Piezoelektrischer Drucksensor: Ladungsausgang (PE) im Vergleich zu Spannungsausgang (IEPE)

Was unterscheidet einen piezoelektrischen Sensor mit Ladungsausgang (PE) von einem piezoelektrischen Sensor mit Spannungsausgang (IEPE)?

Eines der wichtigsten Auswahlkriterien für einen piezoelektrischen Drucksensor ist das Ausgangssignal. Piezoelektrische Drucksensoren werden an einen elektronischen Schaltkreis angeschlossen, der die vom Sensor erzeugte Ladung in eine proportionale Spannung umwandelt. Handelt es sich bei dem elektronischen Schaltkreis um ein externes Gerät (Ladungsverstärker), wird der piezoelektrische Drucksensor als Ladungsausgang oder PE-Sensor bezeichnet. Ist der elektronische Schaltkreis in das Sensorgehäuse integriert, spricht man von einem Spannungsausgang oder einem IEPE-Sensor.

Weitere bekannte Markennamen für die IEPE-Technologie sind Piezotron®, ICP® usw. 

Wann ist die Verwendung eines piezoelektrischen Drucksensors mit Ladungsausgang (PE) angebracht?

PE-Drucksensoren geben ein Ladungssignal aus, dessen Empfindlichkeit in Picocoulomb pro Druckeinheit angegeben wird (z. B. pC/bar oder pC/psi). Der auf einen PE-Sensor aufgebrachte Druck erzeugt ein negatives Ladungssignal (negative Empfindlichkeit des PE-Sensors), das durch den externen Ladungsverstärker in ein positives Spannungssignal umgewandelt wird. 

Der Sensor sollte dazu über ein rauscharmes hochimpedantes Kabel an den Ladungsverstärker angeschlossen werden. Die Ladung wird also in ein Spannungssignal umgewandelt. Man unterscheidet zwischen Ladungsverstärkern mit Analogausgang (die an ein Gerät zur Datenerfassung angeschlossen werden können) und digitalen Ladungsverstärkern mit integrierter DAQ. 

Im Gegensatz zu IEPE-Sensoren benötigen PE-Sensoren keine Stromversorgung, da der piezoelektrische Werkstoff bei Druckbeaufschlagung ein Ladungssignal erzeugt.

PE- (und IEPE-)Drucksensoren können sowohl für dynamische Druckmessungen als auch für die Messung von Druckschwankungen eingesetzt werden. 

Piezoelektrische Drucksensoren mit Ladungsausgang sind optimal für:

• Messung von quasistatischen Drücken
• Messung von extrem niedrigen oder hohen Temperaturen (keine elektronischen Bauteile im Sensor)
• Verstellbare Messbereiche mit nur einem Drucksensor (Messbereich wird über den Ladungsverstärker eingestellt)

Wann ist die Verwendung eines piezoelektrischen Drucksensors mit Spannungsausgang (IEPE) angebracht?

IEPE steht für Integrated Electronics Piezo Electric und bezeichnet einen Industriestandard für piezoelektrische Sensoren mit eingebauter Impedanzwandlerelektronik, die Ladungen in Spannungssignale umwandelt. Wird der IEPE-Sensor mit Druck belastet, erzeugt er ein positives Spannungssignal (positive Empfindlichkeit des IEPE-Sensors). Die Empfindlichkeit wird in Millivolt pro Druckeinheit angegeben (z. B. mV/bar oder mV/psi).

Anders als PE-Sensoren verfügen IEPE-Sensoren über eine eingebaute Elektronik, die mit Strom versorgt werden muss. Dafür genügt ein herkömmliches zweiadriges Kabel, das neben der Stromversorgung auch das Spannungssignal überträgt.

IIEPE-Drucksensoren müssen an einen (IEPE-)Stromkuppler angeschlossen werden, der zum einen die Stromversorgung sicherstellt und zum anderen das Spannungssignal vom Versorgungssignal entkoppelt.
IEPE-Drucksensoren können über einen externen IEPE-Kuppler an eine DAQ oder direkt an eine IEPE-DAQ angeschlossen werden.

Piezoelektrische Drucksensoren mit Spannungsausgang sind optimal für:

• Dynamische Druckmessungen
• Messung von Druckschwankungen
• Messung von mittleren Temperaturen innerhalb eines festen Messbereichs

Kriterien für die Anwendung von piezoelektrischen Drucksensoren: