Vorteile piezoelektrischer Shaker von piezosystem jena 

Piezoelektrische Shaker von piezosystem jena nutzen zur Schwingungserzeugung den inversen piezoelektrischen Effekt. Dies unterscheidet sie grundlegend von gängigen Shakersystemen, wie zum Beispiel elektromagnetischen Shakern und bringt einige deutliche Vorteile mit sich.

Hübe und Kräfte:

Bezogen auf die Schwingungsamplituden und erreichbare Kräfte decken piezoelektrische Shaker und herkömmliche elektromagnetische Shaker sehr unterschiedliche Bereiche ab. Während elektrodynamische Shaker große Hübe bei vergleichsweise geringen Kräften erzeugen, liegt der Anwendungsbereich von piezoelektrischen Shakern im Bereich kleiner Hübe (bis zu einige 100 µm) und hoher Kräfte (Blockierkräfte bis einige 10 kN), sowie hoher Steifigkeiten (bis mehrere 1000 N/µm).

 

> mehr

Unterschied Kraft-Weg-Erzeugung von piezoelektr. und elektromagn. Shakern

Zwar können einige elektromagnetische Shaker noch deutlich höhere Kräfte bis in den dreistelligen kN-Bereich bereitstellen, solche Systeme erreichen aber schnell die Größe eines Kleinwagens. Piezoelektrische Shaker besitzen Ihre hohen Blockierkräfte auch bei kleinsten Einbaugrößen.  Damit können auch große Massen bis 200 kg von vergleichsweise kleinen Shakersystemen bewegt werden.

Frequenzen:

Piezoelektrische Shaker setzen das Ansteuerungssignal (Spannung) direkt in eine Bewegung um. Da mit steigenden Frequenzen die Schwingungsamplituden zum Erreichen einer bestimmten Beschleunigung quadratisch abnehmen sind piezoelektrische Shaker mit ihren kleinen Hüben hervorragend für hochfrequente Schwingungsanregung geeignet. Bedingt durch ihre hohen Steifigkeiten weisen piezoelektrische Shaker auch die dafür notwendigen hohen Resonanzfrequenzen auf. Da bei niedrigen Frequenzen die Amplituden im Regelfall deutlich höher sind, haben piezoelektrische Shaker hier einen Nachteil.

Elektrodynamische Shaker sind aufgrund ihres Wirkprinzips und Ihres Aufbaus eher für niedrige Frequenzen geeignet. Piezoelektrische Shaker hingegen sind vor allem bei hohen Frequenzen im kHz-Bereich (im Einzelfall bis 100 kHz) einsetzbar. Solche Frequenzen können von elektromagnetischen Shakern nicht zur Genüge abgedeckt werden. Zwar existieren Angaben über maximal nutzbare Frequenzen bis weit in den zweistelligen kHz-Bereich, jedoch sind die nutzbaren Kräfte bei solchen Frequenzen außerordentlich gering. Auch hier sind piezoelektrische Shaker klar im Vorteil, da Sie auch bei hohen Frequenzen noch ihre hohen Kräfte aufbringen können.

Hersteller

Shakertyp

Produkt

Hub

Kraft

Frequenz

piezosystem jena

piezoelektrisch

Micro PiSha

bis 5 µm

bis 1kN
unter Blockierbedingungen

bis 100 kHz
bei reduzierten Amplituden

piezoelektrisch

PiSha 1000/35/80

bis 80 µm

±10 kN
seismische Masse 80 kg

bis 200 Hz
bei reduzierten Amplituden

 

andere Hersteller


 

elektromagnetische Shaker


25 mm

<350 N

30 Hz

50 mm

4,5 kN

2,5 kHz

-

50 N

2 kHz

150 mm

900 N

200 Hz

pneumatischer Shaker

-

<1680 N

130 Hz

 

 

Einbaugröße:

Piezokeramiken sind Materialien, die eine sehr hohe Energiedichte aufweisen. Aus diesem Grunde weisen piezoelektrische Shaker im direkten Vergleich zu herkömmlichen Shakersystemen eine deutlich geringere Einbaugröße auf. Mit Volumina bis hinab zu wenigen cm³ sind piezoelektrische Shaker von piezosystem jena perfekt geeignet, um auch auf kleinstem Einbauraum hochfrequente Schwingungen zu erzeugen, was Sie ideal für den Bereich miniaturisierter Komponenten macht.

Bevorzugte Einsatzgebiete von Piezoshakern:

  • hohe Frequenzen
  • kleine Amplituden
  • hohe Kräfte
  • kleine Einbaugrößen

Piezomechanische Schwingungsanregung

Vorteile von Piezo-Shakern

Piezo-Shaker zeichnen sich besonders durch die hohen Steifigkeiten, Kräfte und Drücke, einem weiten Frequenzbereich und kompakten Abmessungen aus.
Bevorzugt werden sie in Körperschalluntersuchungen angewendet, da hier zwischen dem Festkörperantrieb des Shakers und der angekoppelten Mechanik eine exzellente akustische Anpassung gegeben ist. Somit können bereits mit sehr kleinen Anregungselementen Resonanz- und Modalanalysen zuverlässig durchgeführt werden.
Piezo-Shaker können zusätzlich aber auch sehr massiv ausgelegt sein und Kräfte im mittleren zweistelligen kiloNewton-Bereich erzeugen.
Der Einsatzbereich von Piezo-Shakern liegt hauptsächlich in folgenden Bereichen:

  • Modalanalyse mechanischer Strukturen
  • Materialcharakterisierung
  • Ermüdungstests
  • Defektuntersuchungen (in Verbindung mit Thermographie, Holographie, Shearografie)

Wesentliche Eigenschaften von Piezo-Shakern


Piezo-Shaker arbeiten in Abhängigkeit der Shakerkonfiguration in einem Frequenzbereich von bis zu 100 kHz. Dabei können je nach Betriebsfrequenz Amplituden von wenigen µm bis einigen hundert µm erreicht werden.
In Abhängigkeit von der Shakerdimensionierung, Betriebsfrequenz und Montagebedingungen kann eine Kraftmodulation von bis zu einigen zehn Kilo-Newton (gemessen unter Blockierbedingungen) erreicht werden.
Unter Normalbedingungen werden Beschleunigungen bis zu einigen 10'000 m/s² (1000 g) erreicht, mit  Piezo-Stoßgeneratoren der PIA Serie sind Beschleunigungen bis 100'000 m/s² möglich.
Die Abmessungen der Piezostrukturen sind sehr kompakt und gehen herab bis in den Millimeterbereich.

Anwendungsbeispiele

GeoShaker

Zur Schwingungsanregung des Untergrunds und von Gebäuden

Aktortyp

Piezocomposite Aktor

Kopplung zum Untergrund

über Basisplatte

Krafterzeugung

Reaktions- und Beschleunigungskräfte in Verbindung mit seismischer Masse

Versorgungselektronik

Schatverstärker RCV 1000/7

Seismische Masse

bis 200 kg

Max. Schwingungsamplitude

80 µm

Max. Kraftmodulation

ca. ±10 kN

Resonanzfrequenz

ca. 200 Hz (abhängig von der seismischen Masse)

 

 

Funktionsschema eines Geo-Shakers
Mikro Shaker

Montageanordnung

durch Klemmung oder als seismischer Reaktionstyp

Resonanzfrequenz

bis zu 100 kHz

Max. Amplitude

5 µm (frequenzabhängig)

Max. Kraftmodulation

bis 1000 N (unter Blockierbedingungen)

Max. Betriebspannung

150 V

Spannungsversorgung

Leistungsverstärker LE 150/100 EBW

 

 

Piezo-Ultraschall-Generatoren als Piezo-Shaker?


Piezo-Ultraschallgeneratoren unterscheiden sich von Piezo-Shakern erst bei genauerer Betrachtung.
Die Eigenart der Ultraschallwandler besteht darin, dass sie als resonante Systeme nur genau auf einer Frequenz hocheffizient arbeiten – im Gegensatz dazu sollen Piezo-Shaker über ein breites Frequenzband arbeiten können. Deshalb ist es erforderlich andere Designkriterien und Piezomaterialien zu verwenden als bei Ultraschallwandlern.

Standard-Piezoaktoren als Piezo-Shaker?

In einem gewissen Umfang können auch Standard-Piezoaktoren mit niedriger Aussteuerung zur Schwingungsanregung verwendet werden, wobei diese in der Regel für eine kleinere Dynamik ausgelegt sind und sich vorwiegend für Positionieraufgaben eignen. Hochdynamische Anregung mit hohen Leistungsdichten bzw. hohen Frequenzen/Beschleunigungen erfordern spezielle Anpassungen, um einen zuverlässigen Betrieb zu erreichen

Einsatzformen von Piezo-Shakern


Die Qualität der Kopplung des Shakers hat einen erheblichen Einfluss auf die effiziente Anregung von Testobjekten. Im folgenden Abschnitt werden dazu verschiedenen Konzepte genauer erläutert.

Tisch-Anordnung
Die Verbindung des Piezo-Shakers über seine Bodengruppe mit einer schweren Unterlage macht ihn starr und somit unbeweglich.
Das Testobjekt wird auf dem oszillierenden Shaker-abtrieb befestigt, wodurch die Auslenkung des Shakers vollständig auf das Testobjekt übertragen wird:
Die maximal auftretenden Beschleunigungen und Kräfte ergeben sich aus

 

Max. Beschleunigung

a=Δl⋅(2⋅π⋅f)2

l=Amplitude
f=Arbeitsfrequenz

Max. Kraft

F=m⋅a

m=Masse des Testobjects

Schematische Tischanordnung eines Shakers: Der Shakerkorpus bleibt in Ruhe

 

Inertial-Anordnung/Reaktionstyp

Bei dieser Anordnung wird der Piezo-Shaker über seinen Abtrieb am ausgedehnten Testobjekt frei montiert, wodurch bei einer Schwingungsanregung eher der Shakerkörper mit seiner Masse ausgelenkt und beschleunigt wird. Die damit verbundenen Beschleunigungskräfte verursachen die Kraftmodulation.
Um eine Abstimmung des Systems hinsichtlich der Eigenresonanz und Kraftbilanzen zu erlauben, können am Shakerkörper zusätzliche träge Massen montiert werden („seismische Massen“)
Die am Testobjekt erzielbaren Kräfte und Deformationen hängen von der Steifigkeit und Eigenmasse des Testobjekts ab. Ein unendlich starres und steifes Testobjekt sorgt für die Erzielung der maximalen Kräfte. Dabei muss der gesamte Shakerhub in die Auslenkung des Shakerkörpers gehen (Blockierbedingung).
Die Reaktion des Systems wird über einen Beschleunigungsaufnehmer detektiert, dessen Mess-Philosophie (Kraftdetektion an einer beschleunigten seismischen Masse) dem invertierten Shakerprinzip entspricht.

Schema eines Inertial-Shakers

 

Klemmbetrieb von Piezo-Shakern

Der Piezoaktor wird zusammen mit dem Testobjekt in einer steifen Klemmvorrichtung gehalten. Erfolgt die Ansteuerung des Shakerelements, baut sich eine Kraft auf, die im Wesentlichen von der Steifigkeit des Shakers und der Eigensteifigkeit des Testobjekts und den Resonanzeffekten der Anordnung abhängt.
Dabei können sich bereits bei sehr langsamen Vorgängen sehr hohe Kräfte aufbauen. In diesen Kraftfluss kann zusätzlich eine Kraftmesszelle integriert werden.
Der Piezo-Schwinger kann je nach Anwendungsfall ebenfalls integraler Bestandteil des Testobjekts sein, wodurch keine separate Klemmvorrichtung benötigt wird. Die Zelle wird an einer geeigneten Fügestelle montiert (z.B. Flansch).
Klemmanordnungen werden insbesondere bei Körperschalluntersuchungen verwendet.
Kleinste Anregungsamplituden des Shakers reichen aus, um ausgeprägte Resonanzen der Testobjekts nachzuweisen.

Körperschallanregung in Klemmanordnung
Sonstige Montageverfahren für Piezo-Shaker

Neben den bisher beschriebenen Befestigungsverfahren sind gelegentlich auch modifizierte
Befestigungsmethoden erforderlich, besonders in den Anwendungen, in denen das Testobjekt mechanisch nicht verändert werden darf (z.B. durch Anbringung von Gewindebohrungen zur Schraubbefestigung von Shaker-Elementen in der Inertial-Anordnung).


(+49) 3641 66 88-0

Unsere Ingenieure stehen Ihnen gern für eine umfassende Beratung zur Verfügung.

E-Mail-Adresse: info@piezojena.com

Kontaktformular

Wir melden uns schnellstmöglich bei Ihnen!

Unsere Partner weltweit