4.1 - Sensitivitätssteigerung im Rahmen eines inversen Ansatzes zur Materialparameterbestimmung für Piezokeramiken durch Elektrodenmodifikationen
- Event
- AHMT 2014 - Symposium des Arbeitskreises der Hochschullehrer für Messtechnik
2014-09-18 - 2014-09-20
Saarbrücken - Chapter
- Impedanzmessungen
- Author(s)
- C. Unverzagt, B. Henning - Universität Paderborn, EIM-E - Elektrische Messtechnik, Paderborn/D
- Pages
- 95 - 102
- DOI
- 10.5162/AHMT2014/4.1
- Price
- free
Abstract
Simulationen mittels der Finiten Element Methode (FEM) sind heute ein fester Bestandteil im Entwicklungsprozess von Ultraschallsystemen. Durch die simulative Ermittlung der transienten Schwingungsvorgänge können Optimierungen bezüglich gewünschter Zielkriterien vorgenommen werden. Hierdurch lassen sich die aufwendige Prototypenfertigung reduzieren und günstige Entwurfspunkte schneller ermitteln.
In vielen Ultraschallwandlern bildet eine Piezokeramik das aktive Element. Für eine realitätsnahe Simulation ist es notwendig, dass die Materialparameter dieser Piezokeramik zur Beschreibung des Materialverhaltens präzise bekannt sind. Zu deren Bestimmung werden verschiedene Verfahren eingesetzt, die sich in analytische und numerische Verfahren unterteilen lassen. Bei den analytischen Verfahren werden durch Vorgabe geometrischer Randbedingungen bestimmte Schwingungsformen separiert, für die sich analytische Lösungen angeben lassen [1]. Um einen vollständigen Satz an Materialparametern zu ermitteln, sind deshalb verschiedene Probekörper mit unterschiedlichen Geometrien erforderlich, deren unterschiedliche Konditionierung die Ermittlung eines konsistenten Datensatzes erschwert. Deshalb werden heute vermehrt numerische Verfahren eingesetzt, die mittels eines inversen Ansatzes eine Bestimmung der Materialparameter ermöglichen. Hierbei wird ein simulierter an einen gemessenen Impedanzverlauf durch Variationen der Materialparameter im Rahmen einer Optimierung angeglichen [2]. Einige der zu bestimmenden Materialparameter haben jedoch nur einen sehr geringen Einfluss auf den simulierten Impedanzverlauf und weisen deshalb nach Abschluss der Optimierung eine hohe Unsicherheit auf.
Durch eine Modifikation der Elektroden zusammen mit einem angepassten elektrischen Vornetzwerk wird hier eine Reduzierung der Symmetrie erreicht. Auf diese Weise wird die Sensitivität des Impedanzverlaufes auf die üblicherweise schwierig zu bestimmenden Materialparameter erhöht und die Ermittlung eines konsistenten Materialparametersatzes ermöglicht [3].