Anwendungsbeispiele

Sensorik (Abb. 1a+b)

• Kombiniert man den piezoelektrischen Sensor mit einer Regelung, kann man beispielsweise in der Schwingungsdämpfung sehr gute Ergebnisse erzielen. Das Sensorsignal steuert dann eine Dämpfung (extern).
• DuraAct™ Flächenwandler können im Bereich der Strukturüberwachung, auch bekannt als „Structural Health Monitoring“ (SHM) eingesetzt werden. Hier wird die funktionale und strukturelle Integrität durch die Struktur selbst, bzw. in die Struktur eingebettete Module erfasst.
• DuraAct™ Flächenwandler sind ausgezeichnet geeignet für schnelle Schaltanwendungen. Die Hysterese der Piezoauslenkung ist in diesem Fall nebensächlich.

Aktorik (Abb. 2)

Durch die hohe Bandbreite der DuraAct™ Flächenwandler bis in den Kilohertzbereich eignen sie sich zusammen mit geeigneter Elektronik (z.B. E-413.D2 von PI) als hochdynamische präzise Stellelemente mit Sub-Mikrometergenauigkeit.

Schaden-Strukturüberwachung (SHM) (Abb. 3)

Ganze Bauteilbereiche lassen sich aktiv überwachen, indem beispielsweise ein Feld von mehreren Modulen verteilt auf einer Oberfläche aufgebracht wird. Die Struktur kann – in Erweiterung der rein sensorischen Anwendung – auch aktiv überwacht werden, indem ein Teil derWandler als Aktor wirkt, während andere Module als Sensor diese selbst erzeugten Wellen aufnehmen. Störungen innerhalb des Strukturmaterials, wie zum Beispiel Mikrorisse, werden durch den Vergleich mit Referenzsignalen des ungeschädigten Systems erkannt.

Selbstanpassende Systeme kombinieren Sensorik und Aktorik

• Aktive Schwingungsdämpfung: Hier arbeitet der DuraAct™ Flächenwandler sowohl als hochpräziser Sensor als auch als leistungsstarker Aktor und detektiert und dämpft die Schwingungen wie sie unerwünscht z.B. bei rotierenden Bauteilen auftreten. Das DuraAct™ Sensorsignal kann dabei auch phasenverschoben als Spannungsversorgung desselben DuraAct™ Moduls verwendet werden. Mehrschichtige Keramikaufbauten ermöglichen höhere Effizienz.
• Form-Stabilisierung: Die Sensorfunktionalität ermöglicht die Erkennung einer Verformung, die Ansteuerung als Aktor wirkt ihr entgegen. Die Konturverformung ist dabei hochpräzise bis in den Sub-Mikrometerbereich.

Adaptronik

Für den Einsatz in adaptiven Strukturen ist die sensorische und aktorische Verwendbarkeit der DuraActTM Flächenwandler ein wichtiges Merkmal. Diese intelligenten Bauteile reagieren auf wechselnde Betriebs- und Umgebungsbedingungen wie Stoß, Biegung oder Druck. Insbesondere werden adaptive Bauelemente zur Schwingungskontrolle im Fahrzeugbau und zunehmend auch im Maschinenbau eingesetzt.

Energieerzeugung – Energy Harvesting (Abb. 4)

• DuraAct™ Flächenwandler dienen als Energieerzeuger für elektronische Bauelemente mit geringem Energiebedarf, sowohl für aktive Elemente wie beispielsweise Sensoren, als auch für passive Bauelemente. Damit sind energieautarke Systeme entwickelbar. Ein Spezialgebiet der Strukturüberwachung (SHM) ist das „Wireless Health Monitoring“. Hier wird der DuraAct™ Flächenwandler als Sensor zur Deformationskontrolle eingesetzt und kann zusätzlich noch die Energieversorgung für einen Sender zur Fernüberwachung von Werkstoffen liefern.
• DuraAct™ Flächenwandler können als Energieerzeuger bestehende Lösungen zur Energieversorgung ersetzen.

Abb. 1a: Dies ist die klassische Anwendung des direkten piezoelektrischen Effekts. Kleinste Verformungen des Substrats verursachen eine Bewegung des DuraAct™ Flächenwandlers und erzeugen ein elektrisches Signal, das der Auslenkung proportional ist. Damit können präzise und hochdynamisch Deformationen festgestellt werden, die beispielsweise durch Biegeoder Druckbeanspruchungen hervorgerufen werden.


Abb. 1b: Dasselbe Prinzip kann auch auf ein Feld mehrerer Module angewendet werden.


Abb. 2: Die Aktorik macht sich den inversen piezoelektrischen Effekt zunutze: Der DuraAct™ Flächenwandler kontrahiert beim Anlegen einer elektrischen Spannung. Durch die Aufbringung auf ein Substrat arbeitet der Piezoaktor hier als Biegewandler.


Abb. 3: Ein Beispiel zum Aufbau eines Health Monitoring Systems: Ein DuraAct™ Flächenwandler wird von einem elektronischen Verstärker angesteuert (aktorische Funktion) und regt Schwingungen im Substrat an. Ein Feld weiterer Wandler überträgt die Signale an eine Kontrollelektronik. Der Vergleich mit Referenzsignalen des ungeschädigten Systems erlaubt dann Rückschlüsse auf den Zustand des Substrats.


Abb. 4: Die Fähigkeit der DuraActTM Wandler, die aufgenommene mechanische Energie in elektrische Spannung umzusetzen, macht sie auch ideal geeignet zur Spannungsversorgung für elektronische Bauteile und ermöglicht so den Aufbau energieautarker Systeme.