Messtechnik

Kraftmessung Piezowaage

Piezowaage

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.

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.

Kontakt

Dr. rer. nat. Holger Mai

Leitung Aeroelastische Experimente
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für Aeroelastik
Bunsenstr. 10, 37073 Göttingen