Das Meßprinzip basiert auf dem piezoelektrischen Effekt von dielektrischen Werkstoffen z.B. Quarzkristallen. In einem solchen Material, das eine mechanische Spannung erfährt, werden elektrische Ladungen getrennt. Die Ladung kann an der Oberfläche abgeführt und zur Messung der Kraft genutzt werden.
Prinzip eines piezoelektrischen Kraftaufnehmers
Dadurch, daß die Quarzkristalle sehr steif sind, haben sie in der Regel einen Meßweg von <10m m. Die Eigenverformung kann daher meist vernachlässigt werden. Es lassen sich Meßwege im Bereich von unter 1m m messen. Der nutzbare Meßbereich erstreckt sich über mehrere Zehnerpotenzen. Das Verhältnis von mechanisher Nennspannung zur Ansprechschwelle kann 109 erreichen. Dadurch können mit einem Kraftaufnehmer Bereiche von wenigen N bis zu mehreren GN gemessen werden.
Mit piezoelektrischen Kraftaufnehmern lassen sich keine echten statischen Messungen durchführen weil die elektrische Ladung nicht über beliebig lange Zeiträume aufrechterhalten werden kann. Zum einen haben die Isolationsmaterialien einen endlichen Widerstand, zum anderen sind die zur Auswertung verwendeten Ladungsverstärker mit Leckverlusten behaftet. Besonders bei kleiner Teilauslastung machen sich diese Effekte bemerkbar. Man spricht daher nur von quasistatischer Meßfähigkeit der piezoelektrischen Aufnehmer. Eine statische Kalibrierung ist aber in den meisten Fällen möglich.
Die Anforderungen an das Isolationsmaterial sind außerordentlich hoch. Geringste Isolationsdefekte bewirken große Meßfehler. Der Einsatz bei hoher Feuchtigkeit kann daher problematisch sein.
Da der Meßeffekt über den gesamten belasteten Querschnitt integriert, im Gegensatz z.B. zum DMS-Prinzip ,bei dem nur Oberflächendehnungen erfaßt werden, lassen sich mit relativ einfachen Aufnehmergeometrien kleine Meßabweichungen erzielen.
Das Meßelement besteht, zur Erhöhung der Empfindlichkeit, aus zwei Scheiben entgegengesetzter Polarität, die kraftmäßig in Reihe und elektrisch parallel geschaltet sind. Die Ladung wird über eine gemeinsame Elektrode in der Mitte abgeführt.
Ein wichtiger Anwendungsschwerpunkt piezoelektrischer Kraftaufnehmer ist die Mehr- komponentenkraftmessung. Dazu werden Quarzmeßelemente mit unterschiedlicher Kristallorientierung zu einem Stapel zusammengebracht. Jedes Element hat eigene Elektroden, die nach außen abgeführt werden. Die Elemente werden unter Vorspannung zusammengebaut, um durch Reibkräfte die unterschiedlichen Kraftkomponenten zu übertragen. Jedes Element ist nur für eine Komponente empfindlich. Daher gibt, trotz identischer Kraft, jedes Meßelement unterschiedliche Ladungen ab, je nach Größe der entsprechenden Kraftkomponente. Das Übersprechen solcher Mehrkomponentenkraftaufnehmer liegt typisch < 1 Prozent
3-Komponenten Kraftaufnehmer
Der Aufwand für piezoelektrische Mehrkomponenten-Kraftaufnehmer ist relativ gering bei gleichzeitig guten meßtechnischen Eigenschaften und sehr kompakter Bauform. Andere Prinzipien, die über Verformungen von Federkörpern messen, wie DMS- oder induktive Kraftaufnehmer, benötigen bei Mehrkomponentenmessungen deutlich höheren Aufwand.
Die erreichbare absolute Meßabweichung piezoelektrischer Kraftaufnehmer liegt bei ca. 1 Prozent. Angeboten werden Meßbereiche von ca. 50 N bis 1,2 MN. Der Temperaturbereich reicht von -200° C bis +200° C, bei einem Temperatureinfluß auf die Empfindlichkeit von ca. 0.2 % / 10K.
Piezoelektrische Kraftaufnehmer werden in vielen Bereichen der Forschung und Industrie eingesetzt. Der Nachteil der nur quasistatischen Messung spielt bei vielen Vorgängen, wie z.B. Werkzeugüberwachung in Bearbeitungsmaschinen, Überwachung von Einpreßvorgängen, oder die Kraftmessung im crash-Versuch von Automobilen keine Rolle