Piezoelektrische Waage (Piezo-Waage) - MessTec

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
Deutsches Zentrum
für Luft- und Raumfahrt e.V.
German Aerospace Center
DLR-Institut für Aeroelastik
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
Dr.rer.nat. Holger Mai
Telefon: +49 551 709 2481
Telefax: +49 551 709 2862
Holger.Mai dlr.de
www.dlr.de
20.110d.
2. Schewe, G., Force Measurements in
Aerodynamics Using Piezoelectric
Multicomponent Force Transducers.
Proc. Inter. Congr. Instrum. Aerospace
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Stanford Univ., 26-28 Aug. 1985,
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3. Schewe, G., Anwendung von
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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 Mehrkomponentenmesselementen. ZFW 14,
32-37 (1990)
5. Schewe, G.: Force Measurements in
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Multicomponent Transducers. DGLRBericht 91-06, 142-149, Int. Forum on
Aeroelasticity and Structural Dynamics (1991)
6. Schewe, G.: Experiments in
Aeroelasticity using Piezoelectric
Balances. Biennial Data Ex-change
Symposium, 20-21 September 1993,
DARA München, Ottobrunn (1993)
Kontakt
Dr.rer.nat. Holger Mai, DLR-Institut für
Aeroelastik, Tel: +49 551 709 2481,
Fax: +49 551 709 2862
Dr. Frank Holtmann,
Technologiemarketing, Tel: +49 531
295 3420, Fax: +49 531 295 3422
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