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Self-Sensing mit piezoelektrischen Biegewandlern

Self-Sensing mit piezoelektrischen Biegewandlern

Led by:  Dr.-Ing. Sebastian Tatzko
E-Mail:  mailto:tatzko@ids.uni-hannover.de
Year:  2019

Unter Self-Sensing versteht man die simultane Nutzung eines aktiven Materials als Aktor und Sensor. Aufgrund ihres hervorragenden bidirektionalen Übertragungsverhaltens eignen sich vor allem piezoelektrische Materialien hierür. Self-Sensing mit piezoelektrischen Wandlern ist besonders geeignet für Systeme mit hoher Aktordichte oder begrenztem Bauraum, bei denen die Aktoren definierte Auslenkungen stellen müssen. Beispiele hierfür sind mikroskalige Systeme, biomimetische Systeme, mikrochirurgische Werkzeuge oder taktile Displays.

Die häufigsten Self-Sensing-Ansätze basieren auf der Analyse der elektrischen Eingangsspannung und des Eingangsstroms. In diesem Fall werden relevante Zustandsgrößen wie z.B. die Aktorauslenkung aus den elektrischen Betriebsgrößen in externen Schaltkreisen ermittelt. Am IDS wurde ein neuartiges Self-Sensing-Konzept für piezoelektrische Biegewandler entwickelt. Dieses Konzept ermöglicht die Bestimmung aller Zustandsgrößen eines breitbandig betriebenen Biegeaktors, der gegen eine unbekannte mechanische Last arbeitet. Bei diesem Konzept werden die Elektroden des Aktors segmentiert, um zusätzliche Informationen über die Ladungsverteilung im piezoelektrischen Material zu erhalten und daraus modellbasiert auf die Schwingungsform des belasteten Biegewandlers schließen zu können. Erforderlich sind mindestens zwei Segmente, um die unbekannten mechanischen Größen berechnen zu können. Eine weitere Erhöhung der Segmentanzahl verringert den Modellierungsaufwand, erhöht aber gleichzeitig den Aufwand für die Messung der elektrischen Klemmgrößen. Unterschiedliche Elektrodengeometrien zur Vereinfachung der Kontaktierung und zur Optimierung des Self-Sensing-Ergebnisses sind ebenfalls realisierbar. Abschließend ist hervorzuheben, dass das Aktorvolumen und das Aktorverhalten durch das Konzept nicht verändert wird.