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Piezoelektrischer Wandler: Funktionsprinzip, Aufbau, Typen, Eigenschaften und Anwendungen

Mit einem piezoelektrischen Wandler können Sie mechanische Kraft in ein elektrisches Signal oder elektrische Energie in mechanische Bewegung umwandeln.In diesem Artikel erfahren Sie, was ein piezoelektrischer Wandler ist, wie er aufgebaut ist und wie er funktioniert.Außerdem sehen Sie die gängigen Typen, Hauptmerkmale und Anwendungen.

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Abbildung 1. Piezoelektrischer Wandler (Piezoscheibenelement)

Was ist ein piezoelektrischer Wandler?

Ein piezoelektrischer Wandler ist ein Gerät, das mechanische Kraft in elektrische Energie oder elektrische Energie in mechanische Bewegung umwandelt.Es funktioniert mit einem speziellen Material, das beim Drücken, Biegen oder Vibrieren eine kleine Spannung erzeugt.Aufgrund dieser Eigenschaft wird es häufig zur Erkennung von Druck, Vibration, Schall oder Bewegung verwendet.Die einfache scheibenartige Struktur mit angeschlossenen Leitungen, wie sie in der Praxis häufig vorkommt, ermöglicht die einfache Umwandlung mechanischer Bewegungen in ein elektrisches Signal für Mess- oder Steuerungsanwendungen.

Aufbau eines piezoelektrischen Wandlers

Abbildung 2. Aufbau eines piezoelektrischen Wandlers

•Gehäuse (Stahl)

Bietet mechanische Festigkeit und schützt den Wandler vor äußeren Beschädigungen.

•Passende Schicht (Epoxid)

Trägt dazu bei, mechanische Energie effizient auf das piezoelektrische Element zu übertragen und die Signalleistung zu verbessern.

•Piezoelektrische Keramik

Das aktive Sensorelement, das bei Druck oder Vibration eine elektrische Spannung erzeugt.

•Trägerschicht (Epoxid)

Absorbiert unerwünschte Vibrationen und steuert die Reaktion des Wandlers.

•Einkapselungsmittel (Gummi)

Versiegelt die Struktur und schützt sie vor Feuchtigkeit, Staub und Umwelteinflüssen.

Funktionsprinzip des piezoelektrischen Wandlers

Das Funktionsprinzip eines piezoelektrischen Wandlers basiert auf der Fähigkeit bestimmter Materialien, auf mechanische Beanspruchung und elektrische Energie zu reagieren.Im Inneren des Materials verschieben sich elektrische Ladungen, wenn Kraft oder Spannung ausgeübt wird.Dieses Verhalten tritt in zwei verwandten Formen auf, die als direkter piezoelektrischer Effekt und als inverser piezoelektrischer Effekt bekannt sind.Jeder Effekt erklärt, wie Energie von einer Form in eine andere umgewandelt wird.

Direkter piezoelektrischer Effekt

Abbildung 3. Direkter piezoelektrischer Effekt

Beim direkten piezoelektrischen Effekt wird mechanischer Stress oder Dehnung auf das piezoelektrische Material ausgeübt.Wie in der Abbildung gezeigt, führt das Pressen oder Belasten des Materials dazu, dass sich die internen elektrischen Ladungen von ihren normalen Positionen verschieben.Durch diese Ladungstrennung entstehen positive und negative Oberflächen auf gegenüberliegenden Seiten des Materials.Dadurch entsteht an den Elektroden eine kleine elektrische Spannung.Die Ausgangsspannung steigt, wenn die ausgeübte Kraft oder Vibration stärker wird, sodass der Wandler Druck, Kraft oder Bewegung genau erfassen kann.

Inverser piezoelektrischer Effekt

Abbildung 4. Inverser piezoelektrischer Effekt

Beim inversen piezoelektrischen Effekt erfolgt die Energieumwandlung in die entgegengesetzte Richtung.An das piezoelektrische Material wird eine äußere elektrische Spannung angelegt.Wie in der Abbildung dargestellt, zwingt das angelegte elektrische Feld die internen Ladungen dazu, sich neu auszurichten.Durch diese Neuausrichtung ändert sich die Form des Materials leicht, indem es sich ausdehnt oder zusammenzieht.Die physikalische Verformung erzeugt eine mechanische Bewegung oder Vibration, wodurch der piezoelektrische Wandler Bewegung, Schall oder Ultraschallwellen erzeugen kann.

Elektrische Eigenschaften piezoelektrischer Wandler

Parameter	Spezifikation
Ausgangssignaltyp	Wechselspannung mechanisch erzeugt Stress
Elektrischer Ausgangsmodus	Betrieb im Lademodus oder Spannungsmodus
Ausgangsspannungsbereich	10 mV bis 100 V Spitze, abhängig von der Kraft und Größe
Ladungsempfindlichkeit	1 pC pro N bis 1000 pC pro N
Spannungsempfindlichkeit	1 mV pro N bis 50 mV pro N
Quellenkapazität	100 pF bis 50 nF
Quellenimpedanz	Sehr hoch, typischerweise über 1 Megaohm
Interner Widerstand	Mehr als 10 Gigaohm
Frequenzgangbereich	1 Hz bis 10 MHz je nach Ausführung
Resonanzfrequenz	1 kHz bis 5 MHz typisch
Antiresonanzfrequenz	Etwas höher als resonant Frequenz
Ausgangsimpedanz bei Resonanz	Niedrige Impedanz am Resonanzpunkt
Ausgangsimpedanz bei Antiresonanz	Sehr hohe Impedanz bei Antiresonanz Punkt
Statische Messfähigkeit	Nicht für echte Gleichstrommessung geeignet
Entladezeitkonstante	Millisekunden bis Sekunden basierend auf der Last Widerstand
Signalpolarität	Abhängig von der Spannungsrichtung und Materialorientierung
Dielektrizitätskonstante	100 bis 5000, je nach Material
Betriebsspannung als Aktor	10 V bis 1000 V AC oder DC
Stromverbrauch	Im Sensormodus sehr niedrig
Geräuschpegel	Sehr geringes elektrisches Eigenrauschen
Kabelempfindlichkeit	Hoch, beeinflusst durch die Kabelkapazität
Erforderliche Signalkonditionierung	Ladungsverstärker oder hochohmige Spannung Verstärker
Temperaturstabilität	Mäßig, variiert je nach Piezomaterial
Elektrischer Verlustfaktor	Niedrig bei Betriebsfrequenz
Isolationswiderstand	Normalerweise größer als 10 Gigaohm
Ausgangslinearität	Hoch innerhalb der mechanischen Nenngrenzen

Arten von piezoelektrischen Wandlern

Piezoelektrische Wandler gibt es in verschiedenen Ausführungen, die jeweils darauf ausgelegt sind, Bewegungen, Druck, Schall oder Vibrationen für bestimmte Mess- und Steuerungsanwendungen zu erfassen oder zu erzeugen.

Piezoelektrischer Beschleunigungssensor

Zur Messung von Beschleunigung und Vibration wird ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor verwendet.Es funktioniert, indem es eine mechanische Bewegung in ein elektrisches Signal umwandelt, wenn sich der Sensor bewegt.Im Vergleich zu Druck- oder Kraftaufnehmern reagiert er empfindlicher auf schnelle Änderungen und hochfrequente Vibrationen.Dadurch eignet es sich zur Maschinenüberwachung und Schwingungsanalyse.Es wird häufig in industriellen und strukturellen Gesundheitssystemen eingesetzt.

Piezoelektrischer Druckwandler

Ein piezoelektrischer Druckwandler misst dynamische Druckänderungen und wandelt sie in ein elektrisches Ausgangssignal um.Im Gegensatz zu statischen Drucksensoren reagiert er schnell auf schnelle Druckschwankungen.Im Vergleich zu Kraftaufnehmern ist er speziell für die Druckmessung von Flüssigkeiten und Gasen konzipiert.Es wird häufig in Verbrennungsmotoren und Hydrauliksystemen eingesetzt.Der hohe Frequenzgang ist sein Hauptvorteil.

Piezoelektrischer Kraftaufnehmer

Ein piezoelektrischer Kraftwandler misst die ausgeübte Kraft oder Last durch Ladungserzeugung.Bei Krafteinwirkung erzeugt das piezoelektrische Element ein elektrisches Signal proportional zur Last.Im Vergleich zu Beschleunigungsmessern konzentriert es sich eher auf direkte Kraft als auf Bewegung.Es eignet sich gut für die dynamische Kraftmessung.Dieser Typ wird häufig bei Tests und Schlagmessungen eingesetzt.

Piezoelektrischer Ultraschallwandler

Ein piezoelektrischer Ultraschallwandler erzeugt und erkennt Ultraschallwellen.Es wandelt elektrische Energie in hochfrequente Schallwellen um und empfängt reflektierte Signale.Im Vergleich zu Mikrofonen arbeitet es mit viel höheren Frequenzen, die über das menschliche Hörvermögen hinausgehen.Dies ermöglicht eine genaue Erfassung, Bildgebung und Entfernungsmessung.Es wird häufig im medizinischen Ultraschall und bei der industriellen Inspektion eingesetzt.

Piezoelektrischer Aktuator-Wandler

Ein piezoelektrischer Aktorwandler wandelt elektrische Energie in präzise mechanische Bewegung um.Wenn Spannung angelegt wird, dehnt es sich aus oder zieht sich zusammen, um Bewegung zu erzeugen.Im Gegensatz zu Sensorwandlern dient er hauptsächlich der Betätigung und nicht der Messung.Es bietet eine sehr kleine, aber genaue Verschiebung.Dies macht es ideal für Präzisionspositionierungssysteme.

Piezoelektrischer Mikrofonwandler

Ein piezoelektrischer Mikrofonwandler wandelt Schallschwingungen in elektrische Signale um.Schallwellen versetzen das piezoelektrische Material in Schwingungen und erzeugen Spannung.Im Vergleich zu Ultraschallwandlern arbeitet er im hörbaren Frequenzbereich.Das Design ist einfach und erfordert keine externe Stromversorgung zur Erfassung.Dieser Typ wird häufig in grundlegenden Audio- und akustischen Erkennungssystemen verwendet.

Piezoelektrischer Zündwandler

Ein piezoelektrischer Zündwandler erzeugt bei mechanischer Krafteinwirkung eine Hochspannung.Durch Drücken oder Schlagen auf das Element entsteht ein Funke ohne externe Energie.Im Vergleich zu anderen piezoelektrischen Wandlern liegt der Schwerpunkt eher auf der Spannungserzeugung als auf der Spannungserfassung.Dies macht es für Zündzwecke zuverlässig.Es wird häufig in Gasfeuerzeugen und Zündsystemen verwendet.

Anwendungen von piezoelektrischen Wandler

Piezoelektrische Wandler werden in der modernen Technologie häufig eingesetzt, da sie mechanische Energie präzise in elektrische Signale zur Erfassung, Messung und Steuerung in vielen Branchen umwandeln können.

Medizinische Ultraschallsysteme

Piezoelektrische Wandler werden häufig in Ultraschallgeräten eingesetzt.Sie erzeugen hochfrequente Schallwellen und empfangen die reflektierten Signale, um Bilder zu erzeugen.Dies hilft Ärzten, innere Körperstrukturen sicher zu erkennen.Sie sind zuverlässig und reagieren sehr schnell.

Vibrations- und Zustandsüberwachung

Diese Aufnehmer werden zur Erkennung von Vibrationen in Maschinen und Strukturen eingesetzt.Mechanische Schwingungen werden zur Analyse in ein elektrisches Signal umgewandelt.Dies hilft, Fehler an Motoren, Pumpen und Motoren frühzeitig zu erkennen.Es verbessert die Sicherheit und reduziert die Wartungskosten.

Druckmesssysteme

Piezoelektrische Wandler messen sich schnell ändernde Drücke in Gasen und Flüssigkeiten.Sie funktionieren dort gut, wo Druckänderungen mit hoher Geschwindigkeit auftreten.Dadurch sind sie für Motoren und Hydrauliksysteme geeignet.Sie werden nicht für konstanten oder statischen Druck verwendet.

Kraft- und Stoßmessung

Sie dienen zur Messung von Kraft, Belastung und Stoß.Bei Krafteinwirkung entsteht eine elektrische Ladung.Dies ermöglicht eine genaue Messung dynamischer Kräfte.Sie kommen häufig bei Tests und Materialanalysen vor.

Ton- und Akustikgeräte

Piezoelektrische Wandler werden in Mikrofonen, Summern und Tonabnehmern verwendet.Durch Schallschwingungen erzeugt das Material ein elektrisches Signal.Sie sind einfach im Design und sehr langlebig.Diese Geräte sind in der Unterhaltungselektronik weit verbreitet.

Zündung und Funkenerzeugung

In Zündsystemen erzeugen piezoelektrische Wandler beim Drücken eine Hochspannung.Diese Spannung erzeugt einen Funken, ohne dass eine externe Stromversorgung erforderlich ist.Sie werden häufig in Gasfeuerzeugen und -öfen verwendet.Das Design ist einfach und äußerst zuverlässig.

Vorteile und Grenzen des piezoelektrischen Wandlers

Vorteile des piezoelektrischen Wandlers

• Sie reagieren sehr empfindlich auf kleine Kraft- und Vibrationsänderungen.

• Sie reagieren schnell auf dynamische Signale.

• Sie arbeiten über einen weiten Frequenzbereich.

• Ihre Größe ist klein und leicht.

• Im Sensormodus benötigen sie keine externe Stromversorgung.

• Sie sind langlebig und zuverlässig unter rauen Bedingungen.

Einschränkungen des piezoelektrischen Wandlers

• Sie können keine statischen oder stationären Kräfte messen.

• Sie erfordern spezielle Signalaufbereitungsschaltungen.

• Ihre Leistung wird durch Temperaturänderungen beeinflusst.

• Das Ausgangssignal ist normalerweise sehr klein.

• Einige Materialien können bei hoher Belastung reißen.

Piezoelektrischer Wandler im Vergleich zu anderen Wandler

Spezifikation	Piezoelektrischer Wandler	Dehnungsmessstreifenaufnehmer	Kapazitiver Wandler	Induktiver Wandler	Optischer Wandler
Gemessene Menge	Kraft, Druck, Vibration	Belastung und Kraft	Verschiebung, Druck	Position, Verschiebung	Licht, Position, Geschwindigkeit
Funktionsprinzip	Piezoelektrischer Effekt	Widerstandsänderung	Kapazitätsänderung	Elektromagnetische Induktion	Lichtmodulation
Ausgangssignaltyp	Spannung oder Ladung	Widerstandsänderung	Kapazitätsänderung	Spannung	Spannung oder Strom
Statische Messfähigkeit	Nicht geeignet	Passend	Passend	Passend	Passend
Dynamische Messfähigkeit	Ausgezeichnet	Gut	Mäßig	Gut	Ausgezeichnet
Typische Empfindlichkeit	Hoch	Mittel	Sehr hoch	Mittel	Sehr hoch
Frequenzbereich	1 Hz bis über 1 MHz	Bis zu 10 kHz	Bis zu 100 kHz	Bis zu 50 kHz	Über 1 MHz
Reaktionszeit	Sehr schnell unter 1 Mikrosekunde	Langsam bis mäßig	Schnell	Mäßig	Extrem schnell
Ausgangsimpedanz	Sehr hoch über 1 MOhm	Niedrig etwa 120 bis 350 Ohm	Hoch	Niedrig	Niedrig
Temperaturempfindlichkeit	Mittel	Hoch	Mittel	Niedrig	Niedrig
Signalkonditionierung erforderlich	Erforderlich	Erforderlich	Erforderlich	Erforderlich	Minimal
Leistungsbedarf	Keine externe Stromversorgung zur Erfassung	Erfordert Erregerspannung	Erfordert Erregerspannung	Erfordert Erregerspannung	Erfordert eine Stromquelle
Größe und Gewicht	Sehr klein und leicht	Klein	Klein	Mittel	Klein
Umweltverträglichkeit	Hoch	Mäßig	Mäßig	Hoch	Mäßig
Anwendungen	Vibrationsüberwachung, Ultraschall	Wägezellen, Wägesysteme	Positions- und Niveauerkennung	Näherungs- und Positionserkennung	Encoder, Fasersensoren

Fazit

Piezoelektrische Wandler nutzen direkte und inverse piezoelektrische Effekte, um Bewegungen und elektrische Signale zu erfassen oder zu erzeugen.Sie bieten eine hohe Empfindlichkeit, schnelle Reaktion und einen breiten Frequenzbetrieb für dynamische Messungen wie Vibration, Druck, Kraft und Schall.In vielen Branchen werden unterschiedliche Typen für Sensor-, Betätigungs- und Zündzwecke verwendet.Sie sind jedoch nicht für statische Messungen geeignet und erfordern eine ordnungsgemäße Signalkonditionierung.