Numerische Berechnung der elektrischen Ausgangsspannung einer applizierten PVDF-Folie bei bekannter Krafteinwirkung und Vorhersage für weitere Belastungsfälle

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit untersucht die These, dass sich die Aufprallkraft von Wassertropfen auf einer Oberfläche mithilfe eines piezoelektrischen Sensors ermitteln lässt. Dazu wurde im Vorfeld (Bulur, 2015) eine Versuchsreihe für verschiedene Tropfenfallhöhen und Sensoranordnungen durchgeführt. Mithilfe der gemessenen Sensorausgangsspannungen und der piezoelektrischen Empfindlichkeit des Sensors wurde die Tropfenaufprallkraft bestimmt. Die vorliegende Arbeit untersucht zunächst den piezoelektrischen Effekt und insbesondere PVDF als Sensormaterial. Für weiterführende Parameterstudien wird in ANSYS Classic ein voll parametrisiertes Simulationsmodell des verwendeten PVDF-Sensors erstellt. Der Tropfenaufprall wird durch Vorgabe der experimentell ermittelten Tropfenkräfte simuliert und die Ausgangsspannung des Sensors berechnet. Der Einfluss der richtungsabhängigen piezoelektrischen Kraftkonstanten wird für verschiedene Sensoranordnungen und Substratprofile untersucht. In einer transienten Simulation können die Ergebnisse der Experimente in (Bulur, 2015) nicht bestätigt werden. Um die Ursache dafür zu ermitteln, wird der Vorgang des Tropfenaufpralls in zwei Experimenten, mithilfe eines Impulshammers und einer Hochgeschwindigkeitskamera weiter untersucht. Die Versuche kommen zu dem Ergebnis, dass die experimentell ermittelten Sensorausgangsspannungen in (Bulur, 2015) korrigiert werden müssen. Da die zeitlichen Verläufe der elektrischen Ausgangsspannung weiterhin nicht durch das Simulationsmodell des PVDF-Sensors bestätigt werden können, wird in einem weiteren Experiment der Einfluss der Tropfentemperatur auf das gemessene Sensorsignal als mögliche Fehlerquelle untersucht. Dieses Experiment führt zu dem Schluss, dass die experimentell ermittelte Sensorausgangsspannung nicht infolge des piezoelektrischen- sondern des pyroelektrischen Effekts gemessen wird. Dies wird durch eine näherungsweise Berechnung der theoretischen Tropfenaufprallkraft und den Vergleich mit der experimentell ermittelten Tropfenaufprallkraft bestätigt. Um den gemessene Verlauf der Sensorausgangsspannung in der Simulation genauer abzubilden wird das Modell um die Messstrecke erweitert. Abschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst und einige Vorschläge für weitere Untersuchungen gegeben.