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28 2 Theoretische Grundlagen
[POHL und MOOK 2010] haben durch experimentelle Untersuchungen festgestellt, dass es an
den Ecken von quadratischen PZTs zu einem inhomogenen Abstrahlverhalten der
Ultraschallwellen kommt. Weiterhin wird in [RAGHAVAN und CESNIK 2005] erwähnt, dass bei
eckigen Sensoren ein Nahfeld in unmittelbarer Nähe des Sensors auftritt, welches die
Schadensdiagnose zusätzlich erschwert. Diese Beobachtungen begründen die Wahl von
runden Sensoren im Rahmen dieser Arbeit.
Die Verwendung von geschichteten Faserverbundstrukturen bietet grundsätzlich die
Möglichkeit, die PZTs bei der Fertigung in die Struktur zu integrieren. Dies wird
beispielsweise von [QING et al. 2007] ausgenutzt, um die Sensoren gegenüber externen
Einflüssen zu schützen. Auf der anderen Seite treten bei dieser Strategie einige Nachteile auf,
die von [SU et al. 2006] diskutiert werden: Zunächst wäre die lokale Schwächung der
tragenden Struktur im Bereich der Sensoren zu nennen. Damit die Struktur im Vergleich zu
oberflächenapplizierten Sensoren die gleiche Tragfähigkeit aufweist, muss sie tendenziell
stärker ausgelegt sein. Daraus resultiert zwangsläufig ein höheres Bauteilgewicht, welches
sich im Falle von Transportmitteln in einem höheren Treibstoffverbrauch äußert. Weiterhin
muss bei der Fertigung im Autoklaven die Temperatur relativ niedrig gewählt werden, damit
es nicht zu einer Schädigung der Sensoren kommt. In diesem Zusammenhang sei erwähnt,
dass Sensor und Struktur ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen sollten,
um Spannungen innerhalb des Bauteils zu vermeiden. Ein drittes Problem stellt die
elektrische Isolierung dar. Um Kurzschlüssen bei der Fertigung vorzubeugen, müssen
spezielle Isolierfolien eingesetzt werden, was den Fertigungsaufwand deutlich erhöht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Integration der Sensoren in die Struktur
interessante Aspekte beinhaltet. Auf der anderen Seite kommt es zu einigen konstruktiven und
fertigungstechnischen Schwierigkeiten. Es ist daher bei der konkreten Anwendung
abzuwägen, in welchen Fällen sich dieser erhöhte Aufwand lohnt.
Piezokeramiken sind sehr spröde und lassen sich, weil sie relativ leicht zerbrechen können,
nur bedingt auf gekrümmte Strukturen applizieren. Aus diesem Grund wurden kürzlich
sogenannte Piezocomposite-Sensoren entwickelt, die beispielsweise von [LANZA DI SCALEA
et al. 2007] für die Erzeugung von Ultraschallwellen eingesetzt werden. Sie bestehen aus
mehreren Piezofasern, die hintereinander angeordnet und mit interdigitalen Elektroden
versehen sind. An dieser Stelle sei auf [WILLIAMS et al. 2002] verwiesen, die einige Typen
von Piezocomposite-Sensoren diskutieren. Ein struktureller Nachteil dieser Aktoren besteht
darin, dass sie ein stark gerichtetes Wellenfeld hervorrufen und damit nur bedingt für ein
verteiltes Sensornetzwerk in Frage kommen. Gerade das gerichtete Abstrahlverhalten wird