Forschungsschwerpunkt Sensordesign

Bei dem Entwurf und der Optimierung von Messystemen sind viele Disziplinen zu vereinen, um eine den Zielstellungen entsprechende Lösung zu finden. So ist neben einem Sensor auch immer die Sensorinterfaceelektronik zu betrachten. Beispielsweise kann durch eine geschickte Ansteuerung ein Sender auch gleichzeitig als Empfänger genutzt werden, ohne den eigentlichen Transducer modifizieren zu müssen.

Neben der Elektronik können auch die eingesetzten Materialien zu höheren Messeffekten führen oder sogar erst die Nutzung bestimmter Phänomene ermöglichen. Beispielsweise spielt die angepasste Materialwahl bei einer Durchschallung einer Funktionsschicht eine entscheidende Rolle, die durch die Wahl geeigneter Komponenten erst realisierbar wird.

Auch die Geometrie kann während eines Optimierungsprozesses angepasst werden, um gewünschte Effekte zu verstärken oder unerwünschte zu unterdrücken, indem beispielsweise als störend identifizierte Reflexionen konstruktiv geschwächt werden.

All diese Aspekte spielen bei der Modellgenerierung und einer anschließenden Sensoroptimierung eine große Rolle und müssen als Gesamtkonzept betrachtet werden.

Bei vielen Realisierungen ist nicht nur der reine Sensor zu betrachten, sondern auch die elektronische Ansteuerung. Ein Teil der Forschungen der Elektrischen Messtechnik auf diesem Gebiet beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Sensorinterfaceelektronik, die das gleichzeitige Senden und Empfangen mit einem Ultraschalltransducer ermöglicht. Hierzu werden verschiedene Ansätze untersucht, wie beispielsweise ein modifizierter Richtkoppler oder ein einstellbarer Phasenschieber.

Diese Lösungen ermöglichen die Trennung des Empfangssignals vom Sendesignal während der Zeit, in der sich der Transducer noch im Sendefall befindet. Bisher wird auf diese Weise eine Dämpfung von -61 dB des Sendesignals im Empfangssignal erreicht, was sich für viele Anwendungen als hinreichend herausgestellt hat.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Simulationsmodelle für die FEM-Simulation zu generieren. Je nach Ausgangspunkt können sowohl vorhandene CAD-Geometriedaten verwendet werden, Modellgrößen aus einem vorhandenen Körper abgeleitet oder auch neue Modelle generiert werden. Hierzu kommen entsprechend unterschiedliche Werkzeuge zum Einsatz.

Sind bereits Modelldaten im Rechner in Form unterschiedlichster CAD-Datenformate vorhanden, werden im Fachgebiet Elektrische Messtechnik verschiedene kommerziell verfügbare CAD-Programme für die Aufbereitung der Daten für die numerische Akustiksimulation eingesetzt. Auch die für die Simulation nötige örtliche Diskretisierung wird durchgeführt, so dass ein konsistentes Geometrie- und Gittermodell zur Verfügung steht.

Die eigentliche Simulation erfolgt mit einem kommerziellen FEM-Programmpaket, das auf die Lösung von elektro-mechanischen Problemstellungen spezialisiert ist. Auch nichtlineare Probleme können auf diese Weise berechnet werden.

Scriptbasierte Modellerzeugung

Gerade bei Optimierungsfragen ist die Analyse eines statischen Modells oft nicht ausreichend, da der Einfluss einzelner Modellparameter nicht oder nur in sehr geringem Umfang beurteilt werden kann. Aus diesem Grund ist im Fachgebiet Elektrische Messtechnik eine Toolbox für Matlab® entstanden. Diese ermöglicht die variable Modellgenerierung, indem Parameterbereiche aller relevanter Modelleigenschaften (Materialeigenschaften, geometrische Abmessungen, Anregung, ...) definiert und mit Hilfe von Optimierungsstrategien durchlaufen werden können. So können sehr detailliert einzelne oder mehrere Größen variiert und deren Einfluss auf gewünschte Modelleigenschaften untersucht werden. Generiert wird ein numerisches Simulationsmodell, das wie im statischen Fall mit Hilfe des kommerziellen Lösers berechnet wird.

Neben der Analyse vorhandener Sensoren, bei der die Ist-Stand-Ermittlung des Systems im Vordergrund steht, gewinnt die Optimierung immer mehr an Bedeutung, da auf diese Weise relativ schnell Modellparameter herauskristallisiert werden können, welche die gewünschte Eigenschaften des Gesamtsystems besonders beeinflussen. Bei vorgegebener Zielgröße läßt sich in einem vorgegebenen Parameterraum mehrerer Modellgrößen ein optimaler Entwurfspunkt finden.

Eine wichtige Rolle bei der effizienten und zielführenden Berechnung eines solchen Optimums ist die Wahl einer geeigneten Optimierungsstrategie. Hier bieten sich je nach Aufgabenstellung Methoden wie Simulierte Schmelzen, Sukzessive Approximation, Künstliche Neuronale Netze (KNN), Principal Component Analyse (PCA) oder Genetische Algorithmen an.