Strom/Signal und einen zusätzlichen Leiter für die Signalmasse. Bei den eingebauten Schaltungen handelt es sich um Miniatur-Ladungs- oder Spannungsverstärker, je nach Art des Sensorelements. Die Stromversorgung dieser Komponenten erfolgt in der Regel über eine 18 bis 30 VDC, 2 mA Konstantstromversorgung. (Abgesehen vom Preis, der Bequemlichkeit und/oder den Funktionen gibt es keinen technischen Vorteil, wenn die Konstantstromquelle extern oder in das Auslesegerät eingebaut ist). Ein detailliertes Systemschema ist in Abbildung 5 dargestellt.



Abbildung 5: ICP®-Sensorsystem

Zu den Merkmalen dieses Systems gehören: (1) die eingebaute Mikroelektronik erzeugt ein Spannungssignal mit niedriger Impedanz, das mit den meisten Auslesegeräten kompatibel ist; (2) es wird nur ein einfacher, leicht zu bedienender Konstantstrom-Signalaufbereiter benötigt, was zu geringeren Kosten pro Kanal führt; (3) das Signal kann über lange Kabel ohne Verlust an Signalqualität durch raue Umgebungen übertragen werden; (4) die Betriebstemperatur des Schaltkreises ist in der Regel auf 250 F (121 C) oder manchmal 325 F (154 C) begrenzt; (5) er funktioniert mit gewöhnlichen zweiadrigen Koaxial- oder Twisted-Pair-Kabeln; und (6) die Eigenschaften des Sensors (Empfindlichkeit und Frequenzbereich) sind im Sensor festgelegt und unabhängig von der Versorgungsspannung.

Charge-Mode-Sensoren verwenden dieselbe mechanische Sensorstruktur wie ICP®-Sensoren, die Signalverarbeitungselektronik ist jedoch extern untergebracht. Da integrierte Mikroschaltungen noch nicht entwickelt worden waren, arbeiteten die ersten piezoelektrischen Sensoren, die in den 1950er Jahren entwickelt wurden, nach diesem Prinzip. Diese Aufladesysteme waren oft schwierig zu bedienen und aufgrund des aufwendigen externen Ladungsverstärkers traditionell teuer. (Alternative, kostengünstigere Inline-Geräte werden immer beliebter.) Heute werden Ladungsmodus-Sensoren in der Regel nur noch in Umgebungen eingesetzt, in denen die Temperatur die Verwendung von Sensoren mit eingebauter Elektronik verbietet.

Wie nicht anders zu erwarten, bieten Ladungsmodus-Systeme verschiedene Vor- und Nachteile, darunter: (1) der Sensor gibt ein hochohmiges Signal aus, das vor der Analyse aufbereitet werden muss; (2) ein externer Signalaufbereiter ist erforderlich (Labor-Ladungsverstärker, Inline-Source-Follower usw.)); (3) das hochohmige Signal kann durch Umwelteinflüsse wie Kabelbewegungen, elektromagnetische Signale und Hochfrequenzstörungen verunreinigt werden; (4) da die Elektronik extern ist, können bestimmte Modelle bei Temperaturen bis zu 540 C (1000 F) betrieben werden; (5) es ist eine spezielle rauscharme Verkabelung erforderlich; und (6) die Eigenschaften des Sensors (Empfindlichkeit und Frequenzbereich) sind variabel und können durch Umschalten von Komponenten im externen Signalaufbereiter verändert werden.

Schlussfolgerung

Piezoelektrische Sensoren bieten einzigartige Fähigkeiten, die bei anderen Sensortechnologien nicht zu finden sind. Wie bereits erwähnt, gibt es je nach Anwendung bestimmte Vorteile (z. B. ein großer Frequenz- und Amplitudenbereich) und Nachteile (keine statische Messfähigkeit). Daher ist es wichtig, bei der Auswahl eines bestimmten Sensors oder einer bestimmten Sensortechnologie genau auf die Leistungsspezifikationen zu achten.