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TU Berlin

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Oberflächenverfahren

Piezofolien-Sensorik

Die Piezofolien-Messtechnik basiert auf einer beidseitig metallisierten, dünnen, elastischen piezo-elektrischen Kunststoff-Folie (PVDF-Polyfinyliden Fluorid) mit diskreter Sensorstruktur, die auf den zu untersuchenden Strömungskörper appliziert wird und ohne störende Einwirkung auf die Strömung die Verteilung der lokalen, dynamischen Oberflächenkräfte auf einer Profilkontur erfasst. Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Einzelsensors. Die Ausarbeitung diskreter Sensoren erfolgt über einen Ätzprozess. Zur Erfassung kraftinduzierter Ladungsverschiebungen im aktiven Sensorbereich und deren Wandlung in spannungsproportionale Signale ist dem Sensor ein Ladungsverstärker nachgeschaltet.

Bild 1: Aufbau eines PVDF-Sensors (Prinzipskizze)
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Bild 2a zeigt ein Sensorarray auf einem Windkanal-Tragflügelmodell, Bild 2b eine Zusammenstellung der zeitabhängigen Messsignale von zwölf simultan betriebenen Piezosensoren aus einem Windkanalversuch. Deutlich wird eine Strömungsstörung (hier die laminar-turbulente Transition) beginnend mit Sensor 6 detektiert. Diese Strömungsstörung ist Folge einer wellenförmigen Instabilität der wandnahen Strömung.

Bild2: a) Piezofolien-Array auf einem gepfeilten Tragflügelmodell; b) Messsignale eines Piezofolien-Array in einer laminar-turbulenten Profilumströmung
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Bild 3: Sensorarray zur flächigen Vermessung des wandnahen Strömungsfeldes (142 Sensoren)
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Zur Erfassung der räumlichen Ausbreitung von Strömungsinstabilitäten kann ein flächiges Sensorarray zur Anwendung gebracht werden, Bild 3. In Bild 4 ist eine Momentaufnahme der Signalstärke der in Bild 3 farbig markierten Piezosensoren als Funktion der Tiefe und Spannweite gezeigt. Deutlich ist das Anwachsen der Instabilität in Tiefenrichtung zu erkennen.

Bild 4: Momentaufnahme einer wellenförmigen Strömungsstörung (Tollmien-Schlichting Welle mit f=200Hz, u=15m/s, l=26,5mm)
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Bild 5 zeigt ein im Nasenbereich eines Airbus A320-Seitenleitwerks appliziertes Piezofolien-Sensorarray mit 32 Sensoren sowie aufgezeichnete Zeitschriebe im Flugversuch.

Bild 5: Piezofolien-Array auf Airbus A-320 Seitenleitwerk und aufgezeichnete Zeitschriebe
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