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bessere
keramiken für bessere bilder aus dem menschlichen körper |
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Neue
Nachwuchsforschergruppe „Inverse Probleme in der Piezoelektrizität“
Bessere Keramiken für bessere Bilder aus dem menschlichen
Körper
Die Medizinische Ultraschallbildgebung ist eines der wichtigsten modernen
Diagnoseverfahren. Das Herzstück der Ultraschallgeräte bilden
piezoelektrische Wandler, die mechanische in elektrische Signale umwandeln
und umgekehrt. Die Eigenschaften der dabei verwendeten Keramiken konnten
bisher nicht mit der erforderlichen Genauigkeit bestimmt werden. Zu
diesem hochaktuellen Thema ist am Lehrstuhl
für Sensorik der Universität Erlangen-Nürnberg
eine Nachwuchsforschergruppe unter der Leitung von Dr. Barbara Kaltenbacher
eingerichtet worden. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert
die interdisziplinäre Projektgruppe seit März 2003. Vier
Jahre lang soll das dreiköpfige Team an der Thematik arbeiten.
Die Verteilung von positiven und negativen Ladungen
und die räumliche Anordnung der Moleküle sind in piezoelektrischen
Materialien derart gekoppelt, dass das eine nicht verändert
werden kann, ohne das andere „mitzuziehen“. Beim Anlegen
einer elektrischen Spannung ändern die Kristallgitter ihre
Form, unter mechanischer Belastung bauen sie eine elektrische Spannung
auf. Der Einsatz in der Mikrosensorik, die Signale erkennt und verarbeitet,
und der Mikroaktorik, die entsprechende Reaktionen übernimmt,
bietet sich an. Piezoelektrische Wandler spielen eine bedeutende
Rolle in zahlreichen technischen Anwendungen, von der Ultraschallerzeugung
in der Medizintechnik über die Präzisionspositionierung
und Schwingungskompensation bis hin zu schnellen Ventilen für
die Common-Rail Dieselmotoren in der Automobiltechnik.
Dr. Barbara
Kaltenbacher erhält Unterstützung
von Dr. Manfred Hofer vom Lehrstuhl
für Sensorik, der Messungen durchführt,
welche die Nachwuchsforschergruppe für die Materialparameterbestimmung
braucht.
Foto: Lehrstuhl für Sensorik |
Um
die Zahl der kostspieligen Prototypen zu reduzieren, wird in
der Entwicklung piezoelektrischer Sensoren und Aktoren mehr
und mehr Computersimulation eingesetzt. Die genaue Kenntnis
der Materialparameter ist dafür von entscheidender Bedeutung.
Die bisher genutzten Verfahren sind jedoch extrem aufwändig
und liefern dennoch zu ungenaue Ergebnisse. Hier setzt die Arbeit
der Erlanger Nachwuchsforschergruppe
an.
Am
Lehrstuhl für Sensorik von Prof. Reinhard Lerch, der international
anerkannte
Forschungsbeiträge zur |
Computersimulation geleistet und in zahlreichen Industriekooperationen
angewandt hat, findet die Gruppe ein ideales Arbeitsumfeld vor.
Ziel des interdisziplinären Projekts ist es, Berechnungsverfahren
zu entwickeln und umzusetzen, die das physikalische Verhalten
des piezoelektrischen Wandlers in vollem Umfang berücksichtigen.
Die Rekonstruktion der Materialparameter aus Messdaten hierfür
ist sehr anspruchsvoll, mit Hilfe geeigneter mathematischer
Methoden jedoch effizient möglich und verhindert Ungenauigkeiten.
Darüberhinaus werden die erforderlichen Messungen stark
vereinfacht. |
Insbesondere ist die bereits in verschiedenen Anwendungen
eingesetzte Methodik - im Gegensatz zu herkömmlichen Parameterschätzverfahren
- imstande, die für die Praxis relevanten Effekte der Temperatur-
oder Frequenzabhängkeit der Materialparameter vollständig
zu berücksichtigen.
Ein noch weitergehendes Forschungsziel, zu dem die
Forschergruppe ebenfalls schon erste Resultate erzielt hat, ist
die Identifikation von Nichtlinearität bzw. von Hysterese.
Diese Phänomene treten in Anwendungen mit starker elektrischer
bzw. mechanischer Anregung, also vor allem in der Aktorik auf. Hier
hängen die Materialparameter vom elektrischen Feld bzw. der
mechanischen Verzerrung selbst ab, beeinflussen diese Größen
aber ihrerseits wieder über den piezoelektrischen Effekt. Dementsprechend
hoch sind die sich daraus ergebenden Ansprüche sowohl an die
mathematische Algorithmik als auch an die Messtechnik.
Weitere Informationen
Dr. Barbara Kaltenbacher
Tel.:09131/85 -23141
Barbara.Kaltenbacher@lse.e-technik.uni-erlangen.de
Mediendienst Forschung-Aktuell Nr.
673 vom 30.10.03
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