Ein modellbasiertes Messverfahren zur Charakterisierung der frequenzabhängigen Materialeigenschaften von Piezokeramiken unter Verwendung eines einzelnen Probekörperindividuums

DFG Projektnummer:

321120716

Kurzfassung:

Zur vollständigen Bestimmung eines Materialparametersatzes für Piezokeramiken wird bis heute ein Verfahren verwendet, welches auf der Vermessung von fünf in der Geometrie verschiedenen und unterschiedlich prozessierten Materialproben basiert. Da die Herstellungsschritte die Materialeigenschaften jedoch deutlich beeinflussen, kann dieses Vorgehen somit nur zu einem inkonsistenten Materialparametersatz führen. Hieraus ergeben sich zum Teil recht große Abweichungen zwischen Simulation und Experiment. Die bisherige Verfahrensweise, mehrere Materialproben einzusetzen, resultiert aus der Tatsache, dass je nach Probengeometrie nicht alle Materialparameter gleichermaßen das Ergebnis der Materialcharakterisierung beeinflussen. So zeigt zum Beispiel die Impedanzmessung an einer Piezokeramikscheibe mit vollflächigen Elektroden nur eine geringe Sensitivität für die radiale Komponente des Permittivitätstensors. Der zunehmende Einsatz von Simulationswerkzeugen zum Sensordesign sowie der Einsatz vorzugsweise kleiner piezokeramischer Bauelemente machen die Charakterisierung aller Materialparameter an der jeweiligen konkreten Geometrie des piezokeramischen Bauelementes zwingend notwendig. Die Bestimmung eines solchen konsistenten Materialparametersatzes ist eine entscheidende Voraussetzung für den Entwurf optimierter piezokeramischer Schallwandler (z. B. Sensor Arrays, Annular Arrays oder Interdigital-Schallwandler). Im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens soll daher ein Messverfahren entwickelt werden, welches die Bestimmung aller relevanten Materialparameter bzw. eines konsistenten Materialparametersatzes an einem einzelnen Probekörper gewährleistet. In Zusammenarbeit haben beide Projektpartner bereits gezeigt, dass sich die Sensitivität der Messung auf alle Materialparameter durch die Verwendung von Piezokeramikscheiben mit drei ringförmig strukturierten Elektroden signifikant steigern lässt. Durch zwei konzentrische Elektroden auf der gleichen Seite der Piezokeramik können so zum Beispiel auch elektrische Felder in radialer Richtung im Probekörper erzeugt werden, was die gesteigerte Sensitivität erklärt. Aufgrund der hohen Komplexität des Messaufbaus ist eine analytische Berechnung aller Materialparameter aus den Messergebnissen nicht direkt möglich. Es wird daher ein inverser Ansatz verwendet, bei dem der Verlauf der frequenzabhängigen Impedanz der Piezokeramik mit FEM-Simulationsergebnissen verglichen wird. Mit Hilfe von ableitungsbasierten Optimierungsalgorithmen werden die Parameter des Modells angepasst, bis Mess- und Simulationsergebnisse bestmöglich übereinstimmen.

Kooperationspartner:

Prof. Dr. rer. nat. habil. Andrea Walther (Mathematische Optimierung, Humboldt-Universität zu Berlin)

Projektlaufzeit:

2017 bis 2020

Ansprechpartner

business-card image

Dr.-Ing. Leander Claes

Measurement Engineering

Acoustic field simulation, fluid characterization

Write email +49 5251 60-4950

Projektbezogene Publikationen

Increasing the Sensitivity of Impedance with Respect to Material Parameters of Triple-Ring Electrode Piezoelectric Transducers using Algorithmic Differentiation
B. Jurgelucks, L. Claes, Increasing the Sensitivity of Impedance with Respect to Material Parameters of Triple-Ring Electrode Piezoelectric Transducers Using Algorithmic Differentiation, Workshop on Direct and Inverse Problems in Piezoelectricity, Erlangen, 2016.
Optimisation of triple-ring-electrodes on piezoceramic transducers using algorithmic differentiation
B. Jurgelucks, L. Claes, in: AD2016 The 7th International Conference on Algorithmic Differentiation, 2016, pp. 99–102.
Material parameter determination of a piezoelectric disc with triple-ring-electrodes for increased sensitivity
B. Jurgelucks, N. Feldmann, L. Claes, B. Henning, A. Walther, in: Proceedings of Meetings on Acoustics, Honolulu, 2017, p. 030010.
An inverse approach to the characterisation of material parameters of piezoelectric discs with triple-ring-electrodes
N. Feldmann, B. Jurgelucks, L. Claes, V. Schulze, B. Henning, A. Walther, Tm - Technisches Messen 86 (2018) 59–65.
Efficient optimisation of initial values for characterising piezoelectric material parameters
N. Feldmann, B. Henning, in: Fortschritte Der Akustik, München, 2018, pp. 1275–1278.
Materialparameter von bleihaltigen und bleifreien Piezokeramiken und ihre Bedeutung in der Anwendung
L. Claes, N. Feldmann, B. Henning, Materialparameter von Bleihaltigen Und Bleifreien Piezokeramiken Und Ihre Bedeutung in Der Anwendung, PI Ceramic Akademie, Lederhose, 2018.
Vollständige Charakterisierung von piezoelektrischen Scheiben mit Ringelektroden
N. Feldmann, B. Jurgelucks, L. Claes, B. Henning, Vollständige Charakterisierung von Piezoelektrischen Scheiben Mit Ringelektroden, Workshop “Messtechnische Anwendungen von Ultraschall”, Drübeck, 2018.
Optimization of triple-ring electrodes on piezoceramic transducers using algorithmic differentiation
B. Jurgelucks, L. Claes, A. Walther, B. Henning, Optimization Methods and Software 33 (2018) 868--888.
A sensitivity-based optimisation procedure for the characterisation of piezoelectric discs
N. Feldmann, B. Jurgelucks, L. Claes, B. Henning, in: 2019 International Congress on Ultrasonics, 2019.
Arbitrary sensitivity for inverse problems in piezoelectricity
B. Jurgelucks, V. Schulze, N. Feldmann, L. Claes, Arbitrary Sensitivity for Inverse Problems in Piezoelectricity, GAMM Annual Meeting, Wien, 2019.
Solving piezoelectric inverse problems using Algorithmic Differentiation
N. Feldmann, V. Schulze, B. Jurgelucks, B. Henning, in: Fortschritte Der Akustik - DAGA 2020, 2020, pp. 1125–1128.
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) 50–55.
Ein modellbasiertes Messverfahren zur Charakterisierung von Piezokeramiken unter Verwendung eines einzelnen scheibenförmigen Probekörper
N. Feldmann,   Ein modellbasiertes Messverfahren zur Charakterisierung von Piezokeramiken unter Verwendung eines einzelnen scheibenförmigen Probekörper, Universität Paderborn, 2021.
Optimal experiment design with respect to electrode configurations for a piezoelectric problem
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.
Modelling damping in piezoceramics: A comparative study
N. Feldmann, V. Schulze, L. Claes, B. Jurgelucks, L. Meihost, A. Walther, B. Henning, Tm - Technisches Messen 88 (2021) 294–302.
Optimised Multi-Electrode Topology for Piezoelectric Material Characterisation
L. Claes, N. Feldmann, B. Jurgelucks, V. Schulze, S. Schmidt, A. Walther, B. Henning, in: 2021, pp. 237–238.
Piezoelectric BC Modeling for Electrode Shapes with OED
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.
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, Estimation of Piezoelectric Material Parameters of Ring-Shaped Specimens, International Workshop on Piezoelectric Materials and Applications in Actuators (IWPMA), 2022.
Inverse procedure for measuring piezoelectric material parameters using a single multi-electrode sample
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.
Inverse procedure for the identification of piezoelectric material parameters supported by dense neural networks
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.
Parameter Identification of Piezoelectrics improved by Neural Networks
B. Jurgelucks, Parameter Identification of Piezoelectrics Improved by Neural Networks, GAMM Annual Meeting, Dresden, 2023.
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