PiPod: Piezoelektrischer Positionsdetektor
Projektleiter: Marcel Ehrhardt
Projektnummer: 49MF210176
Laufzeit: 01.03.2022 – 31.08.2024
Aufgabenstellung
Ziel des Projektes war es, einen faserförmigen piezoelektrischen Sensor mit einem koaxialen Aufbau zu entwickeln, der unabhängig von der Faserlänge den genauen Ort einer impulsförmigen Anregung bestimmen kann. Die Faser ist dabei so gestaltet, dass sie einem Zylinderkondensator ähnelt. Wird an einer bestimmten Stelle der Faser ein Impuls appliziert, bewirkt der piezoelektrische Effekt, dass in der dielektrischen Funktionsschicht Ladungen erzeugt werden. Dadurch spalten sich zwei sogenannte Teilkondensatoren auf, deren Längen und Kapazitäten durch die Position der Anregung variieren. Diese Unterschiede in den Lade- und Entladevorgängen wurden anschließend mittels Oszilloskop analysiert, was eine präzise Lokalisierung des Auslösers ermöglichte.
Ergebnisse
Im Rahmen des Projekts wurde ein innovativer, faserförmiger piezoelektrischer Sensor entwickelt, der durch seinen koaxialen Aufbau aus Innenleiter, dielektrischer Funktionsschicht und Außenleiter in der Lage ist, den exakten Ort einer impulsförmigen mechanischen Anregung entlang der Faser präzise zu identifizieren.
Besonderes Augenmerk lag auf mehreren Zielparametern. Dazu gehörte, die fehlerfreie Herstellung der piezoelektrischen Funktionsfasern mittels Bi- oder Trikomponentenschmelzspinntechnologie zu realisieren und Filamente mit einer Maximallänge von 4 m zu polarisieren. Durch die Anwendung einer Polarisierungsspannung von 8 kV über 60 Sekunden konnten Sensoren hergestellt werden, die eine Positionsmessgenauigkeit von ± 5 mm für punktuelle Anregungen aufweisen und zudem Impulse mit einer minimalen zeitlichen Differenz von 0,1 s unterscheiden. Für den praktischen Einsatz in Applikationen wie Textilien oder Faserverbundwerkstoffen wurden darüber hinaus Zielparameter von ± 15 mm Genauigkeit und einer Unterscheidbarkeit zweier Anregungen mit mindestens 0,5 s zeitlicher Differenz definiert.
Die Sensorfasern lieferten nicht nur im Labor, sondern auch in realen Applikationen überzeugende Ergebnisse. In Textilien gelang es, die Sensoren mittels Stickerei zu integrieren, wobei sie auch mehrfachen Waschzyklen bei 40 °C ohne Funktionsverlust standhielten. In Faserverbundwerkstoffen wurde durch die Entwicklung eines neuartigen Kontaktierungsverfahrens (Flachkontakt) sowie durch zusätzliche Schutzmaßnahmen, wie Einsatz eines Schrumpfschlauchs, sichergestellt, dass die Sensoren auch bei anspruchsvollen Herstellungsprozessen zuverlässig arbeiten und eine Positionsmessgenauigkeit von ± 15 mm erreichen.
Anwendung
Der ortsauflösende piezoelektrische Sensor bietet innovative Ansätze in vielfältigen Anwendungsbereichen. In der Stoßsensorik ermöglicht er die exakte Lokalisierung von Aufprallstellen, sodass Sicherheitssysteme, wie etwa Airbags, noch schneller und präziser aktiviert werden können. In Smart Textiles kann seine Integration in Gewebe die Echtzeiterfassung von Druckverteilungen und Bewegungen unterstützen – von der Überwachung sportlicher Aktivitäten bis zu interaktiven Bekleidungssystemen in der Rehabilitation. Im Bereich Structural Health Monitoring kann der Sensor dazu eingesetzt werden, kleinste Risse und Materialermüdungen in Bauwerken oder Verbundwerkstoffen frühzeitig zu erkennen, wodurch präventive Wartungsmaßnahmen ermöglicht werden.
