{"id":47382,"date":"2022-05-12T06:38:34","date_gmt":"2022-05-12T06:38:34","guid":{"rendered":"https:\/\/www.dewetron.com\/news\/der-pyro-und-piezoelektrische-effekt\/"},"modified":"2025-02-04T12:42:57","modified_gmt":"2025-02-04T12:42:57","slug":"der-pyro-und-piezoelektrische-effekt","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.dewetron.com\/de\/news\/der-pyro-und-piezoelektrische-effekt\/","title":{"rendered":"Der pyro- und piezoelektrische Effekt"},"content":{"rendered":"
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Worin liegt der Unterschied zwischen Druck- und Temperatursensoren? Die Antwort auf diese Frage scheint offensichtlich: Drucksensoren messen die Kraft, Temperatursensoren messen die Temperatur. Doch wussten Sie, dass die am h\u00e4ufigsten verwendeten Temperatur- und Drucksensoren, die pyro- und piezoelektrischen Sensoren, auf einem sehr \u00e4hnlichen Prinzip basieren? Dies mag erstaunlich klingen, da Druck und Temperatur auf den ersten Blick wenig miteinander zu tun haben, doch der erste Eindruck t\u00e4uscht.<\/p>\n

In den nachfolgenden Abs\u00e4tzen wollen wir Ihnen erkl\u00e4ren, wie diese Piezo- und Pyrosensoren funktionieren und warum sich beide so \u00e4hnlich sind. Falls Sie nur an den Anwendungen dieser Sensoren interessiert sind, k\u00f6nnen Sie auch sofort zum Absatz \u201eAnwendungen des pyro- und piezoelektrischen Effekts<\/a>\u201c springen.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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Der piezoelektrische Effekt<\/h2>\n
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Viele Festk\u00f6rper (wie Metalle, Quarze, …), auf die wir in unserem Alltag treffen, sind Kristalle. Dies hat nichts mit Schmuck zu tun, sondern bedeutet nur, dass deren Atome in einem regelm\u00e4\u00dfigen Gitter angeordnet sind. Eine spezielle Art von Kristallen sind piezoelektrische Kristalle, welche den piezoelektrischen Effekt aus\u00fcben: Wirkt eine Kraft auf einen piezoelektrischen Kristall, so entsteht eine Spannung an seiner Oberfl\u00e4che. Diese Spannung kann ausgelesen und als Kennwert f\u00fcr die einwirkende Kraft verwendet werden.<\/p>\n

Doch was verleiht piezoelektrischen Kristallen diese besondere Eigenschaft? Die Antwort findet man, wenn man die Anordnung der einzelnen Atome dieses Kristalls betrachtet. Schauen Sie sich dazu die untenliegenden Abbildungen genauer an.
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\"piezoelectrischer<\/p>\n

Atomanordnung von Piezo- und nicht Piezokristall<\/em><\/p>\n

 
\nIn Abbildung a.) ist die Atomanordnung eines \u201egew\u00f6hnlichen\u201c nicht piezoelektrischen Kristalls dargestellt. Die roten Punkte stellen positiv geladene, die blauen Punkte negativ geladene Atome dar. Eine solche Atomstruktur wirkt nach au\u00dfen hin neutral, da die negativen und positiven Ladungen symmetrisch um das Zentrum (den rot-blauen Stern) liegen und sich daher aufheben. Auch wenn man diese quadratische Atomstruktur mit einer Kraft zusammendr\u00fcckt, liegen die Atome noch immer symmetrisch um das Zentrum und die Konfiguration wirkt nach au\u00dfen elektrisch neutral.<\/p>\n

Anders schaut dies bei piezoelektrischen Kristallen aus. Die Atome vieler piezoelektrischer Kristalle liegen, wenn keine Kraft auf sie wirkt, ebenfalls symmetrisch um das Zentrum. In Abbildung b.) ist ein solcher piezoelektrischer Kristall zu sehen. Wirkt jedoch eine Kraft auf diese Atomstruktur, so ver\u00e4ndert sich die Form drastisch. Man sieht, dass die Atome nun nicht mehr symmetrisch um das Zentrum liegen. Die positiven und negativen Ladungen k\u00f6nnen sich nicht mehr aufheben und es entsteht ein Ladungsungleichgewicht. Dieses Ungleichgewicht \u00e4u\u00dfert sich nach au\u00dfen hin in einer elektrischen Spannung.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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Der pyroelektrische Effekt<\/h2>\n
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Eine weitere, spezielle Klasse von Kristallen sind pyroelektrische Kristalle. Diese kennzeichnen sich durch den vorhandenen pyroelektrischen Effekt: Erw\u00e4rmt man einen pyroelektrischen Kristall, so entsteht eine messbare Spannung an seiner Oberfl\u00e4che. Aus dieser Spannung kann man auf die Temperatur\u00e4nderung des Kristalls zur\u00fcckschlie\u00dfen. Somit ist ein Pyrosensor ein Temperatursensor.<\/p>\n

Wie in der Einleitung erw\u00e4hnt, gibt es einen tiefgr\u00fcndigen Zusammenhang zwischen Pyro- und Piezosensoren: Jeder pyroelektrische Kristall ist gleichzeitig ein piezoelektrischer Kristall (aber nicht umgekehrt). Um dies zu verstehen, schauen wir uns wieder die Anordnung der einzelnen Atome an:
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\"Pyroelectrischer<\/p>\n

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Atomanordnung von Pyrokristallen: Abbildung b.) und Abbildung c.)<\/em><\/p>\n

In Abbildung a.) sieht man den piezoelektrischen hexagonalen Kristall aus dem vorherigen Kapitel. Stellen wir uns nun vor, dieser Kristall w\u00e4re etwas l\u00e4nger in eine Richtung als in die andere – Abbildung b.). Wie man erkennen kann, ist dieser piezoelektrische Kristall nun asymmetrisch um das Zentrum und nach au\u00dfen hin nicht mehr neutral. Man kann diesen neuen Kristall mit einer externen Kraft verformen, was trotzdem zum vorher erkl\u00e4rten piezoelektrischen Verhalten f\u00fchrt.<\/p>\n

Wir m\u00fcssen aber nicht zwangsl\u00e4ufig \u00e4u\u00dfere Kraft anwenden, um den Kristall zu verformen. Eine andere M\u00f6glichkeit ist es, den Kristall einfach zu erw\u00e4rmen, wodurch er sich ausdehnt. Diese Ausdehnung verst\u00e4rkt die Asymmetrie des Kristalls, da die Atome (wie in Abbildung b.) zu sehen) asymmetrisch um das Zentrum liegen. W\u00fcrden die Atome symmetrisch um das Zentrum liegen (Abbildung a.)), so w\u00e4re die W\u00e4rmeausdehnung in alle Richtungen gleich gro\u00df und es w\u00fcrde keine Asymmetrie entstehen.<\/p>\n

Zusammengefasst bedeutet das: Eine Erw\u00e4rmung eines pyroelektrischen Kristalls f\u00fchrt zu einer Ausdehnung des Kristallgitters. Aufgrund des piezoelektrischen Effektes f\u00fchrt diese Ausdehnung des Gitters nun zu einer messbaren elektrischen Spannung.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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Anwendungen des pyro- und piezoelektrischen Effekts<\/h2>\n
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Da piezoelektrische Kristalle leicht herzustellen sind (schon gew\u00f6hnlicher Quarz hat leichte piezoelektrische Eigenschaften) und \u00fcber eine hohe Sensitivit\u00e4t verf\u00fcgen, finden sie in vielen Bereichen Anwendung. Naheliegend ist der Einsatz als Druck- und Kraftsensor, da bei Belastung eines Piezokristalls eine elektrische Spannung an seiner Oberfl\u00e4che entsteht. Diese Spannung kann ausgelesen und auf die Belastung des Kristalls zur\u00fcckgeschlossen werden. Doch Piezosensoren sind so sensitiv, dass sie sogar Luftschwingungen wahrnehmen k\u00f6nnen. So werden sie als Tonabnehmer bei Saiteninstrumenten oder in Mikrofonen genutzt.<\/p>\n

Der piezoelektrische Effekt kann aber auch in die entgegengesetzte Richtung wirken: Legt man eine Spannung an den Kristall an, \u00e4ndert sich seine Ausdehnung. So werden beispielsweise moderne Einspritzsysteme f\u00fcr Dieselmotoren und bestimmte Lautsprecher durch Piezokristalle realisiert. Piezokristalle k\u00f6nnen so pr\u00e4zise eingestellt werden, dass sie sogar bei Rastertunnelmikroskopen zum Einsatz kommen.<\/p>\n

\u00c4hnlich vielf\u00e4ltig schaut das Anwendungsgebiet bei Pyrosensoren aus. So ist der klassische Anwendungsfall ein Temperatursensor, doch auch Infrarotsensoren in Bewegungsmeldern werden mit pyroelektrischen Kristallen realisiert. Die Infrarotstrahlung, welche von Lebewesen abgegeben wird, erw\u00e4rmt dabei den Sensor und erzeugt ein Spannungssignal.<\/p>\n

In Zukunft k\u00f6nnten sogar Stromgeneratoren auf Basis des pyroelektrischen Effekts zu kaufen sein. In vielen Anwendungen entsteht n\u00e4mlich Abw\u00e4rme. Diese Abw\u00e4rme kann einen Pyrosensor erhitzen, welcher daraus wieder eine elektrische Spannung generiert. Mit derzeitigem Stand der Technik sind solche Sensoren jedoch nicht wirtschaftlich realisierbar.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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DEWETRONs Mess- und Pr\u00fcfsysteme<\/h2>\n
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DEWETRON ist ein Hersteller von hochpr\u00e4zisen und vor allem modularen Messystemen. Wir stellen Ihnen f\u00fcr jeden Sensor die entsprechenden Messverst\u00e4rker zur Verf\u00fcgung. So sind beispielsweise unsere DEWE2- und DEWE3-Messsysteme<\/a> in vielen Ausf\u00fchrungen wie All-In-One, Mainframes oder Frontends verf\u00fcgbar. Jedes dieser Messsysteme k\u00f6nnen Sie optimal auf Ihre Bed\u00fcrfnisse anpassen, zum Beispiel indem Sie Messkarten austauschen.<\/p>\n

Die optimale Messkarte f\u00fcr eine Vielzahl von Sensortypen ist unsere TRION3-1810-SUB-8-Messkarte<\/a>. Sie bietet Ihnen 8 individuell belegbare Submodul-Steckpl\u00e4tze mit verschiedensten Strom- oder Spannungseing\u00e4ngen.<\/p>\n

DEWETRON bietet Ihnen aber auch eine Software zur Datenauswertung und \u2013 analyse: Die intuitive OXYGEN-Software<\/a>. Speziell f\u00fcr Sensorik-Anwendungen ist eine Sensordatenbank in OXYGEN integriert. Darin k\u00f6nnen Sie Name, Seriennummer, Skalierungsinformationen, Filter Ihrer Sensoren und noch vieles mehr speichern. Unabh\u00e4ngig vom Messsetup ist es Ihnen nun m\u00f6glich, die einmal erstellten Sensordaten \u00fcberall zu verwenden.
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