Ein piezoelektrischer Wandler ist ein Gerät, das mechanische Energie, wie z.B. Druck, in ein elektrisches Signal umwandelt und auch umgekehrt arbeiten kann, indem es ein elektrisches Signal in mechanische Bewegung verwandelt.
Dieser letztgenannte Mechanismus wird beispielsweise in der Ultraschallprüfung verwendet.
Der Name stammt vom griechischen Wort „piezo“, was „drücken“ oder „quetschen“ bedeutet. Dieser Effekt wurde erstmals 1880 von den Brüdern Jacques und Pierre Curie nachgewiesen.
Diese doppelte Funktionalität ermöglicht es ihnen, als Sensoren zu arbeiten, die physikalische Kräfte erfassen, und als Aktoren, die präzise Bewegungen erzeugen.
Die Präzision dieser Technologie ist ein wichtiger Aspekt ihrer Verwendung.
In der medizinischen Diagnostik beispielsweise müssen Ultraschallwandler strenge Richtlinien einhalten.
Aber wie kann ein festes Material allein durch Druck eine Spannung erzeugen?
Genau das werden wir in diesem Artikel erklären!
Die Funktionsprinzipien hinter der Piezoelektrizität und die Materialien, die sie ermöglichen. Wir behandeln auch die verschiedenen Wandlertypen, ihre häufigsten Anwendungen, wichtige Industriestandards und Auswahlkriterien für Ihre technischen Projekte.
Inhaltsverzeichnis
Wie funktionieren piezoelektrische Wandler?
Im Kern dieser Geräte steht ein Phänomen namens piezoelektrischer Effekt.
Bestimmte Materialien (oft Kristalle oder spezielle Keramiken) erzeugen eine elektrische Ladung, wenn Sie mechanische Spannung auf sie ausüben.
Der Prozess funktioniert auch umgekehrt, was als inverser piezoelektrischer Effekt bekannt ist.
Wenn Sie eine elektrische Spannung über dasselbe Material anlegen, verformt es sich physikalisch und ändert seine Form geringfügig.
Das ist nichts, was Sie mit bloßem Auge beobachten können.
Diese duale Fähigkeit ermöglicht es einem piezoelektrischen Wandler, sowohl als Sensor als auch als Aktor zu fungieren.
Wenn er als Sensor verwendet wird, komprimiert eine mechanische Kraft wie Druck oder Vibration das piezoelektrische Material. Diese Aktion verschiebt die ausgeglichenen positiven und negativen Ladungen innerhalb seiner kristallinen Struktur und erzeugt einen elektrischen Dipol.
Das Ergebnis ist eine messbare Spannung, die direkt proportional zur angewandten Kraft ist.
In bestimmten Betriebsmodi ist diese Ladungserzeugung unabhängig von der Größe des Elements konsistent.
Betriebsmodi
Ingenieure können piezoelektrische Materialien in drei Hauptmodi schneiden und anordnen. Jeder bestimmt auf unterschiedliche Weise, wie sie auf Kraft reagieren.
Der Transversalmodus funktioniert, indem Kraft entlang einer Achse ausgeübt wird und eine Ladung auf einer Achse senkrecht zur Kraft erzeugt wird.
In diesem Modus hängt die erzeugte Ladungsmenge von der Geometrie des Elements ab, gemäß der Beziehung:
Einfacher ausgedrückt:
Wenn Sie das Material in eine Richtung drücken (y), erzeugt es eine elektrische Reaktion in eine andere Richtung (x), und wie stark diese Reaktion ist, hängt von den Eigenschaften des Materials und seiner Form ab.
Dies ermöglicht es Ingenieuren, die Empfindlichkeit des Sensors durch Änderung seiner physikalischen Abmessungen anzupassen.
Im Longitudinalmodus wird die Ladung entlang derselben Achse wie die angewandte Kraft erzeugt.
Die Ladungsausgabe:
In einfacheren Worten:
Wenn Sie das Material entlang seiner Länge drücken oder dehnen, erzeugt es eine elektrische Ladung in derselben Richtung, und das Stapeln mehrerer Schichten verstärkt den Effekt.
Sie ist streng proportional zur angewandten Kraft und hängt nicht von der Größe oder Form des Elements ab.
Der Schermodus, der letzte Modus, erzeugt eine Ladung im rechten Winkel zu einer angewandten Scherkraft.
Ähnlich wie beim Longitudinalmodus ist die resultierende Ladung:
Das bedeutet: Wenn Sie das Material verdrehen oder scheren, erzeugt es eine elektrische Ladung, und das Stapeln mehrerer Schichten erhöht die Ausgabe.
Auch hier ist sie direkt proportional zur angewandten Kraft.
Elektrische Eigenschaften und Ersatzschaltungen
Zur Leistungsanalyse kann ein piezoelektrischer Wandler als Spannungsquelle mit einer frequenzabhängigen Ausgabe modelliert werden.
Einfach ausgedrückt sieht es folgendermaßen aus:
Grundmodell
Die einfachste Darstellung behandelt den Sensor wie eine Batterie (Spannungsquelle), die mit einem Kondensator verbunden ist. Der Kondensator ahmt nach, wie sich elektrische Ladung auf der Oberfläche des Sensors aufbaut, wenn Sie darauf drücken.
Alternative Betrachtung:
Sie können es auch als Stromquelle (Ladungspumpe) betrachten, die mit demselben Kondensator arbeitet.
Beide Versionen sagen dasselbe aus: Je mehr Kraft Sie ausüben, desto mehr elektrische Ladung erzeugt der Sensor.
Frequenzbegrenzungen:
Der innere Widerstand des Sensors und jedes extern angeschlossene Gerät wirken wie ein Filter.
Dieser Filter verhindert, dass der Sensor sehr niederfrequente Schwingungen oder langsame Bewegungen erfasst. Es gibt eine Mindestfrequenz, unterhalb derer er nicht effektiv reagiert.
Erweiterte Modelle:
Für präzise Konstruktionen verwenden wir komplexere Modelle, die den Sensor wie ein mechanisches System behandeln, das in elektrische Begriffe übersetzt wird.
Dies geschieht durch Verwendung von Komponenten wie Spulen (Induktoren) und Kondensatoren, um nachzuahmen, wie sich die physikalische Struktur verhält.
Dies hilft, genau vorherzusagen, wie der Sensor unter verschiedenen Bedingungen funktionieren wird.
Piezoelektrische Materialien für Wandler
Die Wahl des richtigen Materials für einen piezoelektrischen Wandler ist eine wichtige Entscheidung.
Das Material bestimmt die Empfindlichkeit, Haltbarkeit und Temperaturgrenzen des Geräts.
Wir können diese Materialien in drei Hauptfamilien gruppieren: piezoelektrische Keramiken, Einkristallmaterialien und moderne Dünnschichtmaterialien.
Keramische Materialien
Die häufigste Keramik, die Sie antreffen werden, ist Bleizirkonattitanat, bekannt als PZT.
Seine hohe Empfindlichkeit macht es zu einer ausgezeichneten Wahl.
Es erzeugt ein Signal, das etwa 100-mal stärker ist als natürliche Kristalle, was es hervorragend für die Erfassung subtiler Kräfte macht.
Die PZT-Herstellung bietet große Vorteile:
- Niedrige Produktionskosten
- Möglichkeit, verschiedene geometrische Formen zu erstellen
- Konstruktionsflexibilität
PZT wird durch einen Prozess namens „Sintern“ hergestellt.
Im Grunde genommen ist es das Erhitzen von pulverförmigem Material bei hohen Temperaturen, um die Partikel zu einer festen Masse zu verschmelzen, ohne sie vollständig zu schmelzen.
PZT hat von Natur aus keine piezoelektrischen Eigenschaften.
Die Fähigkeit muss künstlich erzeugt werden durch einen Prozess namens „Polung“.
So wird es gemacht:
Rohes PZT wird erhitzt und einem starken elektrischen Feld ausgesetzt. Dies zwingt die internen Kristallstrukturen des Materials, sich in eine Richtung auszurichten.
Diese Ausrichtung ist es, die den piezoelektrischen Effekt erzeugt.
Sie arbeiten im Allgemeinen bis 250°C (<~300°C), aber das Überschreiten ihrer Curie-Temperatur entfernt dauerhaft ihre piezoelektrischen Eigenschaften.
Seine hohe Empfindlichkeit macht es zu einer ausgezeichneten Wahl für Geräte zur zerstörungsfreien Prüfung.
Einkristallmaterialien
Einkristallmaterialien bieten langfristige Stabilität.
Natürliche Kristalle wie Quarz, Galliumphosphat und Turmalin sind weniger empfindlich als PZT, aber unglaublich konsistent.
Hier ein kurzer Überblick, wie man zwischen diesen wählt:
- Quarz ist der zuverlässigste. Er verliert kaum elektrische Ladung im Laufe der Zeit, weshalb er beispielsweise die Uhren in Armbanduhren antreibt. Sie können sich darauf verlassen, dass er jahrelang die genaue Zeit anzeigt.
- Galliumphosphat hat die beste Hitzebeständigkeit. Während die meisten Materialien bei etwa 300°C versagen, arbeitet dieses sogar über 500°C perfekt weiter.
- Turmalin erzeugt ein elektrisches Signal, wenn sich die Temperatur ändert. (Wissenschaftler nennen dies „Pyroelektrizität“, aber im Grunde ist es wie ein eingebautes Thermometer.)
Einkristalle bieten Ihnen Stabilität und Präzision, aber Sie zahlen dafür mit geringerer Empfindlichkeit und höheren Kosten im Vergleich zu PZT.
Dünnschicht- und Verbundmaterialien
Wenn Sie mit sehr hohen Frequenzen oder in winzigen Räumen arbeiten müssen, sind Dünnschichtmaterialien die beste verfügbare Option.
Hergestellt mit fortschrittlichen Methoden wie Sputtern oder chemischer Gasphasenabscheidung, sind diese Materialien gebaut für:
- Ultrahochfrequenzen (über 100 MHz): verwendet in medizinischem Ultraschall, Radar und 5G-Technologie
- Miniaturisierte Geräte: Smartphone-Sensoren, tragbare Gesundheitsmonitore, MEMS-Geräte
Verfügbare Optionen in dieser Kategorie:
Piezo-Polymere und Verbundwerkstoffe: flexible Materialien, die sich biegen und trotzdem elektrische Signale erzeugen. Verwendet in tragbaren Geräten, flexiblen Sensoren und medizinischen Pflastern.
Seignettesalz: erzeugte historisch eines der stärksten piezoelektrischen Signale unter natürlichen Materialien, aber moderne Keramiken übertreffen jetzt seine Leistung. Aber es ist komplex: es verträgt keine Feuchtigkeit und zersetzt sich über 46°C. Daher ist es meist auf Labore und spezielle Anwendungen beschränkt.
Intelligente Verbundmaterialien: Sie nehmen PZT-Partikel und mischen sie in Aluminium, ähnlich wie Schokoladenstückchen im Keksteig.
Wenn das Material belastet wird (gebogen, gebrochen oder vibriert), erkennen die PZT-Partikel darin es und senden ein elektrisches Signal.
Deshalb steht das „intelligente“ im Namen – weil es so ist, als hätte man tausende winziger Alarmglocken, die in der gesamten Struktur eingebettet sind.
Aber diese Materialien haben Kompromisse.
Sie sind technisch fortschrittlich, aber oft teuer und weniger haltbar als traditionelle Keramiken oder Kristalle.
Typen und Formen piezoelektrischer Wandler
Eine der interessantesten Eigenschaften piezoelektrischer Materialien ist ihre Herstellungsvielseitigkeit.
Im Gegensatz zu vielen anderen elektronischen Komponenten können sie in einer großen Vielfalt von Formen und Größen hergestellt werden.
Diese Anpassungsfähigkeit ist der Hauptgrund, warum man sie in so vielen verschiedenen Produkten und Branchen findet.
Die Geometrie eines piezoelektrischen Wandlers ist direkt mit seiner Aufgabe verbunden.
Eine bestimmte Form wird gewählt, um zu optimieren, wie er auf mechanische Belastung reagiert oder wie er physikalische Bewegung erzeugt.
Seine Form ist ein sehr wichtiger Parameter für die Leistung in jeder gegebenen Anwendung.
Gängige Wandlergeometrien
Kreisförmige Formen wie Scheiben und Ringe sind sehr verbreitet.
Sie finden Scheibenwandler in Automobilsensoren und Ultraschallreinigungssystemen, während Ringwandler oft in medizinischen Geräten für Aufgaben wie Zahnreinigung verwendet werden.
Platten und Blöcke sind einfache, feste Formen, ideal zum Messen von Vibrationen oder Druck. Sie werden häufig als Kernkomponenten in Beschleunigungssensoren oder leistungsstarken Ultraschallgeneratoren verwendet.
Rohr- oder Zylinderwandler werden für Anwendungen verwendet, die Präzision benötigen, wie die Steuerung von Flüssigkeitsströmen, Rastermikroskopie und Mikrodosierung von Medikamenten.
Streifenwandler sind dünne, aktive Schichten, die auf eine passive Basis gebondet sind. Ihre Biegefähigkeit macht sie nützlich für Pumpensteuerungen und berührungsaktivierte Schalter.
Bimorph- und Unimorph-Wandler sind geschichtete Komponenten, die für Bewegung ausgelegt sind:
- Bimorph hat zwei aktive Schichten, die eine Biegewirkung erzeugen,
- Unimorph verwendet eine aktive Schicht für Verformung in eine Richtung.
Beide sind nützlich, um präzise Bewegungen in Aktoren und Sensoren zu erzeugen.
Vorteile und Einschränkungen
Wie alles in der Technik bringen diese Geräte sowohl Vorteile als auch Kompromisse mit sich. Wenn Sie eines in Ihren Projekten verwenden müssen, ist es wichtig, diese zu berücksichtigen.
Vorteile
Sie sind selbsterzeugend und erzeugen ihr eigenes elektrisches Signal, wenn Druck ausgeübt wird, ohne eine externe Stromquelle zu benötigen.
Sie haben auch einen hohen Elastizitätsmodul von bis zu 1011 N/m², ein Steifigkeitsniveau ähnlich wie bei vielen Metallen. Dies macht das Gerät mechanisch robust, mit fast keiner Biegung unter Last.
Diese Geräte bieten auch hervorragende Leistung.
Sie besitzen eine sehr hohe Eigenfrequenz und zeigen konsistente Linearität über einen breiten Amplitudenbereich.
Dies verleiht ihnen eine schnelle Frequenzantwort, die es ihnen ermöglicht, in Mikrosekunden zu reagieren und Ultraschall bis zu 20 MHz zu erzeugen. Sie sind in einigen Fällen auch unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Feldern und Strahlung, was sie sehr zuverlässig unter rauen Bedingungen macht.
Flexibilität im Herstellungsprozess ist ebenfalls ein großer Vorteil.
Die verwendeten Materialien können in viele verschiedene Formen und Größen gebracht werden, um spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Sie funktionieren auch gut selbst bei niedrigen Spannungen, was zu ihrer Vielseitigkeit beiträgt.
Der Vergleich mit anderen Sensortypen zeigt ihren Leistungsvorteil.
Die folgende Tabelle, die Informationen von Gautschi (2002) verwendet, zeigt, wie sie sich im Vergleich zu anderen gängigen Designs hinsichtlich Empfindlichkeit und Messbereich verhalten.
| Prinzip | Dehnungsempfindlichkeit [V/με] | Schwellenwert [με] | Spanne-zu-Schwellenwert-Verhältnis |
|---|---|---|---|
| Piezoelektrisch | 5,0 | 0,00001 | 100.000.000 |
| Piezoresistiv | 0,0001 | 0,0001 | 2.500.000 |
| Induktiv | 0,001 | 0,0005 | 2.000.000 |
| Kapazitiv | 0,005 | 0,0001 | 750.000 |
| Resistiv | 0,000005 | 0,01 | 50.000 |
Wie Sie sehen können, kombinieren piezoelektrische Sensoren sehr hohe Empfindlichkeit mit niedrigem Erfassungsschwellenwert.
Dies führt zu einer hervorragenden Fähigkeit, ein breites Spektrum von Kräften zu messen, von den kleinsten bis zu den sehr großen.
Einschränkungen
Trotz ihrer Vorteile sind piezoelektrische Wandler nicht für alles ideal.
Eine wichtige Einschränkung ist ihre Unfähigkeit, wirklich statische oder unveränderliche Kräfte zu messen.
Wenn eine konstante Kraft ausgeübt wird, erzeugt der Wandler eine feste Menge elektrischer Ladung. Diese Ladung sickert allmählich weg aufgrund unvollkommener Isolierung und innerem Widerstand, was zum Abklingen des Signals führt.
Die elektrische Ausgabe dieser Geräte ist ziemlich klein.
Diese winzige Ladung erfordert spezielle Kabel und externe Verstärker, um das Signal nutzbar zu machen.
Das Hinzufügen von Verstärkern kann manchmal ihre eigenen elektrischen Fehler oder Rauschen in die Messung einbringen.
Dies ist ein Kompromiss, den Sie für Präzisionsanwendungen berücksichtigen müssen.
Diese Wandler können auch empfindlich gegenüber ihrer Umgebung sein.
Schwankungen in Temperatur und Luftfeuchtigkeit können ihre Ausgabe beeinflussen und sie in unkontrollierten Umgebungen weniger zuverlässig machen.
Erhöhte Temperaturen sind besonders problematisch und verursachen einen Abfall des inneren Widerstands und der Empfindlichkeit.
Zum Beispiel benötigen Quarzsensoren aktive Kühlsysteme, wenn sie bei Temperaturen über 300°C betrieben werden.
Selbst bei der Energiegewinnung kann eine konstante Quelle von Umgebungsenergie einen langsamen Verlust von Elektronen verursachen, was zu einer abnehmenden Leistungsabgabe im Laufe der Zeit führt.
Anwendungen und praktische Nutzung
Bisher haben wir gelernt, dass piezoelektrische Wandler clevere Geräte sind, die mechanische Belastung in elektrische Signale umwandeln und umgekehrt.
Aber wofür wird das Ganze in der realen Welt verwendet?
Ihre Fähigkeit, sowohl als Sensoren als auch als Aktoren zu fungieren, kombiniert mit ihren vielen Formen, macht sie zu einer sehr leistungsfähigen Komponente in der Technik.
Diese Vielseitigkeit ist der Grund, warum Sie sie in fast jeder Hochtechnologiebranche finden.
Seit Hersteller sie in den 1950er Jahren für Qualitätssicherung und Prozesskontrolle zu verwenden begannen, hat sich ihre Verwendung auf die Industrie-, Luft- und Raumfahrt-, Automobil-, Medizin- und Unterhaltungselektroniksektoren ausgeweitet.
Sie sind ein bevorzugtes Werkzeug für Forschungs- und Entwicklungsteams, die die Grenzen der Technologie verschieben.
Ein Beschleunigungssensor verwendet eine winzige seismische Masse, um Bewegung zu messen, während ein Drucksensor eine dünne Membran verwendet, um Kraft zu erfassen.
Sie finden sie bei der Überwachung der Verbrennung in einem Motor, bei der Unterstützung eines Autos beim automatischen Bremsen oder beim Antrieb von Ultraschallreinigern, die Teile mit hochfrequenten Vibrationen reinigen.
Der medizinische Bereich ist stark auf diese Technologie für Patientensicherheit und Diagnostik angewiesen. Neben der Bildgebung werden piezoelektrische Wandler in chirurgischen Werkzeugen und zum Zertrümmern von Nierensteinen verwendet.
Sie interagieren jeden Tag mit piezoelektrischen Wandlern, oft ohne es zu merken.
Sie befinden sich in Mikrofonen, die Ihre Stimme aufnehmen, in Summern von Sicherheitsalarmen, in automatischen Schiebetüren und in den Touchpads von Mobiltelefonen.
Diese breite Palette von Anwendungen zeigt, wie tief diese Technologie in das moderne Leben integriert ist.
Energiegewinnung
Diese Komponenten bieten eine Methode zur Stromerzeugung durch Umwandlung mechanischer Umgebungsvibrationen in nutzbare elektrische Energie.
Diese Fähigkeit ist nützlich für Anwendungen, bei denen Kabelstrom oder Batterien zu teuer oder physisch nicht realisierbar sind.
Anstatt eine dedizierte Stromleitung zu benötigen, kann das Gerät seine eigene Energie aus der umgebenden Umwelt beziehen.
Diese Systeme sind besonders gut darin, energiearme Geräte mit Strom zu versorgen, die nur Milliwatt an Leistung benötigen, wie drahtlose Sensoren oder mechanische Uhren.
Ihre beste Verwendung ist, wenn der Strombedarf periodisch ist und die Frequenz der Vibration nahe der Resonanzfrequenz des Harvesters liegt.
Dieses Prinzip gilt für große industrielle Umgebungen.
Wandler, die in Bahngleisen installiert sind, können Energie aus der Beschleunigung und dem Druck eines Zuges gewinnen, um Strom für Überwachungsgeräte zu erzeugen.
Eine weitere zukunftsweisende Anwendung ist für das Internet der Dinge.
Sensoren können Ultraschallsignale empfangen und die resultierenden Vibrationen in eine elektrische Ladung umwandeln und so zu sich selbst versorgenden Systemen werden, die ohne Batteriewechsel funktionieren.
Auswahl des richtigen piezoelektrischen Wandlers
Die Auswahl des richtigen Wandlers beginnt mit einem guten Überblick über Ihr Projekt.
Sie müssen ermitteln, was Sie messen möchten, wie z.B. Druck, Beschleunigung oder Kraft. Denken Sie über die erforderlichen Frequenz- und Amplitudenbereiche nach, zusammen mit den spezifischen Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit.
Ihre nächste Wahl ist das Material.
Sie könnten Keramiken für hohe Empfindlichkeit oder Einkristalle für langfristige Stabilität wählen und dies mit Temperaturtoleranz und Kosten abwägen.
Die Geometrie – sei es eine Scheibe, ein Ring, eine Platte oder ein Streifen – beeinflusst Montagemöglichkeiten, Platzbeschränkungen und Richtungsempfindlichkeit.
Achten Sie auf die elektrische Ausgabe und Schnittstelle.
Die kleine elektrische Ladung bedeutet oft, dass Sie einen Verstärker und spezielle Kabel benötigen. Sie sollten auch prüfen, dass der Curie-Punkt und die Abbaueigenschaften des Materials zu Ihrer maximalen Temperatur passen.
Jede Eigenschaft, die Sie wählen, ist eine Entscheidung, die von der Verwendung und der Umgebung abhängt, in die Sie den Wandler einsetzen werden.
Fazit
Ein piezoelektrischer Wandler ist ein vielseitiges Gerät, das eine bidirektionale Energieumwandlung durchführt.
Er verwandelt mechanische Belastung in ein elektrisches Signal oder nimmt ein elektrisches Signal und erzeugt physikalische Bewegung.
Diese duale Funktion ermöglicht es ihm, als Sensor zur Druckerfassung und als Aktor zur Bewegungserzeugung zu fungieren. Dies macht ihn zu einer ausgezeichneten Komponente für Industrie-, Medizin-, Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Handelsbereiche.
Die Technologie bietet klare Vorteile.
Diese Geräte sind selbsterzeugend, sodass sie keine externe Stromquelle benötigen.
Sie bieten eine hohe Frequenzantwort, sind mechanisch robust und können in fast jeder Form hergestellt werden.
Die Kompromisse umfassen eine Unfähigkeit, statische Kräfte zu messen, eine kleine elektrische Ausgabe, die Verstärkung erfordert, und Empfindlichkeit gegenüber Umgebungsbedingungen wie Temperatur.
Die Materialwahl bestimmt das Verhalten:
- Keramiken bieten hohe Empfindlichkeit,
- Einkristalle bieten Stabilität,
- Dünnschichten eignen sich für Hochfrequenzanwendungen.
Fundierte Entscheidungen über Material, Geometrie und Design ermöglichen es Ingenieuren, piezoelektrische Technologie für präzise und zuverlässige Energieumwandlung zu nutzen.
Häufig gestellte Fragen
Was ist ein piezoelektrischer Wandler in einfachen Worten?
Es ist ein spezielles Gerät, das mechanische Energie wie Druck oder Vibrationen in eine elektrische Spannung umwandelt. Es kann auch umgekehrt arbeiten und eine elektrische Spannung in mechanische Bewegung umwandeln.
Wie erzeugt ein piezoelektrischer Wandler Elektrizität?
Wenn Sie mechanische Spannung auf bestimmte Kristalle im Wandler ausüben, wird ihre innere Struktur verzerrt. Diese Verzerrung trennt positive und negative Ladungen und erzeugt eine messbare Spannung über dem Material.
Kann ein piezoelektrischer Wandler auch Bewegung erzeugen?
Ja. Wenn ein elektrisches Feld auf das piezoelektrische Material angewendet wird, verformt sich sein Kristallgitter, wodurch das Material seine Form ändert. Dies ist als inverser piezoelektrischer Effekt bekannt.
Benötigen piezoelektrische Wandler Batterien oder eine externe Stromquelle?
Wenn sie als Sensoren verwendet werden, sind sie selbsterzeugend. Sie erzeugen ihr eigenes elektrisches Signal aus angewandter mechanischer Kraft, daher benötigen sie keine externe Stromversorgung zum Betrieb.
Welche Haupteinschränkung eines piezoelektrischen Sensors ist die wichtigste?
Die Hauptschwäche ist die Unfähigkeit, wirklich statische Kräfte zu messen. Die aus einer konstanten Kraft erzeugte elektrische Ladung sickert allmählich weg, was diese Sensoren ideal nur für dynamische oder sich ändernde Messungen macht.
Warum werden PZT-Keramiken oft natürlichen Kristallen wie Quarz vorgezogen?
PZT-Keramiken haben im Allgemeinen eine viel höhere Empfindlichkeit, was bedeutet, dass sie ein größeres elektrisches Signal für eine gegebene Kraft erzeugen. Sie sind auch kostengünstiger herzustellen und können in viele verschiedene Formen gebracht werden.
Was ist die Bedeutung der Curie-Temperatur eines Materials?
Die Curie-Temperatur ist die maximale Temperatur, bei der ein piezoelektrisches Material funktionieren kann. Wenn es über diesen Punkt erhitzt wird, verliert das Material dauerhaft seine piezoelektrischen Eigenschaften und funktioniert nicht mehr.
Wie unterscheidet sich das Design eines Beschleunigungssensors von dem eines Drucksensors?
Der Hauptunterschied liegt darin, wie die Kraft auf das piezoelektrische Element übertragen wird. Ein Drucksensor verwendet eine Membran, um Druck zu sammeln und zu fokussieren. Ein Beschleunigungssensor befestigt ein kleines Gewicht, genannt seismische Masse, das während der Bewegung Kraft auf das Element ausübt.
Warum benötigen piezoelektrische Sensoren hochohmige Kabel und Verstärker?
Diese Sensoren erzeugen eine kleine Ladungsmenge und haben eine sehr hohe Ausgangsimpedanz. Die Verwendung hochohmiger Elektronik verhindert, dass das kleine elektrische Signal wegsickert, und ermöglicht eine genaue Spannungsmessung.
