Piezokeramik für die Sensorik

Piezokeramische Sensoren und Sensor-Anwendungen

Für Sensor-Anwendungen finden bei CeramTec die piezokeramischen Werkstoffe SONOX® P5, SONOX® P502, SONOX® P504 und SONOX® P508 Verwendung, die sich durch hohe Koppelfaktoren und große Ladungskonstanten sowie durch niedrige mechanische Gütewerte auszeichnen.

Piezokeramik für die Sensorik

Gut zu wissen:

Anwendungen piezokeramischer Leistungswandler

  • Abstandssensoren
  • Beschleunigungssensoren
  • Durchflussmessung
  • Einbruchmeldeanlagen
  • Einparkhilfen
  • Füllstandssensoren
  • Klopfsensoren
  • Luftultraschallsender und -empfänger
  • Objektsicherung
  • Tonabnehmer

Warum so viele Werkstoffe für die Sensorik zur Verfügung stehen, hat einen einfachen Grund: Für sehr dünne Bauteile auf der einen und massive Bauteile auf der anderen Seite werden bei CeramTec in der Piezotechnik zwei unterschiedliche Herstellungstechnologien verwendet:

SONOX® P Werkstoffe für die Trockenpresstechnik

Hierfür wurden die Werkstoffe SONOX® P5, SONOX® P502 und SONOX® P504 entwickelt. Diese Technik ist eine rationelle Methode zur Herstellung großvolumiger Bauteile mit Dicken von > 0,5 mm. Typische Bauformen sind runde Scheiben, Ringe und rechteckige oder quadratische Platten.

SONOX® P Werkstoffe für die Foliengießtechnik

Der Werkstoff SONOX® P508 wurden speziell für die Foliengießtechnik optimiert. Damit lassen sich dünne Platten mit Dicken im Bereich zwischen 30 μm und 300 μm herstellen. Die Standarddickentoleranz beträgt ±15 μm und kann für spezielle Anwendungen weiter eingeschränkt werden. Die maximalen Abmessungen solcher runden, quadratischen oder rechteckigen Platten sind jedoch auf ca. 50 mm Kantenlänge oder Durchmesser limitiert SONOX® P53 und SONOX® P505 Werkstoffe sind ebenfalls für die Foliengießtechnik ausgelegt und werden von CeramTec für die Herstellung von Aktoren verwendet.

„Durch ihre hohe Empfindlichkeit und Aktivität sind die CeramTec Werkstoffe für Sensoren für vielfältige Anwendungen im Kleinleistungsbereich, insbesondere auch für den Impulsbetrieb geeignet.“

Metallisierung von piezokeramischen Sensor-Komponenten

Standardelektrodenmaterialien sind bei CeramTec Silber oder Nickel-Gold, wobei spezielle Elektrodenlayouts, wie Rückkoppelelektroden, herumgezogene Elektroden oder Sonderformen möglich sind, um erweiterte Funktionalitäten realisieren zu können. Die Metallisierung kann mit und ohne Isolationsrand erfolgen. Wird ein Isolationsrand gewünscht, ist er mit ≤ 0,3 mm spezifiziert. Da für viele Sensor-Anwendungen die Polarisationsrichtung entscheidend sein kann, ist bei CeramTec Bauteilen üblicherweise die positive Seite markiert.

Sensor-Anwendungen mit piezokeramischen Komponenten

Luft-Ultraschall-Abstandssensoren

Eine piezokeramische Scheibe sendet einen kurzen Ultraschallimpuls in Richtung des Gegenstandes aus, dessen Entfernung gemessen werden soll. Die Schallwelle wird von diesem Gegenstand reflektiert und vom gleichen Piezokeramikteil wieder empfangen. Die Piezokeramik arbeitet hier als Sender und Empfänger (Zeit-Multiplex-Betrieb). Meist ist die Piezokeramik auf der abstrahlenden Seite mit einer Anpassungsschicht versehen, um die akustische Impedanz des Wandlers an die der Luft anzupassen. Die verwendete Frequenz des Wandlers (Resonanzbetrieb) hängt dabei von der gewünschten Reichweite und der Auflösung ab. Je höher die Frequenz, desto höher die Auflösung und desto geringer die Reichweite und umgekehrt. Ist die sich aus der Frequenz ergebende Wellenlänge groß im Verhältnis zur Wandlergröße, ergibt sich eine kugelförmige Abstrahlung der Wellenfront. Ist die Wellenlänge kleiner als der Wandler, strahlt dieser gerichtet ab. In fast allen Fällen ist eine gerichtete Abstrahlung gewünscht. Die Entfernungen, die mit solchen Systemen vernünftig gemessen werden können, liegen zwischen 0,25 m und 10 m. Diese Anwendung lässt sich in der Industrieautomation auf vielfältige Weise nutzen; wie z.B. zur Entfernungsmessung, als Limitwertgeber oder als Zähler (jedes Mal, wenn ein Objekt den Messbereich durchfährt, wird es registriert).

Bauform: Runde Scheiben
Werkstoffe: SONOX® P5, SONOX® P508

Beschleunigungssensoren

Ein piezokeramisches Sensorplättchen wandelt dynamische Kraftschwankungen in elektrische Signale um, die entsprechend weiterverarbeitet werden können. Die Kraftschwankung wird durch eine mit der Piezokeramik verkoppelte seismische Masse erzeugt, die bei einer Beschleunigung des Gesamtsystems auf die Piezokeramikscheibe wirkt. Dieses System wird beispielsweise bei dynamischen Radauswuchtmaschinen verwendet, wo jede Unwucht des Rades ein entsprechendes Signal in der Piezokeramik erzeugt. So ist es möglich, innerhalb von Sekunden die Unwucht an Kfz-Rädern quantitativ zu erfassen und entsprechende Gegengewichte zu positionieren.

Bauformen: Runde Scheibe, Rechteckige Platte, Ring
Werkstoffe: SONOX® P 5, SONOX® P 502

Durchflussmessung

Bei der Ultraschall-Durchflussmessung unterscheidet man zwischen zwei Messprinzipien: dem Doppler- und dem Mitführprinzip. In beiden Fällen generiert ein piezokeramischer Wandler, der an der Rohrwandung positioniert ist, Ultraschallwellen, die schräg zur Strömungsrichtung in die Flüssigkeit eingekoppelt werden. Beim Dopplereffekt wird die Frequenzverschiebung der Ultraschallwellen ausgewertet, die von Streuteilchen, die sich in der Flüssigkeit befinden, reflektiert werden. Je größer die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit, desto größer ist die Frequenzverschiebung zwischen abgestrahlter und reflektierter Wellenfront. Für dieses Messverfahren wird nur ein Piezowandler benötigt, der zeitversetzt sendet und empfängt. Beim Mitführprinzip werden immer zwei piezokeramische Wandler eingesetzt, die versetzt zur Strömungsrichtung positioniert sind. Diese senden bzw. empfangen wechselseitig pulsförmige Ultraschallwellenpakete gegen die Strömung und mit der Strömung. Es ergibt sich jeweils eine entsprechende Überlagerung von Schallausbreitungsgeschwindigkeit und Strömungsgeschwindigkeit. Die Strömungsgeschwindigkeit ist dann proportional zum Kehrwert der Laufzeitdifferenz mit und gegen die Strömung. Der Vorteil dieser Messmethode liegt darin, dass die Messung unabhängig von der Schallausbreitungsgeschwindigkeit und damit vom Medium ist. Damit lassen sich also nicht nur Flüssigkeiten, sondern auch Gase messen.

Bauform: Runde Scheibe
Werkstoffe: SONOX® P 5, SONOX® P 502, SONOX® P 508

Einbruchmeldeanlagen und Objektsicherung

In Einbruchmeldeanlagen finden piezokeramische Wandler vielfältige Anwendung. Zur Raumsicherung werden Ultraschallbewegungsmelder eingesetzt, bei denen ein piezokeramischer Wandler Ultraschall-Impulse aussendet und die reflektierten Wellen wieder empfängt. Jedes Betreten eines Raumes, aber auch jede Bewegung innerhalb eines Raumes werden so festgestellt. Bei der Objektsicherung werden piezokeramische Sensorplättchen am Objekt (z. B. Schaufensterscheibe) angebracht, das gesichert werden soll. Diese Sensoren nehmen den Körperschall auf und wandeln ihn in elektrische Signale um. Geräusche und Vibrationen, die durch Einbruchwerkzeuge hervorgerufen werden, führen bereits zu Beginn des Einbruchversuchs zur Alarmauslösung.

Bauformen: Runde Scheibe, rechteckige oder quadratische Platte
Werkstoffe: SONOX® P 5, SONOX® P 502, SONOX® P 508

Einparkhilfen

Der piezokeramische Wandler sendet einen kurzen Luft-Ultraschallimpuls, der vom Hindernis reflektiert und vom gleichen Piezowandler wieder empfangen wird. Über die Laufzeit kann die Entfernung zum Hindernis bestimmt werden. Derartige Sensoren finden zum Beispiel bei LKW, um beim Rückwärtsfahren die Entfernung zur Laderampe genau festzustellen, oder als Einparkhilfe im Kfz-Bereich Verwendung.

Bauformen: Runde Scheibe, teilweise mit herumgezogener Metallisierung
Werkstoffe: SONOX® P 5, SONOX® P 508

Füllstandssensoren – Tauchschwinger-Messung

Bei Füllstandssensoren gibt es grundsätzlich zwei unterschiedliche Messsysteme. Die Laufzeitmessung über einen reflektierten Luftultraschallimpuls durch piezokeramische Leistungswandler dort und die Tauchschwinger-Messung durch piezokeramische Sensoren: Eine Stimmgabel aus Metall wird von einem piezokeramischen Plättchen in ihrer Eigenresonanzfrequenz angeregt. Diese Eigenresonanzfrequenz ist vom umgebenden Medium abhängig. Taucht die Stimmgabel beispielsweise in eine Flüssigkeit oder ein Pulver ein, ändert sich die Resonanzfrequenz des System. Diese Frequenzänderung wird von der Auswerteelektronik erfasst. Der Nachteil dieses Systems ist, dass keine analoge Messung möglich ist, sondern der Sensor nur mitteilt, ob ein bestimmter Pegel über- oder unterschritten ist. Dieses kann man umgehen, wenn man mehrere solcher Sensoren in verschiedenen Höhen in einem Tank positioniert. Der Vorteil des Systems ist, dass vorhandenes Füllgut sehr sicher erkannt wird und der Sensor sehr störunempfindlich ist.

Bauformen: Runde Scheibe, Lochscheiben und Spezialformen
Werkstoff: SONOX® P 5

Klopfsensoren

Ein piezokeramischer Ring und eine auf ihn wirkende seismische Masse werden unter mechanischer Vorspannung an geeigneter Stelle am Motorblock eines Fahrzeuges befestigt. Die seismische Masse wird durch die Motorvibrationen gegen den Piezokeramikring beschleunigt und erzeugt so ein der Vibration äquivalentes Signal des Sensors in einem weiten Frequenzbereich. Tritt im Motor sogenanntes „Klopfen“ auf, weil Benzin mit einer niedrigeren Oktanzahl getankt wurde, oder sich die Betriebsbedingungen geändert haben, wird dieses Signal von der Auswerteelektronik erfasst und das Zündkennfeld entsprechend nachgeregelt. Durch diese intelligente Motorsteuerung kann die Verbrennung immer sehr nah an der Klopfgrenze betrieben werden. Das Ergebnis: eine Senkung des Brennstoffverbrauchs.

Bauformen: Ring, Runde Scheibe
Werkstoffe: SONOX® P 4, SONOX® P 5, SONOX® P 502

Luftultraschallsender und Luftultraschallempfänger

Der piezokeramische Wandler sendet einen kurzen Luft-Ultraschallimpuls, der vom Hindernis reflektiert und vom gleichen Piezowandler wieder empfangen wird. Anhand der Zeit, die das Signal für diese Strecke benötigt, lässt sich die Entfernung bestimmen. Sensoren dieser Art werden beispielsweise im Geräte- und Maschinenbau/Anlagenbau eingesetzt.

Bauformen: Runde Scheiben, teilweise mit herumgezogener Metallisierung
Werkstoff: SONOX® P 5

Tonabnehmer für die Musikindustrie

Kleine piezokeramische Sensorplättchen, die zum Beispiel im Steg einer Gitarre unterhalb der Saiten befestigt sind, nehmen die von den Saiten erzeugten Schwingungen auf und wandeln sie in elektrische Signale um. Diese können nun elektronisch verzerrt, verstärkt oder aufgezeichnet werden. Eine Lösung, die die Rock- und Popmusik nachhaltig beeinflusst hat. Da die Piezokeramik als Schwingungsaufnehmer arbeitet, kann sie in fast allen Musikinstrumenten als Tonabnehmer eingesetzt werden.

Bauformen: Runde Scheibe, rechteckige Platte, quadratische Platte
Werkstoffe: SONOX® P 5, SONOX® P 502, SONOX® P 508

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