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

DFG Projektnummer:

321120716

Kurzfassung:

Die zunehmend simulationsgestützten Designprozesse von Ultraschallwandlern benötigen für realitätsnahe Ergebnisse möglichst gute Beschreibungen der verwendeten Materialien. Piezokeramische Materialien können im Modell über mindestens 10 Parameter abgebildet werden. Die Bestimmung dieser Parameter geschieht nach aktuellen Standards über die Auswertung von Resonanzfrequenzen unterschiedlicher Probekörpergeometrien. Da diese unterschiedlichen Probekörper jedoch stets unterschiedlichen Prozess- und Polarisationsbedingungen unterliegen, können sich beim Zusammenfügen der einzelnen Materialparameter unplausible bzw. inkonsistente Parametersätze ergeben. Die Charakterisierung einer Piezokeramik an einem einzelnen Probekörper gestaltet sich jedoch schwierig, da meist keine hinreichend hohen Sensitivitäten auf alle relevanten Parameter gegeben sind. Eine Erhöhung der Sensitivitäten und damit eine Bestimmung eines vollständigen Materialparametersatzes konnte mit einer optimierten Elektrodentopologie auf piezokeramischen Scheiben in dem vorangegangenen Projekt realisiert werden. Da sich die komplexere Elektrodenstruktur nicht mehr durch analytische Näherungen abbilden lässt, werden die Materialparameter durch ein inverses Verfahren bestimmt. Dabei wird ein digitaler Zwilling in Form eines Finite Elemente Methoden Modells erstellt, welcher die Materialparameter als Eingangsgröße enthält. Durch problemangepasste Optimierungsalgorithmen können dann die Materialparameter des Modells dahingehend beeinflusst werden, dass das Verhalten des realen Systems möglichst gut abgebildet wird. Jedoch sind dafür momentan mehrere Impedanzmessungen an einer piezokeramischen Scheibe notwendig. Durch eine dynamischere mathematische Optimierung der Elektrodentopologie soll dies auf eine einzelne Messung reduziert werden. Außerdem soll ein kausales Dämpfungsmodell gefunden werden, welches das physikalische Materialverhalten besser abbildet und somit in einer realitätsnäheren Simulation resultiert. Auch hier muss eine zuverlässige Lösung des inversen Problems durch hinreichend große Sensitivitäten sichergestellt werden.

Kooperationspartner:

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

Projektlaufzeit:

2020 bis 2022

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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