Piezoelektrische Waage (Piezo-Waage)

Messgrößen

  • Kraft

Prinzip

Die Piezo-Waagen basieren auf dem piezoelektrischen Effekt: Es tritt eine elektrische Polarisation bei mechanischer Verformung von Kristallen mit polaren Achsen auf. Je nach Schnitt tritt der Piezoelektrische Effekt in Quarz als longitudinaler, transversaler oder als Schubeffekt auf. Es ist damit möglich, je nach Bedarf, aus geeignet geschnittenen Quarzscheiben, Kraftmesselemente zu bauen, mit denen eine oder mehrere Komponenten oder auch Momente gemessen werden können. Üblicherweise hat ein Kraftmesselement die Form einer Unterlegscheibe, in der mehrere Quarzscheiben mechanisch in Serie und unter leichter Vorspannung eingebaut sind. Die Ladungen werden durch Elektroden, die zwischen den Quarzscheiben liegen, abgenommen und dann Ladungsverstärkern und -integratoren zugeführt.
In einer Dreikomponenten–Messunterlegscheibe sind ein Quarzplattenpaar (Longitudinaleffekt) für die Axialkomponente und je zwei Plattenpaare (Schubeffekt) für die beiden orthogonalen Schubrichtungen eingebaut. Da die zu messenden Schubkräfte nur durch Haftreibung übertragen werden können, werden die Mehrkomponentenaufnehmer unter mechanischer Vorspannung in das Messsystem eingebaut.
In einer Waage werden vier Dreikomponenten–Piezokraftmesselemente durch elastische Vorspannbolzen zwischen der jeweiligen Wand und einer gemeinsamen krafteinleitenden Deckplatte vorgespannt. Es können somit die orthogonalen Kräfte, die als Scherkräfte auf die Kraftmesselemente wirken, wegen der hohen Haftreibung übertragen werden.
Wegen der systemimmanenten Vorteile der Piezomesstechnik zeichnen sich solche Waagen durch einen großen dynamischen Antwortbereich, geringes Übersprechen und durch eine hohe Steifheit aus. Durch eine effektive Nullpunktskorrektur ist der Fehler der Nullpunktsdrift gering und quasistatische Messungen über einen langen Zeitraum sind möglich. Die vorhandenen Waagen erlauben Sechskomponentenmessungen der statischen und dynamischen angreifenden Kräfte. Durch Kurzschließen von Ladungen, die durch eine stationäre Vorlast erzeugt worden sind, kann unabhängig von der Vorlast, das volle Auflösungsvermögen für die Messung kleiner Schwankungen ausgenutzt werden. Somit sind Kraftmessungen über mehrere Größenordnungen mit gleich bleibend hoher Auflösung möglich.
Die hohe Steifigkeit führt erstens zu einem geringen Übersprechen zwischen den einzelnen Kraftkomponenten und zweitens zu einer hohen Eigenfrequenz des Gesamtsystems. Beide Eigenschaften sind von grundlegender Bedeutung bei der Messung von aerodynamischen Lasten in einem Windkanalexperiment und von herausragender Bedeutung für aeroelastische Experimente.

Anwendung

Messung statischer und dynamischer Kräfte, z.B. in Windkanalversuchen.

Literatur / Referenzen

  • 1. Schewe, G., A Multicomponent Balance Consisting of Piezoelectric Force Transducers for a High-Pressure Windtunnel. (1) Proc. Sensors & Systems '82, Vol. 2 (1982), Pasadena Ca/USA, May 18-20, 1982
  • (2) Deutsche Version: Techn. Messen 12 (1982) S447; Kistler-Sonderdruck 20.110d.
  • 2. Schewe, G., Force Measurements in Aerodynamics Using Piezoelectric Multicomponent Force Transducers. Proc. Inter. Congr. Instrum. Aerospace Simul. Facil. ICIASF '85 Record (1985) Stanford Univ., 26-28 Aug. 1985, S.263-268.
  • 3. Schewe, G., Anwendung von piezoelektrischen Mehrkomponenten-Aufnehmern bei der Messung aerodynamischer Kräfte. Handbuch f. Ing., Zweite Ausgabe, Sensoren, Meßaufnehmer, S. 283-297, Expert Verlag, ISBN 3-8169-0278-2 (1988).
  • 4. Schewe, G., Beispiele für Kraftmessungen im Windkanal mit piezoelektrischen Mehrkompo-nentenmesselementen. ZFW 14, 32-37 (1990)
  • 5. Schewe, G.: Force Measurements in Aeroelasticity Using Piezoelectric Multicomponent Transducers. DGLR-Bericht 91-06, 142-149, Int. Forum on Aeroelasticity and Structural Dy-namics (1991)
  • 6. Schewe, G.: Experiments in Aeroelasticity using Piezoelectric Balances. Biennial Data Ex-change Symposium, 20-21 September 1993, DARA München, Ottobrunn (1993)

Institut / Einrichtung

DLR-Institut für Aeroelastik

Kontakt

Dr.rer.nat. Holger Mai
DLR-Institut für Aeroelastik

Dr. Frank Holtmann
Technologiemarketing

Ähnliche Messgrößen

Nachfolgend finden Sie Referenzen zu Datenblättern in MessTec, welche mit hoher Wahrscheinlichkeit ähnliche Messgrößen beschreiben. Die Auswahl basiert auf einem semantischen Vergleich:

Kraft :: mehr