Onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Silicaatonderzoek (ISC) in Würzburg hebben sensoren ontwikkeld die ter plaatse schades in constructies kunnen opsporen. Net als zenuwcellen in het menselijk lichaam registreren ze defecten en sturen informatie door. Basis voor de sensor zijn piëzokristallen, die mechanische vervorming omzetten in een elektrische signaal of elektrische spanning omzetten in beweging.
Als het stormt, moeten windmolens tonen wat ze kunnen doorstaan. Buien rukken aan de slanke rotorbladen, terwijl deze met meer dan 200 km/h door de lucht ploegen. Zelfs de beste materialen zijn hier op den duur niet tegen bestand. Op een zeker moment ontstaat er diep in het materiaal (kunststof) een minuscule scheur; deze breidt zich verder uit, zodat uiteindelijk het blad breekt. Ook brugdelen en vliegtuigvleugels worden dagelijks aan enorme krachten blootgesteld.
Om ongelukken te voorkomen worden de zwaarbelaste delen regelmatig gecontroleerd. Ingenieurs gebruiken bijvoorbeeld ultrasone apparatuur, waarmee ze schade in het inwendige materiaal zichtbaar kunnen maken.
Piëzo-sensoren
De onderzoekers van Fraunhofer ISC hebben in een rotorbladsegment meerdere piëzo-elektrische sensoren ingebouwd. Met een dikte van 0,5 mm en een oppervlakte van een paar vierkante centimeter zijn de sensoren zo klein, dat ze binnen het te bewaken constructiedeel geïntegreerd kunnen worden. Met de besturingselektronica, die samen met Fraunhofer Instituut voor niet-destructief testen (IZFP) in Dresden is ontwikkeld, worden door een sensor ultrasoon trillingen opgewekt.
Deze trillingen verspreiden zich als golven door het materiaal. De andere sensoren nemen deze trillingen waar en geven het golfpatroon door aan een ontvanger. Scheuren en schades veranderen het gelijkmatige golfpatroon en kunnen zo eenvoudig ontdekt worden. Omdat de sensoren afwisselend als zender en ontvanger van ultrasone trillingen worden gebruikt, kunnen op diverse punten in het constructiedeel gerichte golfpatronen worden opgewekt, waarmee zelfs blinde hoeken worden gecontroleerd.
De nieuwe sensoren worden gefabriceerd met de zogeheten sol-gel-techniek. De onderzoekers mengen verbindingen van lood, zirkonium en titanium in een oplossing. De gel wordt gesponnen tot dunne draden van 20 µm, die tot stevige keramische draden wordt gebakken. Deze draden worden gerangschikt en verbonden met dunne elektrische geleiders waarna het gaaswerk met kunststof wordt overgoten. Het resultaat is een ragfijn, flexibel piëzo-element. Afhankelijk van de toepassing is ook harde staalplaat van een laagje gel te voorzien: de sensor is dan direct met het plaatwerk verbonden. Deze fabricage is een kunst op zich.
Toepassing
Voor de ontwerpers ligt de eigenlijke uitdaging echter in de integratie van de piëzo-elementen in het constructiedeel. De sensoren zorgen voor een verstoring van de structuur en mogen daarom nooit in sterk belaste delen zitten. De onderzoekers moeten daarom eerst de minst belaste delen in een constructie bepalen, daarna kunnen ze piëzo-elementen in de kunststof plaatsen.
De sensoren zijn bruikbaar om de technische toestand van offshore windmolens, die voor een onderhoudsploeg moeilijk toegankelijk zijn, automatisch te controleren. Een andere toepassing is een bumper met geïntegreerde piëzo-elektrische sensoren. Bij een botsing registreert deze de kracht van de klap, essentiële informatie voor de ontwikkeling van voetganger-beschermingssystemen. Ook wordt gedacht aan autonome energieverzorging bijvoorbeeld voor het radiosignaal voor data-overdracht van RFDI-etiketten.
