Estimation of piezoelectric material parameters of ring-shaped specimens

被引:0
作者
Friesen, Olga [1 ]
Claes, Leander [1 ]
Feldmann, Nadine [1 ]
Henning, Bernd [1 ]
机构
[1] Paderborn Univ, Measurement Engn Grp, Paderborn, Germany
关键词
piezoceramic rings; vibration modes; analytical impedance description; inverse procedure; material parameter estimation; piezokeramische Ringe; Schwingungsmoden; analytische Impedanzbeschreibung; Inverses Verfahren; Materialparametersch & auml; tzung;
D O I
10.1515/teme-2024-0107
中图分类号
TH7 [仪器、仪表];
学科分类号
0804 ; 080401 ; 081102 ;
摘要
The estimation of accurate piezoelectric material parameters is a fundamental prerequisite for simulation-driven design of piezoelectric actuators and sensors. Previous studies show that a full set of material parameters can be determined in an inverse procedure using a single disc-shaped specimen with an electrode structured for increased sensitivity with respect to all material parameters. However, in the case of high-power actuator applications, ring-shaped piezoelectric components are often employed, necessitating an adaptation of the previously developed method. The alteration in geometry introduces some advantages. Accordingly, there is no longer any requirement to modify the electrode structure in order to enhance sensitivity. The method to estimate the material parameters presented here consists of a total of three stages. An initial, approximate estimation of the material parameters is determined using analytical approximations for the resonance frequencies from the IEEE standard. These values are optimised in an inverse procedure that employs analytic expressions for the electrical impedance of piezoelectric rings as the forward model. Further refinement is achieved by using Finite Element (FE) simulations as the forward model again in an inverse procedure. The method is applied to electrical impedance measurement data, yielding material parameters for hard piezoelectric rings. The result shows a good agreement between the simulation and measurement results, indicating realistic material parameter values. Die Sch & auml;tzung pr & auml;ziser piezoelektrischer Materialparameter ist eine wichtige Voraussetzung f & uuml;r das simulationsgest & uuml;tzte Design piezoelektrischer Aktoren und Sensoren. Vorangegangene Studien zeigen, dass ein vollst & auml;ndiger Materialparametersatz in einem inversen Verfahren unter Verwendung einer einzelnen scheibenf & ouml;rmigen Probe mit einer strukturierten Elektrodentopologie, welche die Sensitivit & auml;t der Impedanz in Bezug auf die Materialparameter erh & ouml;ht, bestimmt werden kann. Bei Anwendungen f & uuml;r Hochleistungsaktoren werden jedoch h & auml;ufig ringf & ouml;rmige piezoelektrische Komponenten verwendet, was eine Anpassung der zuvor entwickelten Methode erfordert. Die & Auml;nderung in der Geometrie bringt einige Vorteile mit sich. Dementsprechend ist eine Strukturierung der Elektroden zur Steigerung der Sensitivit & auml;t nicht mehr notwendig. Die hier vorgestellte Methode zur Sch & auml;tzung der Materialparameter umfasst insgesamt drei Schritte. Eine erste Sch & auml;tzung der Materialparameter wird mithilfe der aus dem IEEE-Standard abgeleiteten, analytischen N & auml;herungen f & uuml;r die Resonanzfrequenzen ermittelt. Diese Startwerte werden in einem inversen Verfahren optimiert, wobei analytische Ausdr & uuml;cke f & uuml;r die elektrische Impedanz piezoelektrischer Ringe als Vorw & auml;rtsmodell verwendet werden. Eine weitere Optimierung wird durch die Verwendung von Finite-Elemente-Simulationen als Vorw & auml;rtsmodell, ebenfalls in einem inversen Verfahren, erreicht. Die Methode wird auf Messdaten einer elektrischen Impedanz angewendet, was zu vollst & auml;ndigen Materialparameters & auml;tzen f & uuml;r harte, piezoelektrische Ringe f & uuml;hrt. Das Ergebnis zeigt eine gute & Uuml;bereinstimmung zwischen den Simulations- und Messergebnissen, was auf realistische Parameterwerte hindeutet.
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