Piezoelektrischer Effekt

Was ist der piezoelektrische Effekt?

Der piezoelektrische Effekt (von altgriechisch „piezein“: drücken) beschreibt die Eigenschaft bestimmter Festkörper, bei mechanischer Belastung eine elektrische Ladung zu erzeugen. Durch die einwirkende Kraft verändert sich die mikroskopische Struktur des Körpers; es entstehen Dipole, zwischen denen sich eine Spannung aufbaut. – Auch die Umkehrung ist möglich: Durch Anlegen einer Spannung lassen sich piezoelektrische (PE) Materialien elastisch verformen. Eines der wichtigsten PE-Materialien ist der Quarzkristall (SiO2).

Der piezoelektrische Effekt am Quarzkristall

Die am Piezokristall auftretenden elektrischen Ladungen sind proportional zur einwirkenden Kraft und lassen sich mit Hilfe eines Ladungsverstärkers als Signale zur messtechnischen Erfassung nutzen. Im Unterschied zu vielen anderen PE-Materialien sind Quarze nicht pyroelektrisch und damit robust gegenüber Temperaturschwankungen. – Im Jahr 1950 erhielt Walter P. Kistler das Patent auf den Ladungsverstärker für piezoelektrische Signale. Damit wurde der Weg frei für Sensoren mit herausragenden Messeigenschaften bei dynamischen und quasistatischen Vorgängen.

Anwendungen des piezoelektrischen Effekts

Der Piezoeffekt ist die Grundlage für PE-Sensoren mit einer großen Bandbreite möglicher Anwendungen: Dazu gehören industrielle Prozesse wie die Automobilfertigung und das Spritzgießen, aber auch Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt, Bahntechnik sowie Biomechanik, Thermoakustik und viele weitere Bereiche. Speziell auf die Anwendung zugeschnittene PE-Sensoren bilden die Grundlage für Prozessüberwachungssysteme mit entsprechender Datenanalyse für optimale Produktionsergebnisse.

Vorteile piezoelektrischer Sensoren

Je nach Richtung der einwirkenden Kraft bzw. der Lage zu den polaren Achsen des Kristalls tritt der PE-Effekt longitudinal (in Kraftrichtung), transversal (quer dazu) oder diagonal als Schereffekt auf. Dies erlaubt unterschiedliche Einbauvarianten eines PE-Sensors an einer Maschine. – Im Vergleich zu Dehnungsmessstreifen besitzen PE-Sensoren besondere Vorteile wie einen sehr weiten Messbereich, kurze Messwege, einen Überlastschutz und eine ausgeprägte Langzeitstabilität – teilweise über Jahrzehnte. Besonders komfortabel nutzen lässt sich der piezoelektrische Effekt mit sogenannten IEPE-Sensoren.