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Sensorik zur Erfassung von statischen und dynamischen Auslenkungen eines piezoelektrischen Biegeaktors in flüssigen Medien

Eggert, Eric :
Sensorik zur Erfassung von statischen und dynamischen Auslenkungen eines piezoelektrischen Biegeaktors in flüssigen Medien.
Technische Universität Darmstadt
[Haus-, Projekt- oder Studienarbeit], (2006)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Sensorik, basierend auf dem resistiven Sensorprinzip, zur Erfassung der Auslenkung eines piezoelektrischen Biegeaktors im flüssigen Medium Wasser. Für deren Realisierung kommen Dehnungsmessstreifen zum Einsatz, die auf dem Biegeaktor appliziert und in einer Halbbrücke verschaltet sind.

Da das Verhalten eines in einer Durchflussmessstrecke eingebauten und angeströmten piezoelektrischen Biegeaktors nicht bekannt ist, wird eine analytische Beschreibung der Auslenkung und des Dehnungsverlaufes erstellt. Aus dieser Beschreibung geht hervor, dass mit Auslenkungen des Biegeaktors bis zu 5µm bei einem Durchfluss von 1000l/h gerechnet werden kann.

Mit den daraus gewonnenen Erkenntnissen sowie den Projektanforderungen, wie z.B. beschränkte Größe und kostengünstige Fertigung, wird das resistive Sensorprinzip nach einer Betrachtung von drei Sensorprinzipien ausgewählt und realisiert.

Für den Einsatz in der Durchflussmessstrecke wird ein Strömungskanal mit einer dazu passenden Einspannung für den Biegeaktor entworfen und gefertigt. Mit einer passenden Schnittstelle lässt sich dieser an beliebige Rohrquerschnitte anpassen.

Der aufgebaute Sensor wird im Labor bezüglich seines statischen und dynamischen Übertragungsverhaltens charakterisiert. Dabei werden ein geringer Linearitätsfehler von 0,44% und ein Hysterresefehler von 8,04% ermittelt, der allerdings auf die Hysterese der Piezokeramik zurückzuführen ist. Außerdem wird der Einfluss einzelner Fertigungsschritte, wie z.B. die Applizierung der DMS oder deren Kontaktierung auf das Verhalten des Aktors mittels Kraft-Weg-Kennlinien währen des Aufbaus dargestellt. Es kann gezeigt werden, dass der maximale Ausschlag bei gleicher Aktoransteuererung um über 50% zurückgeht.

In seinem Einsatzgebiet, der Durchflussmessstrecke, wird das tatsächliche Verhalten des Sensors gezeigt. Dabei stellt sich heraus, dass kein linearer Zusammenhang zwischen Durchfluss und Sensorausgangssignal existiert. Weiterhin ist nur die statische Messwertaufnahme möglich. Dynamische Auslenkungen, hervorgerufen durch sich ablösende Wirbel, werden nicht beobachtet. Mit Hilfe der gewonnenen Messwerte wird abschließend ein Vergleich zwischen der theoretischen Betrachtung und des praktischen Verhaltens angestellt. Dabei ergeben sich Abweichungen um die Faktoren 10-23. Die Abweichungen werden diskutiert und deren Gründe eingegrenzt.

Prinzipiell wird die Funktionsfähigkeit des Sensors auf der Basis von DMS bestätigt und bildet somit eine Grundlage für die weitere Forschung.

Typ des Eintrags: Haus-, Projekt- oder Studienarbeit
Erschienen: 2006
Autor(en): Eggert, Eric
Titel: Sensorik zur Erfassung von statischen und dynamischen Auslenkungen eines piezoelektrischen Biegeaktors in flüssigen Medien
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Sensorik, basierend auf dem resistiven Sensorprinzip, zur Erfassung der Auslenkung eines piezoelektrischen Biegeaktors im flüssigen Medium Wasser. Für deren Realisierung kommen Dehnungsmessstreifen zum Einsatz, die auf dem Biegeaktor appliziert und in einer Halbbrücke verschaltet sind.

Da das Verhalten eines in einer Durchflussmessstrecke eingebauten und angeströmten piezoelektrischen Biegeaktors nicht bekannt ist, wird eine analytische Beschreibung der Auslenkung und des Dehnungsverlaufes erstellt. Aus dieser Beschreibung geht hervor, dass mit Auslenkungen des Biegeaktors bis zu 5µm bei einem Durchfluss von 1000l/h gerechnet werden kann.

Mit den daraus gewonnenen Erkenntnissen sowie den Projektanforderungen, wie z.B. beschränkte Größe und kostengünstige Fertigung, wird das resistive Sensorprinzip nach einer Betrachtung von drei Sensorprinzipien ausgewählt und realisiert.

Für den Einsatz in der Durchflussmessstrecke wird ein Strömungskanal mit einer dazu passenden Einspannung für den Biegeaktor entworfen und gefertigt. Mit einer passenden Schnittstelle lässt sich dieser an beliebige Rohrquerschnitte anpassen.

Der aufgebaute Sensor wird im Labor bezüglich seines statischen und dynamischen Übertragungsverhaltens charakterisiert. Dabei werden ein geringer Linearitätsfehler von 0,44% und ein Hysterresefehler von 8,04% ermittelt, der allerdings auf die Hysterese der Piezokeramik zurückzuführen ist. Außerdem wird der Einfluss einzelner Fertigungsschritte, wie z.B. die Applizierung der DMS oder deren Kontaktierung auf das Verhalten des Aktors mittels Kraft-Weg-Kennlinien währen des Aufbaus dargestellt. Es kann gezeigt werden, dass der maximale Ausschlag bei gleicher Aktoransteuererung um über 50% zurückgeht.

In seinem Einsatzgebiet, der Durchflussmessstrecke, wird das tatsächliche Verhalten des Sensors gezeigt. Dabei stellt sich heraus, dass kein linearer Zusammenhang zwischen Durchfluss und Sensorausgangssignal existiert. Weiterhin ist nur die statische Messwertaufnahme möglich. Dynamische Auslenkungen, hervorgerufen durch sich ablösende Wirbel, werden nicht beobachtet. Mit Hilfe der gewonnenen Messwerte wird abschließend ein Vergleich zwischen der theoretischen Betrachtung und des praktischen Verhaltens angestellt. Dabei ergeben sich Abweichungen um die Faktoren 10-23. Die Abweichungen werden diskutiert und deren Gründe eingegrenzt.

Prinzipiell wird die Funktionsfähigkeit des Sensors auf der Basis von DMS bestätigt und bildet somit eine Grundlage für die weitere Forschung.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Biegeaktor piezoelektrisch (PZT), Durchflusssensor piezoelektrisch, Durchflusssensor piezoresistiv
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mess- und Sensortechnik
Hinterlegungsdatum: 31 Aug 2011 10:16
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKS 1601

Art der Arbeit: Studienarbeit

Beginn Datum: 14-11-2005

Ende Datum: 26-04-2006

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKS 1601
Gutachter / Prüfer: Nuber, Dipl.-Wirt Michael ; Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
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