DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Dünner, flexibler Sender-Empfänger auf PZT-Basis für Acousto-Ultrasonic- und niederfrequente Ultraschall-Anwendungen

A.J. Brunner, M. Barbezat, Ch. Huber, X. Kornmann,
Adresse seit 01.05.2004: ABB Schweiz AG, Corporate Research, CH-5405 Baden Dättwil, Schweiz
Abteilung Kunststoffe/Composites, EMPA, CH-8600 Dübendorf, Schweiz

Kontakt: Dr. Andreas J. Brunner

Unidirektionale, aktive Faserverbunde wurden an der Abteilung Kunststoffe/ Composites der EMPA aus kommerziell erhältlichen, piezoelektrischen Fasern (Blei Zirkonat-Titanat) hergestellt und werden nun einerseits als Aktuatoren/Sender und andererseits als Empfänger optimiert. Die Charakterisierung mit unterschiedlichen Verfahren zeigt, dass diese planaren, dünnen Faserverbundelemente (Dicke ca. 300 Mikrometer) sich als flexible Sender und Empfänger im niederfrequenten Ultraschallbereich (bis einige Hundert Kilohertz) eignen. Mögliche Anwendungen schliessen somit Acousto-Ultrasonic- sowie Schallemissionsprüfungen ein.

Einleitung

Aktive Faser-Verbundelemente (so genannte Active Fiber Composites, AFC) mit piezoelektrischen Fasern aus Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik (PZT) wurden ursprünglich von Bent und Hagood [1] entwickelt. Die AFC bestehen aus parallel ausgerichteten PZT-Fasern, eingebettet zwischen zwei Folien mit je zwei fingerförmig angeordneten Elektroden. Die Piezofasern werden nach der Herstellung des Verbunds entlang der Faserrichtung (d33) elektrisch polarisiert. Die ca. 300 µm dicken, planaren AFC eignen sich sowohl für die Integration in Faserverbunde, als auch für die Applikation auf Strukturober- oder -innenflächen. Dank der Faserverbundbauweise verfügen die AFC über eine gewisse Biegsamkeit normal und auch senkrecht zur Richtung der PZT-Fasern. Mögliche Anwendungen solcher Elemente sind Lecknachweis in Rohrleitungen, Acousto-Ultrasonic-Prüfung sowie Schallemissionsüberwachung.

Sensoreigenschaften der AFC

Der Nachweis, dass sich AFC als Empfänger im niederfrequenten Ultraschallbereich, d.h. ab etwa 30 kHz bis einige Hundert Kilohertz eignen, wird hier mit Verfahren geführt, die im Schallemissionsprüfverfahren (SEP) und der Acousto-Ultrasonic-(AU)- Prüfung angewandt werden. Der Bezug zu den Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen mit polymerer Matrix entsteht durch die Wahl der Testmaterialien.

Figur 1 zeigt Wellenformen und entsprechende Frequenzspektren von Signalen, die mit breitbandigen Hsu-Nielsen-Quellen (Bleistiftminenbrüchen) auf einer Plexiglasplatte (Polymethyl-Methacrylat, PMMA) erzeugt und mit einem AFC aufgenommen wurden. Die Signale wurden mit einem Schallemissionsgerät (AMS-3 von Vallen Systeme GmbH) mit integriertem Transientenrecorder über Vorverstärker mit 34 dB Verstärkung und einen A/D-Wandler (beide mit Frequenzbandfilter zwischen 30 kHz und 1'000 kHz) digital aufgezeichnet. Die Schwelle für die Aufzeichnung der Signale wurde auf 40 dBAE gelegt, die Berechnung der Frequenzspektren erfolgte mit einer im Analyseprogramm (VisualTR®) verfügbaren Fourier-Transformationsroutine (FFT).

Fig 1: Wellenformen und entsprechende Frequenzspektren (Bereich 30 bis 300 kHz) von Hsu-Nielsen-Quellen (Bleistiftminenbrüchen) auf einer PMMA-Platte, aufgezeichnet mit AFC (Faserlänge ca. 31 mm) in 10 cm und 20 cm Abstand vom Zentrum des AFC, links parallel, rechts senkrecht zur Orientierung der PZT-Fasern.

Die Wellenformen der Hsu-Nielsen-Quellen auf der PMMA-Platte zeigen mit zunehmender Distanz vom Quellenort abnehmende Amplituden (Figur 1). Mit zunehmender Distanz werden zudem höherfrequente Anteile stärker geschwächt (Figur 2). Aus dem Vergleich der Frequenzspektren in Figur 1 und 2 wird deutlich, dass die AFC ihre höchste Empfindlichkeit im Frequenzbereich um 50 kHz haben, der Bereich unterhalb 30 kHz wird in beiden Figuren durch die Frequenzfilter eliminiert. Damit werden die AFC vergleichbar zu niederfrequenten Schallemissionsaufnehmern, die z.B. für Lecksuche verwendet werden.


Fig 2: Frequenzspektren (Bereich 0 bis 300 kHz) von Hsu-Nielsen-Quellen (Bleistiftminenbrüchen) auf einer PMMA-Platte aufgezeichnet mit Schallemissionsaufnehmer (Typ SE1000-H von DECI, gleichmässige Empfindlichkeit zwischen 30 und 270 kHz) in 10, 20, 30 und 40 cm Abstand vom Zentrum des Aufnehmers.

Emittereigenschaften der AFC

Werden die AFC mit transienten Spannungspulsen (z.B. der Autokalibrationsfunktion des Schallemissionsgeräts, typische Spannung 60 V, typische Dauer ca. 1 µs) angeregt, können bei akustischer Kopplung an ein Testmaterial darin transiente mechanische Schwingungen angeregt werden, die sich dann im Material ausbreiten. Figur 3 zeigt Wellenformen und entsprechende Frequenzspektren von Signalen, die mittels Autokalibrationsfunktion (AMS-3 Gerät, Amplituden-Wahlschalter auf Maximum, Signaldauer-Wahlschalter auf Minimum) und einem auf eine PMMA-Platte gekoppelten AFC erzeugt und mit einem Schallemissionsaufnehmer (Typ SE1000-H von DECI) mit zwischen ca. 30 und 270 kHz gleichmässiger Signalempfindlichkeit in bestimmten Abständen vom Zentrum des AFC aufgenommen wurden. Die Schwelle für die Aufzeichnung der Signale wurde auf 31 dBAE gelegt. Die Signalamplituden nehmen mit der Distanz vom AFC wie erwartet ab. Die Frequenzspektren zeigen für die Richtung senkrecht zu den PZT-Fasern (im Vergleich zu jenen parallel zu den Piezofasern) deutlich geringere Anteile bei Frequenzen oberhalb etwa 100 kHz. Dies deutet auf eine Anisotropie der Emissivität der AFC bei höheren Frequenzen hin. Eine analoge Anisotropie der Empfindlichkeit der AFC ist ebenfalls beobachtet worden [3].

Fig 3: Wellenformen und Frequenzspektren von Autokalibrationssignalen (Spannungspulsen, ca. 60 V und 1 µs Dauer) eines AFC (Faserlänge ca. 31 mm) auf einer PMMA-Platte, aufgezeichnet mit einem Schallemissionsaufnehmer (Typ SE1000-H von DECI) in 10 und 20 cm Abstand vom Zentrum des AFC, links parallel, rechts senkrecht zur Orientierung der PZT-Fasern.

Anwendungsorientierte Optimierung

Beim Entwurf, der Herstellung bzw. der Applikation der AFC können einige Parameter variiert werden. Im folgenden Abschnitt wird der Einfluss ausgewählter Entwurfs- und Applikationsparameter auf die Eigenschaften der AFC, speziell auf die Signalempfindlichkeit und Emissivität bei Anregung mittels kurzzeitigen Spannungspulsen diskutiert. Damit können unter Umständen diese Eigenschaften für bestimmte, spezielle Anwendungen optimiert werden.

In einer ersten Versuchsreihe wurde der Elektrodenabstand der AFC zwischen 0.7 und 1.3 mm variiert, die Elektrodenbreite betrug nominell 200 µm und lag effektiv zwischen 200 und etwa 250 µm. Während Messungen der Aktuatoreigenschaft dieser AFC zeigten, dass mit zunehmendem Elektrodenabstand die so genannte "freie" Dehnung des Elements zunahm, dies vermutlich wegen dem homogeneren elektrischen Feld [2], ergab sich kein signifikanter Unterschied in der Signalempfindlichkeit, die mit Hsu-Nielsen-Quellen bestimmt wurde (Figur 4). Analog dazu wurde auch keine signifikante Änderung der mit Autokalibrationspulsen bestimmten Emissivität festgestellt (hier nicht dargestellt). Dies hängt wahrscheinlich damit zusammen, dass diese Eigenschaften auf dem praktisch linearen Teil der Hysteresekurve (freie Dehnung in Funktion der angelegten Spannung bzw. erzeugte Spannung bei mechanisch bewirkter Längenänderung, [2]) basieren und die unterschiedlichen Elektrodenabständen sich erst im nicht-linearen Teil der Kurven signifikant bemerkbar machen.


Fig 4: Maximale Signalamplituden von Hsu-Nielsen-Quellen (Bleistiftminenbrüchen) auf einer PMMA-Platte in Funktion des Abstands von der Quelle, aufgezeichnet mit drei Typen von AFC mit unterschiedlichem Elektrodenabstand, a) 0.7 mm (Dreiecke), b) 0.9 mm (Kreise), c) 1.3 mm (Quadrate), die gefüllten Symbole gelten für die Richtung parallel, die offenen Symbole senkrecht zur Orientierung der PZT-Fasern.

Interessanter ist die Frage, ob die Signalempfindlichkeit bzw. Emissivität der AFC in bestimmte Frequenzbereiche gelegt werden kann. Die bisher diskutierten AFC weisen höchste Signalempfindlichkeit und Emissivität bei etwa 50 bis 52 kHz auf (siehe Figuren 1 und 2). Dies gilt auch für die AFC mit unterschiedlichem Elektrodenabstand, sofern die Piezomasse, die aktive Fläche (Länge x Breite) und die Anordnung der PZT-Fasern und deren Länge (ca. 31 mm) nicht verändert werden (Messdaten hier nicht gezeigt).

Figur 5 zeigt die Frequenzspektren der mit Hsu-Nielsen-Quellen analog zu Figur 1 auf der PMMA-Platte erzeugten Signale für einen zweiten Typ AFC, bei dem der Elektrodenabstand 0.9 mm und die Breite der aktiven Fläche (20 mm) beibehalten, die Faserlänge aber auf etwa 45 mm erhöht wurde. Diese Frequenzspektren deuten auf eine Verschiebung der Bereiche höchster Signalempfindlichkeit bzw. Emissivität zu niedrigeren Frequenzen (ca. 30 kHz) hin. Analog dazu verschieben sich diese Bereiche zu höheren Frequenzen, sofern die Faserlänge der AFC im Vergleich zum Referenztyp (ca. 31 mm) kürzer wird. Mit einer Faserlänge von ca. 6-7 mm wurden bei einem Elektrodenabstand von 0.9 mm Bereiche höchster Signalempfindlichkeit bzw. Emissivität bis ca. 280 kHz erreicht (hier nicht dargestellt). Durch entsprechende Wahl der Faserlänge können AFC mit einer zwischen ca. 30 und 280 kHz frei wählbaren Signalempfindlichkeit bzw. Emissivität hergestellt werden. Dies ermöglicht im Prinzip frequenz-selektive Acousto-Ultrasonic-Prüfungen, sofern zwei AFC als Sender-Empfänger-Paar benutzt werden.

Fig 5: Frequenzspektren von Hsu-Nielsen-Quellen (Bleistiftminenbrüchen) auf einer PMMA-Platte, aufgezeichnet mit AFC (Faserlänge ca. 45 mm) in 10, 20, 30 und 40 cm Abstand vom Zentrum des AFC, parallel zur Orientierung der PZT-Fasern.

Natürlich spielen Art und Qualität der akustischen Kopplung zwischen AFC und Testmaterial ebenfalls eine wichtige Rolle. Ein Vergleich zwischen "reversibler" Applikation der AFC mittels Klebband und silikonfreiem Vakuum-Schlifffett als Koppelmittel, und permanenter Verklebung mittels Zwei-Komponentenkleber (z.B. Araldit(r)) auf PMMA- und glasfaser-verstärkten Kunststoff-Platten zeigte, dass letztere Methode zu höherer Empfindlichkeit bzw. Emissivität führte [3]. Mit den Klebverbindungen vergleichbare Kopplung wurde auch bei Integration der AFC in glasfaser-verstärkte Laminate erzielt [4].

Dank dem einlagigen Aufbau der AFC mit den PZT-Fasern in der Mittelebene ergibt sich eine gewisse Biegsamkeit bzw. Nachgiebigkeit der Elemente. Die dünnen Piezofasern (Ø etwa 250 µm) lassen sich einzeln und im Verbund auch in Längsrichtung in gewissem Mass verbiegen. AFC mit Faserlänge von ca. 31 mm wurden reversibel auf PMMA-Rundstäbe mit einem Durchmesser von 66 mm appliziert, wobei die PZT-Fasern ein Mal parallel und ein Mal senkrecht zur Achse des Rundstabs orientiert wurden. In beiden Anordnungen wurden simulierte Signale aufgezeichnet und eine nachfolgende Überprüfung der AFC ergab keinen Hinweis darauf, dass die (kurzzeitige) Biegung bei dieser Applikation Veränderungen der Eigenschaften der AFC bewirkt hatte.

Zusammenfasssung und Ausblick

Es wurde gezeigt, dass AFC, die ursprünglich als Aktuatoren [1] für adaptive Laminatstrukturen entwickelt wurden, sich sowohl als Empfänger wie auch als Sender für Strukturwellen im niederfrequenten Ultraschallbereich (ca. 20 kHz bis 280 kHz) eignen, wenn sie akustisch an Prüfobjekte gekoppelt werden, wie an Testplatten aus Kunststoff oder faserverstärkten Verbundwerkstoffen mit polymerer Matrix gezeigt wurde.
Der Frequenzbereich höchster Empfindlichkeit und Emissivität der AFC konnte zwischen etwa 20 und 280 kHz variiert werden. Die Breite dieses Frequenzbereichs, bestimmt aus den Frequenzspektren der Hsu-Nielsen-Quellen (Bleistiftminenbrüche), betrug dabei zwischen 10 und 20 kHz.
Der Aufbau der AFC verleiht den Elementen eine gewisse Biegsamkeit oder Nachgiebigkeit. Daher konnten AFC mit Faserlänge von ca. 31 mm im Gegensatz zu Empfängern oder Sendern aus dünnen piezoekeramischen Plättchen direkt auf gekrümmte oder gewölbte Oberflächen appliziert werden. Der minimal mögliche Krümmungsradius beträgt etwa 40 mm. Da AFC mit Faserlängen zwischen 30 und 45 mm ihre höchste Empfindlichkeit zwischen 30 und 50 kHz aufweisen, wären sie für Lecksuche oder permanente Leckage-Überwachung in Rohrleitungen mit Durchmessern ab etwa 70 mm geeignet.
Die Doppelfunktion als Empfänger und Sender ermöglicht es, AFC analog zu Schallemissionsaufnehmern oder niederfrequenten Ultraschall-Wandlern für Acousto-Ultrasonic-Prüfungen einzusetzen. Selbstverständlich kann auch hier der Frequenzbereich an die Anwendung bzw. das zu prüfende Material angepasst werden. Die Anregung kann mit kurzzeitigen, elektrischen Spannungspulsen erfolgen. Die Aktuatorfunktion der AFC kann im Prinzip auch zur Anregung von Resonanzen in Faserverbundstrukturen genutzt werden.
Durch Integration der AFC in Faserverbunde oder durch Klebung der AFC auf Oberoder Innenflächen von Faserverbundstrukturen (auch mit Wölbungen) erscheinen sowohl permanente, passive Strukturüberwachung mittels SE-Analyse, als auch periodische, aktive AU-Prüfung im Betrieb machbar.

Dank

Die Unterstützung von Frau B. Schechinger (Institut für Baustatik und Konstruktion, ETH Zürich) bei der Charakterisierung der auf PMMA-Rundstäbe applizierten AFC sowie von Herrn M. Heusser und Herrn K. Ruf (Abteilung Kunststoffe/Composites, EMPA) für Messvorrichtungen wird herzlich verdankt.

Referenzen

  1. A. Bent, N.W. Hagood, "Piezoelectric fiber composites with interdigitated electrodes", J. Intell. Mater. Syst. Struct. 8, No. 11, 903-909 (1997).
  2. X. Kornmann, C. Huber, M. Barbezat, A.J. Brunner, "Active Fiber Composites: Sensors and Actuators for Smart Composites & Structures", Proceedings 11th European Conference on Composite Materials, ECCM-11 (im Druck, 2004)
  3. M. Barbezat, A.J. Brunner, P. Flüeler, Ch. Huber, X. Kornmann, "Acoustic emission sensor properties of active fiber composite elements compared with commercial acoustic emission sensors", Sensors & Actuators A: Physical (im Druck, 2004)
  4. M. Barbezat, A.J. Brunner, Ch. Huber, M. Melnykowycz, X. Kornmann, P. Flüeler, "Integrated Active Fiber Composites Elements for Structural Health Monitoring in Glass Fibre Reinforced Laminates", Proceedings 2nd International Conference on High Performance Structures and Materials, HPSM2004 (im Druck, 2004).

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