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
Ansprechpartner
Projektbezogene Publikationen
D. Dreiling, N. Feldmann, B. Henning, in: AMA Service GmbH, 2019.
B. Jurgelucks, V. Schulze, N. Feldmann, L. Claes, Arbitrary Sensitivity for Inverse Problems in Piezoelectricity, GAMM Annual Meeting, Wien, 2019.
N. Feldmann, V. Schulze, L. Claes, B. Jurgelucks, A. Walther, B. Henning, Tm - Technisches Messen (2020) 50–55.
V. Schulze, S. Schmidt, B. Jurgelucks, N. Feldmann, L. Claes, Optimal Experiment Design with Respect to Electrode Configurations for a Piezoelectric Problem, GAMM Annual Meeting, Kassel, 2021.
N. Feldmann, V. Schulze, L. Claes, B. Jurgelucks, L. Meihost, A. Walther, B. Henning, Tm - Technisches Messen 88 (2021) 294–302.
L. Claes, N. Feldmann, B. Jurgelucks, V. Schulze, S. Schmidt, A. Walther, B. Henning, in: 2021, pp. 237–238.
V. Schulze, S. Schmidt, B. Jurgelucks, N. Feldmann, L. Claes, Piezoelectric BC Modeling for Electrode Shapes with OED, GAMM Juniors’ Summer School 2021, Graz, 2021.
N. Feldmann, Ein modellbasiertes Messverfahren zur Charakterisierung von Piezokeramiken unter Verwendung eines einzelnen scheibenförmigen Probekörpers, Universität Paderborn, 2021.
L. Claes, N. Feldmann, V. Schulze, B. Jurgelucks, A. Walther, B. Henning, in: Fortschritte Der Akustik - DAGA 2022, 2022, pp. 1326–1329.
O. Friesen, L. Claes, N. Feldmann, B. Henning, Estimation of Piezoelectric Material Parameters of Ring-Shaped Specimens, International Workshop on Piezoelectric Materials and Applications in Actuators (IWPMA), 2022.
C. Scheidemann, T. Hemsel, O. Friesen, L. Claes, W. Sextro, in: 2023.
C. Scheidemann, T. Hemsel, O. Friesen, L. Claes, W. Sextro, in: 2023.
L. Claes, N. Feldmann, V. Schulze, L. Meihost, H. Kuhlmann, B. Jurgelucks, A. Walther, B. Henning, Journal of Sensors and Sensor Systems 12 (2023) 163–173.
L. Claes, L. Meihost, B. Jurgelucks, Inverse Procedure for the Identification of Piezoelectric Material Parameters Supported by Dense Neural Networks, GAMM Annual Meeting, Dresden, 2023.
B. Jurgelucks, Parameter Identification of Piezoelectrics Improved by Neural Networks, GAMM Annual Meeting, Dresden, 2023.
R. Kuess, Parameter Identification in Piezoelectricity Based on All-at-Once and Reduced Regularization, GAMM Annual Meeting, Dresden, 2023.
O. Friesen, M.A. Pasha, M. Schwengelbeck, L. Claes, E. Baumhögger, B. Henning, in: Fortschritte der Akustik - DAGA 2024, 2024, pp. 1117–1120.
K. Koch, L. Claes, B. Jurgelucks, L. Meihost, B. Henning, in: D. Gesellschaft für Akustik e.V. (Ed.), Fortschritte der Akustik - DAGA 2024, 2024, pp. 1113–1116.
K. Koch, L. Claes, Randomised Material Parameter Piezoelectric Impedance Dataset with Structured Electrodes, zenodo, 2024.
L. Claes, K. Koch, O. Friesen, L. Meihost, Machine Learning in Inverse Measurement Problems: An Application to Piezoelectric Material Characterisation, International Workshop on Piezoelectric Materials and Applications (IWPMA), 2024.
K. Koch, O. Friesen, L. Claes, Randomised Material Parameter Impedance Dataset of Piezoelectric Rings, Zenodo, 2024.
O. Friesen, L. Claes, C. Scheidemann, N. Feldmann, T. Hemsel, B. Henning, in: 2023 International Congress on Ultrasonics, Beijing, China, IOP Publishing, 2024, p. 012125.
K. Koch, L. Claes, B. Jurgelucks, L. Meihost, Tm - Technisches Messen (2024).
L. Claes, J. Lankeit, M. Winkler, A Model for Heat Generation by Acoustic Waves in Piezoelectric Materials: Global Large-Data Solutions, Cornell University, 2024.
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