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Von der Füllstandsmessung bis zur Adaptronik Echt flexibel: Piezoelemente eignen sich für viele sensorische Anwendungen

Autor / Redakteur: Frank Möller, Ellen-Christine Reiff* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Piezos kommen nicht nur als Aktoren zum Einsatz. Sie lassen sich vielmehr auch ganz flexibel in der Sensorik verwenden – manche sogar im wahrsten Sinne des Wortes. Damit erschließt Physik Instrumente (PI) zahlreiche potentielle Anwendungen – von Ultraschall- und Kraftsensoren bis hin zu komplexen adaptronischen Systemen.

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Bei Piezoelementen sind unterschiedliche Varianten realisierbar, die die Anpassung an die jeweilige Anwendung ermöglichen: zum Beispiel Rohre, Scheiben, Bieger, Scherelemente oder Translatoren.
Bei Piezoelementen sind unterschiedliche Varianten realisierbar, die die Anpassung an die jeweilige Anwendung ermöglichen: zum Beispiel Rohre, Scheiben, Bieger, Scherelemente oder Translatoren.
(Bilder: PI)

Piezoelektrische Materialien können bei Krafteinwirkung eine elektrische Spannung erzeugen (Piezoeffekt) oder unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ihre Abmessungen verändern (inverser Piezoeffekt). Sie wandeln mechanische in elektrische Energie um und umgekehrt, man spricht hier auch von Transducern.

Während sich der inverse Piezoeffekt für aktorische Anwendungen nutzen lässt, bietet sich der direkte Piezoeffekt oder auch die Kombination beider Effekte für die Realisierung von Sensoren an.

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Der Piezoeffekt beruht dabei ausschließlich auf Verschiebungen innerhalb des Kristallgitters des piezoelektrischen Elements. Er ist daher keiner mechanischen Reibung und keinem Verschleiß im klassischen Sinne unterworfen und ist hochsensibel. Bereits kleinste Deformationen erzeugen unmittelbar eine messbare Ladungsverschiebung und umgekehrt bewirkt eine kleine elektrische Spannung bei einem Aktor eine sofortige Auslenkung.

Klassische Piezo-Anwendung: Erzeugen und Detektieren von Ultraschall

Das Erzeugen und Detektieren von Ultraschall ist eine klassische Piezo-Anwendung, denn beim Anlegen einer Wechselspannung beginnt das Piezoelement zu schwingen. Die kurzen Ansprechzeiten und die daraus resultierende hohe Dynamik ermöglichen hohe Schwingungsfrequenzen von bis zu 20 MHz. Als Ultraschall bezeichnet man Schall mit Frequenzen oberhalb des menschlichen Hörfrequenzbereichs, also ab etwa 16 kHz.

Industrie, Medizintechnik und Forschung nutzen diesen Frequenzbereich in vielerlei Hinsicht. Das Spektrum reicht von Abstandsbestimmung und Objekterkennung, Füllstand- oder Durchflussmessungen über hochauflösende Materialprüfungen bis hin zur medizinischen Diagnostik und Therapie. Piezokeramiken lassen sich praktisch in beliebigen Formen preisgünstig fertigen und bieten so für die unterschiedlichen Anwendungen maßgeschneiderte Lösungen.

Piezos: flexibel bei Frequenz und Bauform

Die Piezoelemente von PI Ceramic eignen sich für eine Vielzahl von Ultraschall-Anwendungen. Diese lassen sich grob klassifizieren in zumeist sensorische Anwendungen für Frequenzen bis 20 MHz und Leistungs-Ultraschall, bei dem die Energiedichten höher sind.

Bei letzteren verrichten die Piezoelemente dann beachtliche mechanische Arbeit, sie zertrümmern etwa Nierensteine oder entfernen Zahnstein, liefern die mechanische Energie für Reinigungsbäder aber auch für industrielles Schweißen oder Bonden. Die typischen Frequenzen des Leistungs-Ultraschalls liegen dabei zwischen 20 und 3000 kHz.

Bei Piezo-Komponenten sind neben der auf die jeweilige Applikation bezogene Materialauswahl, unterschiedliche geometrische Varianten und Resonanzfrequenzen realisierbar. Bauelemente wie Dickenschwinger in Scheiben- bzw. Plattenform, Piezo-Ringscheiben, Piezorohre und Scherelemente mit Standardabmessungen können auf Basis vorrätiger Halbzeuge sehr kurzfristig geliefert werden.

Über die Standardabmessungen hinausgehende Geometrien sind auf Anfrage ebenfalls erhältlich.

Außerdem sorgt PI Ceramic für die Integration in das endgültige Produkt. Dazu gehören sowohl die elektrische Kontaktierung der Elemente nach Kundenvorgaben als auch die Montage in bereitgestellte Bauelemente, das Verkleben oder der Verguss der Ultraschallwandler.

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