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Kraftsensoren: Die piezoelektrische Alternative

Mit dem piezoelektrischen Prinzip lassen sich Kraftsensoren aufbauen, die sich in ihren Eigenschaften von den Sensoren auf Basis von Dehnungsmessstreifen stark unterscheiden. Doch welche sind wann die beste Wahl?

Die piezoelektrische Alternative Bildquelle: © HBM

Piezoelektrische Kraftsensoren bestehen aus Scheiben eines piezoelektrischen Kristalls, die eine Ladung erzeugen, wenn man sie einer Druckkraft aussetzt. Im Allgemeinen werden zwei derartige 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.

Aufbau eines piezoelektrischen Sensors Bildquelle: © HBM

Aufbau eines piezo­elektrischen Sensors. In Grün dargestellt die Quarzscheiben, die die eingeleitete Kraft in eine Ladung wandeln, die von der Elektrode zwischen den Sensoren aufgenommen wird.

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. Hier gilt es, unterschiedliche Anwendungsfelder zu betrachten.

Piezoelektrische Kraftsensoren lassen sich sehr kompakt bauen. Daher sind solche Sensoren optimal geeignet für die Integration in bestehende Strukturen bei beengten Platzverhältnissen. Die Sensoren der CLP-Serie von HBM verfügen über ein integriertes Kabel, da sich Stecker bei der geringen Bauhöhe nicht unterbringen lassen. Zur Verfügung stehen Sensoren für alle Gewinde von M3 bis M14. Jedoch verlangt die geringe Bauhöhe eine möglichst gleichmäßige Kraftverteilung auf der Sensorfläche.