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Messtechnische Charakterisierung des thermopiezoelektrischen Materialverhalten

Teilprojekt der Forschungsgruppe FOR 5208: Modellbasierte Bestimmung nichtlinearer Eigenschaften von Piezokeramiken für Leistungsschallanwendungen

DFG Projektnummer:

444955436

Kurzfassung:

Eine wesentliche Voraussetzung für die erfolgreiche Bestimmung vollständiger und konsistenter Materialparametersätze ist die möglichst präzise und korrekte Bestimmung der piezoelektrischen Werkstoff- bzw. Bauteileigenschaften. Dies erfordert die Entwicklung geeigneter Messverfahren und deren Umsetzung in Form eines Messsystems. Im Vordergrund steht die quasi-kontinuierliche und simultane Erfassung elektrischer (elektrische Impedanz), mechanischer (Oberflächenauslenkung) und thermischer (Temperaturverteilung) Größen zur möglichst ganzheitlichen Beschreibung des Werkstoff- bzw. Bauteilverhaltens von Piezokeramiken.

Dabei ist die Konzeption und technische Realisierung verschiedener Messplätze bzw. Versuchsaufbauten zur gezielten Untersuchung ausgewählter Einflussgrößen geplant. Zunächst sollen nur die linearen Materialparameter bzw. Materialparametersätze in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmt werden (AP3 und AP4). Hierzu werden die frequenzabhängigen elektrischen Impedanzverläufe an Piezokeramik-Proben mit optimierter Elektrodenkonfiguration bei unterschiedlichen Temperaturen gemessen (AP1) und in Kooperation mit der Arbeitsgruppe MOP daraus die Materialparametersätze ermittelt. Gegebenenfalls können hier vibrometrische Untersuchungen im Bedarfsfall hinzugezogen werden. Daran schließen sich Untersuchungen zum Einfluss einer mechanischen Vorspannung (AP5) und einer elektrischen Vorspannung (AP6) an. Im Ergebnis dieser Voruntersuchungen wird der Parameterraum für die Materialparameter bekannt sein und es wird eine erste Beschreibung der relevanten nichtlinearen Eigenschaften vorliegen. Darauf aufbauend werden die Arbeitsgruppen EMT und LDM in enger Kooperation und in Abstimmung mit den anderen Arbeitsgruppen im Rahmen der Teilprojekte ANA, OPT und SIM ein geeignetes Materialmodell zur Beschreibung des thermopiezoelektrischen Materialverhaltens für Leistungsschallanwendungen entwickeln.

Hieran schließt sich die Entwicklung eines Messsystems zur Charakterisierung des nichtlinearen Verhaltens von Piezokeramiken an (AP8). Die Arbeitsgruppe EMT konzentriert sich vornehmlich auf die Automatisierung des Messplatzes sowie auf die Erfassung der elektrischen Größen. Aufgrund der Nichtlinearitäten genügt hier nicht mehr die Auswertung des frequenzabhängigen Impedanzverlaufs, sondern es sind Methoden und Schaltungen zur Auswertung der Signalspektren von Strom  und Spannung zu entwickeln. Parallel hierzu übernimmt die Arbeitsgruppe LDM die Entwicklung der Messtechnik zur Erfassung der mechanischen und thermischen Größen (Vibrometrie und Pyrometrie) an der Piezokeramik-Probe.

Im letzten Arbeitspaket sollen das entwickelte Messverfahren, das Materialmodell, die Simulationsumgebung sowie die Parameteridentifikationsmethode an Piezokeramik-Proben anderer Geometrie, Elektrodenkonfiguration und eines anderen Materialtyps überprüft und verifiziert werden.

Kooperationspartner:

Dr.-Ing. Tobias Hemsel (Dynamik und Mechatronik, Universität Paderborn)

Projektlaufzeit:

2022 bis 2026

Projektbezogene Publikationen


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Arbitrary sensitivity for inverse problems in piezoelectricity

B. Jurgelucks, V. Schulze, N. Feldmann, L. Claes, 2019


Inverse piezoelectric material parameter characterization using a single disc-shaped specimen

N. Feldmann, V. Schulze, L. Claes, B. Jurgelucks, A. Walther, B. Henning, tm - Technisches Messen (2020), pp. 50-55

The increasingly simulation-driven design process of ultrasonic transducers requires several reliable parameters for the description of the material behaviour. Exact results can only be achieved when a single specimen is used in the identification process, which typically is prone to the problem of low sensitivities to certain material parameters and thus high uncertainties. Therefore, a custom electrode topology for increased sensitivity is proposed for a piezoceramic disc. The thereupon conducted measurements of the electric impedance can be used as a starting point for an inverse approach where an equivalent simulation model is used to identify fitting material parameters. An optimisation strategy based on a preliminary sensitivity analysis is presented that leads to a good agreement between measurement and simulation. Furthermore, the proposed measurement procedure is able to evaluate the quality of the simulation model. Hence, different frequency-dependent damping models are presented and evaluated.


Ein modellbasiertes Messverfahren zur Charakterisierung von Piezokeramiken unter Verwendung eines einzelnen scheibenförmigen Probekörper

N. Feldmann, Universität Paderborn, 2021

Designprozesse von Schallwandlern werden durch zunehmende Rechenkapazitäten immer mehr durch simulative Betrachtungen unterstützt. Dabei ist vor allem die Wahl der Materialparameter der verwendeten Materialien wichtig für ein realitätsnahes Simulationsergebnis. Bei Schallwandlern werden häufig Piezokeramiken als aktive Elemente genutzt, welche sich durch eine Verkopplung mechanischer und elektrischer Eigenschaften auszeichnen. Zur Bestimmung ihrer Materialparameter stellt der IEEE Standard on Piezoelectricity ein standardisiertes Verfahren dar. Dazu sind fünf Impedanzmessungen an vier unterschiedlich gefertigten Probekörpergeometrien notwendig. Da an jedem einzelnen Probekörper nur eine Untermenge aller notwendigen Materialparameter bestimmt werden kann, werden diese dann zu einem kompletten Materialparametersatz zusammengefügt. Aufgrund der unterschiedlichen Prozessbedingungen, bei denen die jeweiligen Probekörper hergestellt werden, ist dieser Materialparametersatz jedoch inkonsistent und kann nie das Verhalten einer einzelnen Probe beschreiben. Daher wird in der vorliegenden Arbeit ein Messverfahren entwickelt, mit dem es möglich ist, alle relevanten Materialparameter unter besonderer Berücksichtigung von Dämpfung an einem einzelnen Probekörper allein durch Impedanzmessungen zu bestimmen. Als Probekörper wird dazu eine in der Anwendung häufig verwendete Scheibengeometrie verwendet. Um eine hinreichend hohe Sensitivität auf alle Materialparameter zu gewährleisten, wird diese mit einer optimierten Elektrodentopologie gefertigt. Da in diesem Fall keine analytische Betrachtung mehr möglich ist, wird das Messverfahren durch einen inversen Ansatz realisiert.


Optimal experiment design with respect to electrode configurations for a piezoelectric problem

V. Schulze, S. Schmidt, B. Jurgelucks, N. Feldmann, L. Claes, 2021


Modelling damping in piezoceramics: A comparative study

N. Feldmann, V. Schulze, L. Claes, B. Jurgelucks, L. Meihost, A. Walther, B. Henning, tm - Technisches Messen (2021), 88(5), pp. 294 - 302

The progress in numerical methods and simulation tools promotes the use of inverse problems in material characterisation problems. A newly developed procedure can be used to identify the behaviour of piezoceramic discs over a wide frequency range using a single specimen via fitting simulated and measured impedances by optimising the underlying material parameters. Since there is no generally accepted damping model for piezoelectric ceramics, several mechanical damping models are examined for the material identification. Three models have been chosen and their ability to replicate the measured impedances is evaluated. On the one hand, the common Rayleigh model is considered as a reference. On the other hand, a Zener model and a model using complex constants are extended to model the transversely isotropic material. As the Rayleigh model is only valid for a limited frequency range, it fails to model the broadband behaviour of the material. The model using complex constants leads to the best fit over a wide frequency range while at the same time only adding three additional parameters for modelling damping. Thus, damping can be assumed approximately frequency-independent in piezoceramics.


Optimised Multi-Electrode Topology for Piezoelectric Material Characterisation

L. Claes, N. Feldmann, B. Jurgelucks, V. Schulze, S. Schmidt, A. Walther, B. Henning, 2021, pp. 237-238

DOI


Piezoelectric BC Modeling for Electrode Shapes with OED

V. Schulze, S. Schmidt, B. Jurgelucks, N. Feldmann, L. Claes, 2021


Identification of piezoelectric material parameters using optimised multi-electrode specimens

L. Claes, N. Feldmann, V. Schulze, B. Jurgelucks, A. Walther, B. Henning, in: Fortschritte der Akustik - DAGA 2022, 2022, pp. 1326-1329


Estimation of piezoelectric material parameters of ring-shaped specimens

O. Friesen, L. Claes, N. Feldmann, B. Henning, 2022


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Elektrische Messtechnik (EMT)

Schallfeldsimulation, Fluidcharakterisierung

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