Ανάπτυξη μετρητικής διάταξης για την μέτρηση παροχής αέρα με χρήση πιεζοηλεκτρικής μεμβράνης και πλήρως εκτυπωμένης δομής με ενσωματωμένη πιεζοαντίσταση

Ματσούκας, Ιωάννης

Development of an air flow measurement device employing a piezoelectric membrane and a 3D printed structure containing a piezoresistor

Διπλωματική εργασία

Author

Ματσούκας, Ιωάννης

Date

2023-02-03

Advisor

Pagonis, Dimitris Nikos

Διπλωματική εργασία (3.929Mb)

Keywords

Φαινόμενο καταστροφής στροβίλων ; Απόρριψη δίνης ; Πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο ; Πιεζοαντίσταση ; Αισθητήρας ροής ; Τρισδιάστατη εκτύπωση ; Τετρασδιάστατη εκτύπωση

Abstract

Αντικείμενο αυτής της εργασίας είναι η μελέτη, ο σχεδιασμός και η κατασκευή ενός τρισδιάστατου εκτυπωμένου αισθητήρα ροής αέρα. Πιο συγκεκριμένα, η αρχή λειτουργίας της διάταξης βασίζεται στο φαινόμενο καταστροφής στροβίλων (vortex shedding). Η απαραίτητη διαμόρφωση της μετρούμενης ροής πραγματοποιείται μέσω κατάλληλης διάταξης, βέλτιστης γεωμετρίας, εκτυπωμένη μέσω τρισδιάστατου εκτυπωτή ενώ μέσω πιεζοηλεκτρικής μεμβράνης ή εκτυπωμένης δομής που εμπεριέχει πιεζοαντίσταση ανιχνεύεται η αντίστοιχη αναπτυσσόμενη πίεση, από την οποία εξάγεται η τιμή της ροής. Συγκεκριμένα, στην συγκεκριμένη εργασία αρχικά ερευνήθηκε η βέλτιστη γεωμετρία της διάταξης διαμόρφωσης της ροής. Ολοκληρώνοντας την αρχική μελέτη και την κατασκευή της ζητούμενης διάταξης διαμόρφωσης με βέλτιστη γεωμετρία ακολούθησε η διερεύνηση για την επιτυχή αντικατάσταση της αρχικής πιεζοηλεκτρικής μεμβράνης με κατάλληλη εκτυπωμένη πάνω στην οποία είναι ολοκληρωμένη πιεζοηλεκτρική αντίσταση. Ο σκοπός της εν λόγω αντικατάστασης ήταν εξέλιξη της μετρητικής διάταξης σε ένα πλήρως εκτυπωμένο αισθητήρα, ο οποίος μπορεί να εκτυπωθεί άμεσα μέσω ενός τυπικού εμπορικού τρισδιάστατου εκτυπωτή, με χαμηλό κόστος και απλότητα στην κατασκευή ανοίγοντας το δρόμο για νέες αντίστοιχες εφαρμογές.

Abstract

The subject of this work is the study, design and fabrication of a 3D printed airflow sensor. More specifically, the operating principle of the device is based on the vortex shedding phenomenon. The necessary shaping of the measured flow is performed by a suitable 3D printed structure of optimal geometry while the corresponding developed pressure, from which the flow value is extracted, is detected by means of a piezoelectric membrane or a printed structure containing a piezoresistor. Initially, the optimal geometry of the flow shaping structure was first investigated while its fabrication employing additive manufacturing was performed. An appropriate investigation followed in order to successfully replace the original piezoelectric membrane with a suitable 3D printed one, on which a piezoelectric resistor is integrated. The purpose of this replacement was to evolve the resulting measurement device into a fully 3D printed sensor, which can be printed at low cost, directly via a standard commercial 3D printer, paving the way for new corresponding applications.