- ProdukteProduktePI Ceramic bietet eine große Auswahl an Standardprodukten und -lösungen für die Piezotechnik. Hierzu gehören piezokeramische Komponenten und Bauelemente wie auch piezoelektrische Aktoren.
- Piezokeramische BauelementePiezokeramische BauelementePI Ceramic fertigt ein breites Sortiment an piezokeramischen Komponenten in verschiedenen Formen und Größen – auch mit Kontaktierung oder im Miniaturformat.
- Scheiben, Stäbe und ZylinderPiezokeramische Scheiben, Stäbe und Zylinder
- Platten und BlöckePiezokeramik Platten und Blöcke
- RingePiezokeramische Ringe
- RohrePiezokeramische Rohre
- Halb- und HohlkugelnPiezokeramische Halb- und Hohlkugeln
- BiegeelementePiezokeramische Biegeelemente
- Scheiben, Stäbe und Zylinder
- Piezokeramische AktorenPiezokeramische AktorenPI Ceramic bietet verschiedenste piezoelektrische Aktoren für Anwendungen in Industrie und Forschung.
- PICMA® PiezolinearaktorenPICMA® PiezolinearaktorenDie kompakten PICMA® Multilayer-Aktoren bieten lineare Auslenkungen bei geringen Ansteuerspannungen und erzeugen in der Chip-Variante dynamische Bewegungen.
- PICMA® Piezo BiegeaktorenPICMA® Piezo BiegeaktorenMultilayer-Biegeaktoren: große Stellwege bei hoher Dynamik. Der bimorphe Aufbau sorgt für bidirektionale Auslenkung.
- PICA gestapelte piezoelektrische AktorenPICA gestapelte piezoelektrische AktorenGestapelte Piezolinearaktoren mit Betriebsspannungen bis 1000 V: sehr zuverlässig, große spezifische Auslenkung und hohe Kräfte.
- PICA Shear ScheraktorenPICA Shear ScheraktorenGestapelte Mehrachsen- und Scheraktoren: hervorragende Dynamik bei minimalem elektrischem Leistungsbedarf.
- DuraAct FlächenwandlerDuraAct FlächenwandlerDuraAct Flächenwandler wandeln Spannung in Energie und umgekehrt: als Aktor, Sensor oder auch als Energieerzeuger.
- Picoactuator® PiezokristallPicoactuator® PiezokristallDie Bewegung der Picoactuator® Piezokristalle ist hochlinear und nahezu hysteresefrei und damit ideal für hochdynamische Anwendungen geeignet.
- Piezokeramische RohrePiezorohrePiezorohre für radiale und axiale Kontraktion: zur Erzeugung dynamischer Scan-Bewegungen sowie als Fiberstretcher.
- PICMA® Piezolinearaktoren
- Piezobauelemente mit flexiblen LeiterkartenPiezobauelemente mit flexiblen LeiterkartenPI Ceramic versieht piezokeramische Bauelemente mit flexiblen Leiterkarten und nimmt Kunden damit einen zeitaufwändigen und fehlerintensiven Arbeitsschritt ab.
- Piezoverstärker und -controllerPiezoverstärker und -controllerDie Ansteuerelektronik spielt eine Schlüsselrolle für die Leistungsfähigkeit von Piezoaktoren. Neben Universal-Ansteuerelektroniken, die für die meisten Anwendungsbereiche gut geeignet sind, bietet PI ein breites Spektrum an Piezoverstärkern an, die auf bestimmte Zwecke spezialisiert sind.
- Für PICMA® Stack/Chip Multilayer-AktorenVerstärker und Controller für PICMA® Stack/Chip Multilayer-AktorenPiezoverstärker für PICMA® Multilayer-Piezoaktoren bieten eine Ausgangsspannung bis 130 V
- Für PICMA® Bender Multilayer-AktorenVerstärker und Controller für PICMA® Bender Multilayer-AktorenPiezoverstärker für PICMA® Biegeaktoren bieten feste und variable Ausgangsspannungen bis zu 60 V für die differentielle Ansteuerung.
- Für PICA Stack/Power/Thru AktorenVerstärker und Controller für PICA AktorenPiezoverstärker für PICA Aktoren bieten einen Spannungshub bis 1100 V, der unipolar oder bipolar zur Verfügung steht. Verstärker mit hohem Ausgangsstrom ermöglichen einen dynamischen Betrieb der Aktoren und präzise Positionierung mit geringerem Leistungsbedarf.
- Für PICA ScheraktorenVerstärker und Controller für PICA ScheraktorenPiezoverstärker für PICA Shear Scheraktoren bieten eine bipolare Ausgangsspannung von ±250 V.
- Für DuraAct AktorenVerstärker und Controller für DuraAct AktorenDuraAct Aktoren brauchen je nach integrierter Keramik unterschiedliche Ansteuerspannungsbereiche.
- Für Picoactuator® AktorenVerstärker und Controller für Picoactuator® AktorenPicoactuator® Aktoren werden bipolar mit ±500 V betrieben. Der Ausgangsspannungsbereich der PICA Verstärker kann dafür entsprechend eingestellt werden. Für geringere Auslenkungen können auch die Verstärker für PICA Shear Aktoren mit ±250 V eingesetzt werden.
- Für PiezorohreVerstärker und Controller für PiezorohrePiezoverstärker für Piezorohre sind optimal für die Ansteuerung von segmentierten Piezoscannerrohren angepasst und können bipolar betrieben werden.
- Für Energy HarvestingElektronik für Energy HarvestingE-821 nutzt gepulste oder kontinuierliche Anregung zur Energiegewinnung mit Piezoaktoren.
- Für PICMA® Stack/Chip Multilayer-Aktoren
- Piezokeramische MaterialienPiezokeramische MaterialienPI Ceramic bietet eine Vielzahl verschiedener piezoelektrischer Materialien inklusive bleifreier Materialien.
- Miniaturisierte PiezokeramikenMiniaturisierte PiezokeramikenDurch ihre kompakte Bauform sind miniaturisierte Piezokomponenten ideal für die Erzeugung und Detektion von Schwingungen auf kleinstem Bereich geeignet.
- ScheibenMiniaturisierte Scheiben
- PlattenMiniaturisierte Platten
- RingeMiniaturisierte Ringe
- RohreMiniaturisierte Rohre
- Halb- und HohlkugelnMiniaturisierte Halb- und Hohlkugeln
- ScherelementeMiniaturisierte Scherelemente
- BiegeelementeMiniaturisierte Biegeelemente
- HexagoneMiniaturisierte Hexagone
- (Scher-)KegelMiniaturisierte (Scher-)Kegel
- Chip Aktoren (PL022.3x)Chip Aktoren (PL022.3x)
- Scheiben
- Piezokeramische Bauelemente
- OEMOEM-Lösungen für Piezokeramiken von PI CeramicPI Ceramic bietet kundenspezifische OEM-Lösungen für Piezokeramiken auf höchstem technologischen Niveau und mit einer optimierten Wirtschaftlichkeit.
- Das PI Ceramic TechnikumDas PI Ceramic TechnikumOb Kleinserienfertigung oder neue Fertigungstechnologien: das Technikum unterstützt Sie bei der schnellen Qualifizierung Ihrer projektspezifischen Muster.
- Das PI Ceramic Technikum
- AnwendungenAnwendungen und Märkte der PiezotechnikPiezotechnik wird in verschiedenen Anwendungen in der Medizintechnik, dem Maschinen- und Automobilbau oder der Halbleitertechnik eingesetzt.
- UltraschallmesstechnikUltraschallmesstechnikUltraschallsensoren emittieren hochfrequente Schallimpulse und empfangen an Objekten reflektierte Signale. Die Zeit bis zum Eintreffen der Echosignale wird elektronisch ausgewertet und kann für unterschiedlichste Anwendungen in der Messtechnik verwendet werden.
- Berührungslose Luftultraschall-MessungenBerührungslose Luftultraschall-MessungenDas am meisten verbreitete Prinzip zur Füllstandsmessung beruht auf der Laufzeitmessung eines ausgesandten und reflektierten Luftultraschallimpulses.
- Berührungslose DurchflussmessungenBerührungslose DurchflussmessungenDie Laufzeitmessung und der sogenannte Doppler-Effekt sind die zwei grundlegenden Messverfahren in der berührungslosen Ultraschall-Durchflussmessung.
- Berührungslose Luftultraschall-Messungen
- LeistungsschallLeistungsschallMit Hilfe von Piezokeramiken können Ultraschallwellen im Frequenzbereich des Leistungsultraschalls (20 bis 800 kHz) erzeugt werden. Diese können in verschiedenen Anwendungen, wie z. B. der Zahnsteinentfernung oder der Lithotripsie aber auch in der Ultraschallschweißtechnik eingesetzt werden.
- Ultraschallreinigung in der IndustrieUltraschallreinigung in der IndustrieMit Hilfe der Ultraschallreinigung können Schmutzpartikel im Nanometerbereich entfernt werden, ohne dass empfindliche Oberflächen beschädigt werden.
- Ultraschall-PiezomotorenUltraschall-PiezomotorenWesentlicher Bestandteil desPILine® Ultraschall-Piezomotors ist ein piezokeramischer Aktor, der über ein Kopplungselement gegen einen beweglich geführten Läufer vorgespannt ist.
- Sonartechnik und Hydroakustik mit PiezowandlernSonartechnik und Hydroakustik mit PiezowandlernPiezokeramische Bauteile werden in Systemen der Sonartechnik und der Hydroakustik eingesetzt, um Mess- und Ortungsaufgaben.
- Ultraschallreinigung in der Industrie
- BeschleunigungsmessungBeschleunigungsmessungPiezoscheiben als Kernstück in Kraft-/Beschleunigungssensoren.
- Scientific InstrumentationScientific InstrumentationPiezokomponenten sind als Antriebe und Ultraschallwandler in der modernen Wissenschaft fest etabliert. Sie arbeiten zuverlässig auch unter extremen Bedingungen wie Magnetfeldern, kryogenen Temperaturen oder Ultrahochvakuum.
- PI Ceramic liefert Piezoaktoren für Mars Rover CuriosityPI Ceramic liefert Piezoaktoren für Mars Rover CuriosityNASA vertraut auf PICMA® Multilayer-Piezoaktoren von PI Ceramic.
- Kryogene Anwendungen im Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY)Kryogene Anwendungen im Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY)Dynamische Kompensation von Lorentzkräften an den Beschleunigerelementen in kryogener Umgebung.
- RastersondenmikroskopieRastersondenmikroskopiePiezorohre positionieren die AFM-Spitze und Probe hochdynamisch in XYZ.
- PI Ceramic liefert Piezoaktoren für Mars Rover Curiosity
- PräzisionsdosierungPräzisionsdosierungPiezoelemente pumpen und dosieren zuverlässig und präzise kleine Flüssigkeits- oder Gasvolumina im Bereich von einigen hundert Millilitern bis hin zu wenigen Nanolitern. Die Piezoelemente lassen sich perfekt an die jeweilige Applikationsumgebung anpassen.
- Dosieren mit PiezoventilenDosieren mit PiezoventilenPiezoventile sind für Dosieraufgaben gut geeignet: Die Piezoaktoren können das Ventil direkt schalten, aber auch gegen eine Verschlussfeder arbeiten.
- Dosieren mit Piezoventilen
- MedizintechnikMedizintechnikPiezokomponenten für die Medizintechnik und verwandte Life-Science-Disziplinen müssen schnell, zuverlässig und energiesparend arbeiten. In miniaturisierter Form ermöglichen sie außerdem minimalinvasive und hochpräzise Diagnose- und Therapiemethoden.
- Therapeutischer Ultraschall mit PiezokomponentenTherapeutischer Ultraschall mit PiezokomponentenTherapeutischer Ultraschall wird als Kernelement in Anwendungen wie der Gewebeablation, der gezielten Wirkstoffabgabe oder der Lithotripsie genutzt.
- Miniaturisierte Piezorohre in SFEMiniaturisierte Piezorohre in der hochauflösenden Scanning Fiber EndoscopyDie schnelle Auslenkung und Steuerung kleinster Piezorohre erzeugt eine Scanbewegung der optischen Faser im Scanning Fiber Endoskopen (SFE) – und führt zu mehr Bildinformation und verbesserten minimalinvasiven Verfahren im klinischen Alltag.
- Vernebler mit PiezoringenVernebler mit PiezoringenSpeziell geformte Piezoscheiben wirken als Ultraschallwandler und erzeugen in Verneblern mit hochfrequenten Schwingungen besonders homogene Aerosole.
- Piezoventile in der BiotechnologiePiezoventile in der BiotechnologiePiezobetriebene Ventile ermöglichen eine präzise Dosierung im Nanoliterbereich, etwa für die Wirkstoff-Forschung oder das Drug-Screening.
- Piezoelemente für MikropumpenPiezoelemente für MikropumpenPiezo-Mikropumpen werden in der Labor- und Medizintechnik, der Biotechnologie, der chemischen Analytik und der Verfahrenstechnik eingesetzt.
- Piezoaktoren in medizinischen ImplantatenPiezoaktoren in medizinischen ImplantatenIm Körper implantierte Systeme wie Dosierpumpen für Insulin oder Hörhilfen sind fast unsichtbar und verbessern die Lebensqualität der Patienten enorm. Sie funktionieren mit ultrakompakten und energie-effizienten miniaturisierten Piezoaktoren.
- Therapeutischer Ultraschall mit Piezokomponenten
- Energieautarke SystemeEnergieautarke SystemeDuraAct Flächenwandler nutzen Bewegungsenergie zur elektrischen Versorgung von energieautarken Systemen und werden z. B. in der Strukturüberwachung eingesetzt.
- Ultraschallmesstechnik
- TechnologiePiezotechnologie und FertigungstechnikenPI Ceramic verfügt über umfangreiches Know-how und langjährige Erfahrungen bei der Fertigung piezokeramischer Komponenten und Sub-Systeme. Profitieren Sie von diesem Wissen und lernen Sie mehr über die Welt des Piezoeffekts.
- Grundlagen der PiezotechnologieGrundlagen der PiezotechnologiePhysikalische Grundlagen und Erläuterungen zur Piezoelektrizität und Elektromechanik.
- Eigenschaften von PiezoaktorenEigenschaften von PiezoaktorenCharakteristik piezokeramischer Aktoren: Auslenkungsarten, Kräfte und Steifigkeiten, Dynamik, Umgebungsbedingungen.
- AuslenkungsverhaltenAuslenkungsverhaltenAuf dieser Seite finden Sie Informationen zum Auslenkungsverhalten von Piezokeramiken.
- Auslenkungsarten piezoelektrischer AktorenAuslenkungsarten piezoelektrischer AktorenAuf dieser Seite erfahren Sie mehr über die verschiedenen Auslenkungsarten von Piezokeramiken.
- TemperaturabhängigkeitTemperaturabhängigkeitDie erreichbare Auslenkung und Abmessung einer Piezokeramik ist temperaturabhängig. Erfahren Sie hier mehr zu diesem Thema.
- Kräfte und SteifigkeitenKräfte und SteifigkeitenKraft und Steifigkeit sind wichtige Eigenschaften von Piezoaktoren. Erfahren Sie hier mehr zu diesem Thema.
- Dynamischer BetriebDynamischer BetriebErfahren Sie auf dieser Seite mehr zu den Themen Resonanzfrequenz, dynamische Kräfte und Ansprechverhalten.
- Verhalten bei AnsteuerungVerhalten bei AnsteuerungErfahren Sie auf dieser Seite mehr zu den Themen Betriebsspannung, elektrisches Verhalten und Betriebsmodus.
- UmgebungsbedingungenUmgebungsbedingungenPiezoaktoren eignen sich für den Betrieb in verschiedensten, teilweise extremen Umgebungs- bedingungen. Erfahren Sie hier mehr zu diesem Thema.
- Auslenkungsverhalten
- Erzeugung von UltraschallErzeugung von Ultraschall mit PiezokomponentenPiezoelektrische Komponenten nutzen den Piezoeffekt zum Erzeugen und Detektieren von Ultraschallwellen, z. B. mittels Laufzeitmessung oder Doppler-Effekt.
- Kundenspezifische Entwicklung von TransducernKundenspezifische Entwicklung von TransducernPI Ceramic liefert neben Piezokomponenten auch komplette Transducer, die wir gemeinsam mit Ihnen nach Ihren Applikationsvorgaben entwickeln können.
- Kundenspezifische Entwicklung von Transducern
- FertigungstechnologieFertigungstechnologiePI Ceramic bietet ein breites Spektrum an Herstellungstechniken: Press- oder Folientechnologie, Aufbau- und Verbindungstechnik sowie Prüfverfahren.
- PICMA® TechnologiePICMA® TechnologieHohe Zuverlässigkeit und überlegene Lebensdauer durch das patentierte Herstellungsverfahren für Multilayer-Aktoren.
- DuraAct Flächenwandler TechnologieDuraAct Flächenwandler TechnologieHerstellung, Funktionsweise und die typischen Arbeitskenngrößen von DuraAct Flächenwandlern erläutern die mögliche Kraftentwicklung und Auslenkung.
- Grundlagen der Piezotechnologie
- ServiceServiceIm Servicebereich können Sie Kontakt mit uns aufnehmen, Dokumente suchen und herunterladen und unser technisches Glossar verwenden.
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- ProduktdokumentationProduktdokumentationLaden Sie hier Benutzerhandbücher, Technical Notes oder Datenblätter herunter.
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- Produktdokumentation
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- Über PI CeramicUnternehmenPI Ceramic entwickelt und fertigt seit über 25 Jahren hochwertige Piezokomponenten für aktorische und sensorische Anwendungen.
- So gelangen Sie zu PI Ceramic!So gelangen Sie zu PI Ceramic!Hier finden Sie Adressdaten und eine Anfahrtsbeschreibung.
- Über die PI GruppeÜber die PI GruppeWeltweit ist kein anderes Unternehmen im Bereich der Präzisionspositionierung technologisch breiter aufgestellt als die PI Gruppe. Kontinuierliches Wachstum ist dabei eines der Hauptmerkmale der PI Gruppe.
- ReferenzenReferenzenHier finden Sie externe Veröffentlichungen aus Industrie und Forschung.
- ImpressumImpressumAuf dieser Seite finden Sie das Impressum der Webseite.
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- So gelangen Sie zu PI Ceramic!
- KarriereKarriereWir mögen und suchen Menschen, die unsere Visionen und unsere Dynamik teilen. Menschen, die etwas bewegen möchten und ambitionierte Ziele haben. Lassen Sie uns die Zukunft gemeinsam gestalten!
- Karriere bei PIKarriere bei PIWenn Sie bei uns als neue Mitarbeiterin oder neuer Mitarbeiter an Bord gehen, können wir Ihnen schon jetzt – ohne Blick in die legendäre Kristallkugel – sagen und versprechen: Ihre Zukunft bei PI wird abwechslungsreich. Dynamisch. Auf eine gute Art spannend. Herausfordernd. Chancenreich. Vielversprechend und facettenreich. Produktiv und innovativ.
- Jobs bei PI CeramicJobs bei PI CeramicSie möchten den nächsten Schritt Ihrer beruflichen Zukunft gehen? Dann sollten Sie unsere offenen Stellen in der Job-Übersicht genauer unter die Lupe nehmen.
- Standort KarlsruheStandort KarlsruhePI macht Zukunft. Wir ermöglichen unseren Kunden, Technologiesprünge zu meistern und Trends auf Jahrzehnte zu prägen. Werden Sie Teil eines agilen Mittelständlers mit globaler Power.
- Unsere BenefitsBenefitsSie geben viel. Wir tun alles! Wir wissen, dass unser wichtigstes Kapital nicht auf der Bank liegt: Unsere Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter sind die Basis unseres Erfolgs.
- Berufserfahrene & BerufseinsteigerBerufserfahrene & BerufseinsteigerAuf zu neuen Missionen! Lassen Sie uns neue Visionen entwickeln. Und Kühnes Wirklichkeit werden. Seien Sie mit uns neugierig, Neues zu entdecken, Mutiges zu wagen und neue Wege zu gehen. Für Sie selbst. Für unser Unternehmen. Und für alle, die von unseren technologischen Neuheiten profitieren werden.
- StudierendeStudierendeBei PI hast du die Möglichkeit, in einem spannenden und modernen Arbeitsumfeld die Berufswelt kennenzulernen. Als Studierender kannst du in allen Bereichen ein Praktikum machen, als Werkstudent erste praktische Berufserfahrung sammeln oder dein Studium mit einer praxisorientierten Bachelor- oder Masterthesis erfolgreich abschließen.
- Ausbildung & Duales StudiumAusbildung & Duales StudiumDie Ausbildung der Profis von morgen ist unsere Zukunft. Und: Dieser Profi kannst du sein! Wenn du mit Motivation und Engagement in deine berufliche Karriere starten möchtest, bist du bei uns genau richtig!
- Unsere Benefits
- Standort LederhoseStandort LederhosePI Ceramic am thüringischen Standort Lederhose entwickelt und fertigt Hightech-Lösungen rund um die Piezotechnologie. Werden Sie Teil eines agilen Mittelständlers mit globaler Power, der am Standort Lederhose konsequent nachhaltig wächst und attraktive Perspektiven bietet.
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- Berufserfahrene & BerufseinsteigerBerufserfahrene & BerufseinsteigerAuf zu neuen Missionen! Lassen Sie uns neue Visionen entwickeln und Kühnes Wirklichkeit werden. Seien Sie mit uns neugierig, Neues zu entdecken, Mutiges zu wagen und neue Wege zu gehen. Für Sie selbst. Für unser Unternehmen. Und für alle, die von unseren technologischen Neuheiten profitieren werden.
- StudierendeStudierendeBei PI Ceramic hast du die Möglichkeit, in einem spannenden und modernen Arbeitsumfeld die Berufswelt kennenzulernen. Als Studierender kannst du in fast allen Bereichen ein Praktikum machen, ein Praxissemester einlegen oder dein Studium mit einer praxisorientierten Bachelorarbeit oder Master Thesis erfolgreich abschließen.
- Ausbildung & Duales StudiumAusbildung & Duales StudiumDeine Zukunft ist auch unsere Zukunft! Denn mit deiner Ausbildung zu einem echten Profi können wir mit Hightech die Zukunft gemeinsam gestalten und prägen. Daher bilden wir bei PI Ceramic seit vielen Jahren Fachkräfte für technische und kaufmännische Berufe aus und übernehmen qualifizierte Nachwuchskräfte anschließend gerne in ein festes Arbeitsverhältnis.
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- StudierendeStudierendeBei PI miCos hast du die Möglichkeit, als Studierender in einem spannenden und modernen Arbeitsumfeld die Berufswelt kennen zu lernen ‒ und dein Studium mit einer praxisorientierten Bachelorarbeit oder Master Thesis erfolgreich abzuschließen.
- Ausbildung & SchülerpraktikaAusbildung & SchülerpraktikaDeine Zukunft ist auch unsere Zukunft! Mit deiner Ausbildung zu einem echten Profi können wir mit Hightech die Zukunft gemeinsam gestalten und prägen. Daher bilden wir ab 2021 bei PI miCos Fachkräfte zum Mechatroniker aus. Wenn dich Technik fasziniert, du echt etwas bewegen und dich mit spannender Hightech auf deine berufliche Mission begeben möchtest, dann bist du bei uns genau richtig!
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Was ist Ultraschall und wo wird er eingesetzt?
Wirkt auf ein elastisches Medium, wie z.B. ein Gas, eine Flüssigkeit oder einen Festkörper, eine externe Kraft, so kommt es ausgehend vom Ort der Krafteinwirkung zur wellenförmigen Ausbreitung von Druck- und Dichteschwankungen in Raum und Zeit. Diese bezeichnet man als Schall.
Von Ultraschall spricht man, wenn die Frequenz der sich ausbreitenden Welle 16.000 Hz überschreitet und sie damit für das menschliche Ohr nicht mehr wahrzunehmen ist. Der Frequenzbereich für Ultraschall erstreckt sich bis 16 GHz, also 16 Milliarden Zyklen pro Sekunde.
Medizintechnik aber auch Industrie und Forschung nutzen Ultraschall in vielerlei Hinsicht. Bekanntestes Einsatzgebiet ist die Sonografie, auch Echografie genannt. Hier werden mittels Ultraschall Bilder von Gewebe und Organen erzeugt. Der große Vorteil der Sonografie gegenüber anderen bildgebenden Verfahren in der Medizintechnik liegt in der Unschädlichkeit der Schallwellen, sodass selbst der Einsatz bei Ungeborenen unbedenklich möglich ist.
Neben der medizinischen Bildgebung werden auch für Anwendungen in der Messtechnik geringe Schallintensitäten benötigt. Die Intensität des Schalls beschreibt die Leistung, die auf eine bestimmte Fläche trifft. Übersteigt diese 10 W/cm2, spricht man von Leistungsschall. Im Gegensatz zu Ultraschall niedriger Intensitäten verursacht Leistungsschall Stoffveränderungen oder gar -zerstörungen und eignet sich damit zum Einsatz in der Materialbearbeitung, der >> Ultraschallreinigung oder im medizinischen Bereich zur >> Zertrümmerung von Nierensteinen.
Wie wird Ultraschall mit Piezoelementen erzeugt?
Zum Erzeugen und Detektieren von Ultraschallwellen bieten piezoelektrische Komponenten beste Voraussetzungen.
Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes werden in piezoelektrischen Materialien Ladungsträger verschoben, was zu einer makroskopischen Längenänderung führt (inverser Piezoeffekt). Handelt es sich bei der angelegten Spannung um eine Wechselspannung, so werden die Partikel im Medium, z.B. in der Luft, in Schwingung versetzt. Es entstehen Druckschwankungen. Eine Verdünnung der Partikel führt zu niedrigerem Druck, eine Verdichtung zu erhöhtem Druck. Die Wellenlänge des Schalls beschreibt den Abstand zwischen zwei Verdünnungs- bzw. Verdichtungsbereichen. Die so entstehenden Schallwellen breiten sich im umgebenden Medium aus. Abhängig von der Dichte und den elastischen Eigenschaften des Mediums, variiert die Geschwindigkeit des Schalls.
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Longitudinal- und Transversalwellen. Bei Longitudinalwellen erfolgt die Schwingung in der Ebene ihrer Ausbreitung. Sie können sich in Flüssigkeiten und Gasen, aber auch in Festkörpern ausbreiten. Transversalwellen hingegen schwingen senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung, was nur in Festkörpern möglich ist. Beide Wellenmodi können durch Reflexion oder Brechung an Grenzflächen zu dichteren Materialien in den jeweils anderen Modus umgewandelt werden.
Elektroakustische Wandler
Elektroakustische Wandler, auch Transducer genannt, wandeln Schallenergie in elektrische Energie oder umgekehrt. Sie bestehen aus einem aktiven Piezoelement, einem Gehäuse und elektrischen Anschlüssen.
Wichtige Größe für die Übertragung von Schallwellen ist die Schallkennimpedanz, auch bekannt als Wellenwiderstand. Sie hängt von der Dichte des Mediums und der Schallgeschwindigkeit ab. Die Differenz der Schallkennimpedanzen zweier Medien bestimmt, ob und wie gut die Schallwellen von einem ins andere Medium übertragen werden können. Ist diese Differenz zu groß, wird der Schall reflektiert, eine Übertragung ist nicht möglich.
Im Transducer sorgt eine Anpassungsschicht (Transformationsschicht) zwischen dem Piezoelement und dem umgebenden Medium für eine möglichst kleine Differenz der Schallkennimpedanz und erhöht so die Qualität der Übertragung. Optimaler Weise hat diese Schicht eine Dicke von einem Viertel der Wellenlänge des Schalls (λ/4).
Das elektromechanische Verhalten eines zu Schwingungen angeregten piezoelektrischen Elements lässt sich mit einem elektrischen Ersatzschaltbild darstellen.
C0 ist dabei die Kapazität des Dielektrikums. Die Reihenschaltung aus C1, L1 und R1 beschreibt die Änderung der mechanischen Eigenschaften wie elastische Deformation, effektive Masse bzw. Trägheit und mechanische Verluste durch innere Reibung. Diese Schwingkreis-Beschreibung ist allerdings nur für Frequenzen in der Nähe der mechanischen Eigenresonanz anwendbar.
Die meisten piezoelektrischen Materialparameter werden über Impedanzmessungen an speziellen Prüfkörpern im Resonanzfall bestimmt.
Die Impedanz Z, auch Scheinwiderstand, ist ein komplexer Wechselstromwiderstand, wobei der Realteil für den ohmschen Widerstand und der Imaginärteil für den Blindwiderstand stehen. Die Impedanz wird durch die Länge des komplexen Vektors und einen Phasenwinkel ϕ beschrieben.
Durch die >> Kopplung von mechanischer und elektrischer Schwingung werden mechanische Resonanzen elektrisch messbar. Für die Bestimmung der piezoelektrischen Kennwerte werden die Serien- und Parallelresonanzen herangezogen. Diese entsprechen in guter Näherung dem Impedanzminimum fm und -maximum fn. Die Impendanzmessung wird bei der Qualitätsprüfung von Piezokomponenten und Baugruppen standardmäßig durchgeführt. Anhand von Form und Dynamik der Impedanzkurve lassen sich beispielsweise Rückschlüsse auf Defekte in der Piezokomponente oder auch auf die Qualität von Klebeschichten ziehen.
Ultraschall-Messprinzipien mit Piezoelementen
Piezo-Ultraschallsensoren bieten eine hohe Präzision und Zuverlässigkeit über große Messbereiche und sind langzeitstabil und kompakt. Sie benötigen keine optische Transparenz. Grundsätzlich wird zwischen zwei Messprinzipien unterschieden:
1. Laufzeitmessung
1. Laufzeitmessung
Sei es zur Abstandsbestimmung, Objekterkennung oder für >> Durchflussmessungen, bei der Laufzeitmessung dient das piezokeramische Element sowohl als Sender als auch als Empfänger.
Das piezokeramische Element sendet einen Ultraschallimpuls aus. Die damit ausgelösten Schallwellen breiten sich aus und treffen auf ein Objekt. Dort werden sie reflektiert und teilweise absorbiert. Das gleiche Piezoelement empfängt die reflektierten Wellen. Die Laufzeitdifferenz Δt zwischen Aussenden und Empfang der Schallwellen gibt Aufschluss über die Entfernung r zwischen Schallquelle und Objekt. Unter Kenntnis der Schallgeschwindigkeit c im umgebenden Medium kann diese Wegstrecke r berechnet werden:
2. Doppler-Effekt
Bei der Messung von Durchflussmengen oder Fließgeschwindigkeiten verunreinigter Medien, z. B. durch Schwebeteilchen oder Luftbläschen, greift man auf das Prinzip des Doppler-Effekts zurück. Dabei werden nach dem Aussenden eines Ultraschallimpulses die Ultraschallwellen (f0) an Flüssigkeitspartikeln gestreut bzw. reflektiert. Die dabei entstehende Frequenzverschiebung Δf zwischen abgestrahlter und am gleichen Piezowandler wieder empfangener reflektierter Wellenfront ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit vS der Partikel. Dabei muss der Winkel θ zwischen der Richtung des ausgesendeten Ultraschallimpulses und der Messstrecke berücksichtigt werden:
Die Strömungsrichtung kann auch durch die Frequenzänderung bestimmt werden. Nähern sich die Flüssigkeitspartikel dem Sensor, verkürzt sich die Wellenlänge des Schalls und die Frequenz steigt an (fb), da die Schallwellen vor den Partikeln hergeschoben werden und diese stauchen. Umgekehrt verlängert sich die Wellenlänge und die Frequenz des Schalls sinkt, wenn sich die Partikel vom Sensor entfernen (fa). Diese Frequenzänderung Δf der Schallwellen kann detektiert und mit der Schallfrequenz des ausgesendeten Ultraschallimpulses verglichen werden.
Anwendungen hierfür finden sich in der Gebäudetechnik zur Verbrauchsbestimmung von Wasser oder Heizenergie, aber auch im medizinischen Umfeld zur Erfassung der Blutflussgeschwindigkeit und -richtung.
- Prozessautomation und industrielle Messtechnik,
z.B. >> Abstands- und Füllstandsmessung, >> Durchflussmessung
und Luftblasendetektion - Zerstörungsfreie Prüfung
- Medizinische Bildgebung
- Materialbearbeitung mit Leistungsultraschall, z.B. Schweißen, Bohren, Schneiden
- >> Ultraschallreinigung in der Industrie
- >> Stoßwellenlithotripsie und >> Aerosolerzeugung in der Medizintechnik
- >> Sonartechnik und Hydroakustik
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