Piezo vs. DMS

Was ist der Unterschied zwischen piezoelektrischen Sensoren und DMS-Sensoren?

Praktisch alle Kraftmessungen können entweder durch DMS-(Dehnungsmesstreifen)-Sensoren oder piezoelektrische Sensoren durchgeführt werden. Alle anderen Messprinzipien besetzen lediglich kleinste Nischen in diesem Markt. Die Wahl des passenden Messprinzips hängt stark von den Anforderungen und den Priorisierungen des Anwenders ab, da ca. 80 Prozent aller Messaufgaben sowohl von Sensoren auf DMS-Basis wie auch von piezoelektrischen Sensoren bewältigt werden können.

Das piezoelektrische Prinzip: Erfassung einer elektrischen Ladung

Die Kraft wird auf einen piezoelektrischen Kristall aufgebracht und bewirkt eine Ladungsverschiebung auf molekularer Ebene in der Gitterstruktur. Diese elektrische Ladung wird an der Kristalloberfläche erfasst und mit einem sogenannten Ladungsverstärker in ein Spannungssignal umgewandelt.

Vorteil:

Die Verformung fällt äußerst gering aus, da der Ladungseffekt infolge atomarer Verschiebungen auftritt. Dadurch können extrem steife Sensor-Aufbauten mit hohen Eigenfrequenzen realisiert werden, was ideal für schnelle oder hochfrequente Messereignisse ist.

Nachteil:

Elektrische Ladung ist sehr volatil, was ohne perfekte Isolation dazu führt, dass Ladung mit der Zeit verloren geht. Das macht langzeitstabile Messungen schwierig, vor allem wenn kleine Kräfte erfasst werden sollen. Außerdem reagiert ein piezoelektrischer Sensor stärker auf Temperaturänderungen.

Das DMS Prinzip: Erfassung einer Widerstandsänderung durch Deformation

Die Kraft wird auf einen Federkörper eingeleitet, der sich entsprechend elastisch verformt. Diese Verformung bewirkt eine Stauchung oder Längung der angebrachten Dehnungsmessstreifen und damit eine Veränderung ihrer elektrischen Widerstände. Mit einer einfachen elektrischen Messbrückenschaltung kann daraus ein nutzbares Spannungssignal generiert werden.

Vorteil:

Messungen sind sehr langzeitstabil und Temperaturänderungen lassen sich besser kompensieren. Es lassen sich Sensoren von sehr hoher Genauigkeit realisieren.

Nachteil:

Je ausgeprägter die elastische Verformung ist, desto besser erfolgt die Signalerfassung. Das heißt, die Struktur ist eher weich mit einer niedrigen Eigenfrequenz und daher ungeeignet für schnellere, hochfrequente Messereignisse. Aufgrund der Verformung sind Materialermüdung und -überdehnung als weitere kritische Aspekte dieses Messprinzips zu betrachten.

Lernen Sie mehr über den piezoelektrischen Effekt.