Piezoelektrische Foliensensoren in der Strömungsmesstechnik

Piezoelektrische Werkstoffe eignen sich zur direkten Umsetzung von mechanischer in elektrische Energie und umgekehrt. Sie lassen sich sehr gut als Sensoren zur Erfassung dynamischer Größen wie Druckschwankungen, Schwingungen oder Lastwechsel über einen enormen Kraft- und Frequenzbereich einsetzen.

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In den sechziger Jahren konnte für bestimmte polarisierte Kunststoffe (z.B. PVDF) piezoelektrisches Verhalten, welches vorher nur von Kristallen und Keramiken bekannt war, nachgewiesen werden. Damit wurde es möglich, extrem dünne und flexible Folien (ab 9 µm) in fast beliebigen Abmessungen herzustellen und als Sensor z.B. für Kraftmessungen auf Oberflächen einzusetzen.

Die Analyse von Druck- und Temperaturschwankungen an umströmten Körperoberflächen ist ein ideales Einsatzgebiet für piezoelektrische Foliensensoren, da sie sich ohne störende Beeinflussung flächig auf dem zu untersuchenden Gegenstand (auch bei moderat 3D-gekrümmten Oberflächen) applizieren lassen.


Abb.1: Piezofolien-Sensorarray zur Strömungsanalyse auf einem Turbinenleitrad für BMW-Rolls-Royce in Dahlewitz bei Berlin

Abb. 2: Sensorarray im Freiflugversuch
für TU-Berlin Institutfür Luft- und Raumfahrt

Durch eine spezielle Strukturierung der Folienbeschichtung können komplexe Multi-Sensorarrays mit einer hohen Ortsauflösung hergestellt werden mit denen sich Strömungsfelder sowohl auf kleinen Triebwerksschaufeln (s. Abb.1) als auch großflächig an einem Flugzeugtragflügel (s. Abb.2 u. 3) auf ihr theoretisch erwartetes Verhalten überprüfen lassen.

Die sehr geringe Sensormasse und die einfache Klebemontage sind gute Voraussetzungen für einen Einsatz auf schnell rotierenden Maschinenteilen. Aufgrund der hohen Widerstandskraft gegenüber vielen Chemikalien können goldbeschichtete Piezofolien auch in aggressiven flüssigen oder gasförmigen Strömungsmedien eingesetzt werden.

Abb. 3: Flächige Druckschwankungsverteilung durch Grenzschichttransition


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