Mikrotechnische Sensorik für aktive Hochauftriebssysteme

Beutel, Tobias Thomas GND

Die ständig steigenden Anforderungen an sämtliche technische Gerätschaften vom Mobiltelefon über Automobile bis hin zu Flugzeugen machen den Einsatz neuer Technologien notwendig. Besonders die Wünsche nach Effizienz, Kompaktheit und Emissionsreduzierung sind dabei in den letzten Jahren in den Mittelpunkt gerückt. In vielen dieser Bereiche kommt die Mikrosystemtechnik zum Einsatz, häufig wenn es darum geht, viele Funktionen auf engem Raum zu integrieren. Dabei spielt die verwendete Elektronik eine wesentliche Rolle. In dieser Arbeit wird ein Sensorkonzept erarbeitet, das zur Strömungsanalyse an Tragflächen von Flugzeugen verwendet werden kann. Dabei geht es um die Erfassung von Ablösungserscheinungen an einer Hochauftriebskonfiguration. Das Endergebnis ist ein Regelungssystem, das in Zukunft die Effizienz des Tragflügels steigern und die Lärmemission deutlich reduzieren soll. Dabei darf das Messsystem die Strömung selbst nicht stören und muss die hohen Anforderungen nach geringer Größe, Gewicht und Energieverbrauch einhalten. Als geeignetes Konzept wird ein piezoresistiver Drucksensor auf Siliziumbasis identifiziert, der für Grundlagenversuche an einem Wasserkanalmodell entwickelt wird. Dabei sind die Robustheit, die hohe Messfrequenz und die zu erreichende Genauigkeit die Schlüsselkriterien. Parallel dazu werden Heißfilmsensoren auf flexiblen Folien entwickelt, um die Strömungsverhältnisse auf einer stark gekrümmten Hochauftriebsklappe analysieren zu können. Die weitere Miniaturisierung ist dabei nicht das vorherrschende Ziel, vielmehr geht es um die Erhöhung der Verlässlichkeit und der Robustheit dieser Sensortypen. Die Arbeit präsentiert die ersten Prototypen beider Sensorarten, wobei der gesamte Entwicklungsprozess von der Simulation bis zur Fertigung beschrieben wird. Ergänzend dazu werden die bisher erzielten Messergebnisse präsentiert, die mit den eigens für diesen Zweck entworfenen Messaufbauten erreicht wurden. Im letzten Kapitel wird ein Ausblick auf die Tätigkeiten in der zweiten Projekthälfte gegeben.

The ever increasing demands on all technical equipment starting from mobile phones, to automobiles ending with airplanes require the use of new technologies. Especially the desires for efficiency, compactness and the reduction of emissions are in the centre of interest in recent years. In many applications micro system technologies are coming into operation, often when many functions have to be integrated in limited space. Therein the applied electronics play an important role. In this work a sensor concept suitable for flow analyses on airfoils is developed. Thereby flow separation on a high lift configuration has to be detected. The final outcome is a control system, which increases the efficiency of the airfoil and reduces the emission of noise in future. The sensing system itself has to measure nonintrusive and has to meet the high requirements regarding the size, weight and power consumption. As a suitable concept a piezoresistive, silicon based pressure sensor is identified, being developed for basic experiments in a water tunnel. Herein the robustness, the high measurement frequency and the achievable accuracy are the key criteria. In parallel, hot-film sensors on flexible foils are developed to be able to analyse the state of the flow on a strongly curved high-lift flap. The further miniaturization is not the dominant goal, but to increase the reliability and the robustness of these types of sensors. The work shows the first prototypes of both sensors, giving a detailed description of development process from the simulation until the micro fabrication. Additionally the results achieved up to now are presented, which have been determined on test rigs set-up specifically for this application. In the last chapter an outlook is provided.

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Beutel, Tobias: Mikrotechnische Sensorik für aktive Hochauftriebssysteme. Aachen 2013. Shaker.

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