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Aufbau und Erprobung eines elektrischen Impedanztomographiesystems zur Untersuchung von leitfähigen Elastomeren
Betreuung: Dr.-Ing. Johannes Mersch
Mitbetreuung: Univ.-Prof. Dr. Marco Da Silva
Elektrische Impedanztomographie (EIT) ist ein schnelles, kosteneffizientes und nicht-invasives Verfahren zur Messung und Rekonstruktion der Leitfähigkeitsverteilung von Materialien. Diese Eigenschaften machen EIT ein geeignetes Verfahren um das Leitfähigkeitsverhalten von Elastomeren unter Dehnung zu untersuchen. Neben Anwendungen in den Materialwissenschaften wird EIT auch in der medizinischen Bildgebung, der Prozesstomographie und in der Geophysik verwendet.
Abb. 1: Ergebnisse der Leitfähigkeitsänderung bei verschiedenen Dehnungszuständen. Messungen 1 bis 5 entsprechen einer Dehnung von: 1: 10 %, 2: 20 %, 3: 30 %, 4: 40 %, 5: 50 %. Die Leitfähigkeit nimmt mit zunehmender Dehnung ab.
Im ersten Abschnitt wurden die theoretischen Grundlagen der elektrischen Impedanztomographie vorgestellt. Im Besonderen wird hier der Unterschied zwischen direkten und inversen Problem erläutert. Das inverse Problem und seine nichtlineare und schlecht gestellte Natur werden durch Simulationen und Rekonstruktionen einfacher Leitfähigkeitsverteilungen veranschaulicht.
Es wurde ein automatisiertes Messsystem entwickelt, das den Prozess vom Eingeben der Messparameter über die Durchführung der Messung bis zur Bildrekonstruktion mit der Bibliothek EIDORS beschleunigt. Dazu wurde eine Schnittstelle in MATLAB programmiert, die über den COM-Port mit dem Messgerät (ScioSpec ISX-3) kommuniziert.
Um die verschiedenen Injektionsmuster, Regularisierungsparameter, und Priorisierungsfunktionen besser zu evaluieren, wurden Messungen an einem Wassertank mit bekannten Inhomogenitäten durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Wahl der Rekonstruktionsparameter einen signifikanten Einfluss auf die Rekonstruktionsqualität der Bilder hat.
Anschließend wurden Messungen an Elastomeren mit leitfähiger Füllung unter verschiedenen Dehnungszuständen vorgenommen. Durch die Anwendung geeigneter Rekonstruktionsparameter und den Vergleich mit simulierten Dehnungszuständen konnten physikalisch plausible Leitfähigkeitsverteilungen erzielt werden. Dies zeigt, dass EIT ein vielversprechendes Werkzeug zur Analyse von Leitfähigkeitsverteilungen in Elastomeren unter mechanischer Dehnung ist.
Schlagwörter: Elektrische Impedanztomographie, EIT, leitfähige Elastomere, EIDORS
16. Oktober 2024
