{"id":{"repo_id":"freiburg-diss","oai_identifier":"oai:freidok.uni-freiburg.de:1915"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/freiburg-diss/oai:freidok.uni-freiburg.de:1915","repository":{"repo_id":"freiburg-diss","name":"University of Freiburg","base_url":"https://freidok.uni-freiburg.de/oai/oai2.php"},"display":{"title":"Eddy current displacement sensor with LTCC technology","abstract":"It is indispensable to improve the lifetime and performance of conventional displacement sensors and to transform these sensors to match the requirements of engine health monitoring such as a blade tip sensing systems in turbo-machinery.
In this work, first literature and information were collected and compared. An eddy current displacement sensor using the novel LTCC technology was found to match the related measurement conditions such as harsh and high temperature environments, non-magnetic metal blades, etc. Then, according to the structure of the LTCC sensor coil, a set of analytic calculating methods based on fundamental equations of the inductance and the capacitance between two simple thin strips was built. The inductance, resistance, capacitance, quality factor, self-resonant frequency of a complete sensor coil and standard skin depth of eddy current in target blade were considered. Subsequently, the FEM method was used for further calculations. It was found via modal analysis that the position over the sharp end of a blade tip is the optimal mounting position for a sensor. Electromagnetic analysis showed that the sensitivity of the sensor inductance has one principal influence factor, which is the outer size of the sensor coil. Effects on the resistance of the sensor and on the quality factor concerning changes of layers, turns and fill factor were also investigated. In addition, the 3D eddy current distribution and the relations between the impedance of the sensor and the blade displacement in horizontal and vertical directions were obtained. Finally, a complete optimization work flow was proposed based on the methods and conclusions of analytic and FEM analysis as well as LTCC fabrication guideline. The layout was designed for the sensor variation with the optimal parameters, and it was realized by LTCC fabrication. Eight sensors were obtained for further experimental testing.
With respect to experimental work, the characteristics of the sensors were measured by LCR meter and impedance analyzer. These testing results were used to check the results of the FEM simulation and analytic calculation. Temperature dependent experiments were carried out to identify the feasibility of the LTCC sensor at high temperature using the eddy current operating mechanism. Finally, a complete displacement sensor system composed of a motor, a rotor with blades, a testing circuit, a data acquisition system, a computer control and signal processing system were built to simulate a blade tip measurement system. The recording rate was up to 24000 blades per minute. The clearance between sensor and blade tip, and the blade change of geometry were measured and proven to reflect the corresponding information correctly.
All the results identified that the comprehensive optimization method combined with analytic analysis and FEM simulation is an effective design approach to LTCC planar sensor. FEM simulation comprises modal, electromagnetic and thermal-mechanical analysis. In addition, our LTCC eddy current sensor shows good properties for high temperature environments up to 500 oC and high-speed measurements up to 3000 rpm (24000 bpm). Its feasibility to work for turbomachinery in harsh and high temperature environments was verified under laboratory conditions.","abstract_html":"It is indispensable to improve the lifetime and performance of conventional displacement sensors and to transform these sensors to match the requirements of engine health monitoring such as a blade tip sensing systems in turbo-machinery. <br>In this work, first literature and information were collected and compared. An eddy current displacement sensor using the novel LTCC technology was found to match the related measurement conditions such as harsh and high temperature environments, non-magnetic metal blades, etc. Then, according to the structure of the LTCC sensor coil, a set of analytic calculating methods based on fundamental equations of the inductance and the capacitance between two simple thin strips was built. The inductance, resistance, capacitance, quality factor, self-resonant frequency of a complete sensor coil and standard skin depth of eddy current in target blade were considered. Subsequently, the FEM method was used for further calculations. It was found via modal analysis that the position over the sharp end of a blade tip is the optimal mounting position for a sensor. Electromagnetic analysis showed that the sensitivity of the sensor inductance has one principal influence factor, which is the outer size of the sensor coil. Effects on the resistance of the sensor and on the quality factor concerning changes of layers, turns and fill factor were also investigated. In addition, the 3D eddy current distribution and the relations between the impedance of the sensor and the blade displacement in horizontal and vertical directions were obtained. Finally, a complete optimization work flow was proposed based on the methods and conclusions of analytic and FEM analysis as well as LTCC fabrication guideline. The layout was designed for the sensor variation with the optimal parameters, and it was realized by LTCC fabrication. Eight sensors were obtained for further experimental testing. <br>With respect to experimental work, the characteristics of the sensors were measured by LCR meter and impedance analyzer. These testing results were used to check the results of the FEM simulation and analytic calculation. Temperature dependent experiments were carried out to identify the feasibility of the LTCC sensor at high temperature using the eddy current operating mechanism. Finally, a complete displacement sensor system composed of a motor, a rotor with blades, a testing circuit, a data acquisition system, a computer control and signal processing system were built to simulate a blade tip measurement system. The recording rate was up to 24000 blades per minute. The clearance between sensor and blade tip, and the blade change of geometry were measured and proven to reflect the corresponding information correctly. <br>All the results identified that the comprehensive optimization method combined with analytic analysis and FEM simulation is an effective design approach to LTCC planar sensor. FEM simulation comprises modal, electromagnetic and thermal-mechanical analysis. In addition, our LTCC eddy current sensor shows good properties for high temperature environments up to 500 oC and high-speed measurements up to 3000 rpm (24000 bpm). 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In this work, first literature and information were collected and compared. An eddy current displacement sensor using the novel LTCC technology was found to match the related measurement conditions such as harsh and high temperature environments, non-magnetic metal blades, etc. Then, according to the structure of the LTCC sensor coil, a set of analytic calculating methods based on fundamental equations of the inductance and the capacitance between two simple thin strips was built. The inductance, resistance, capacitance, quality factor, self-resonant frequency of a complete sensor coil and standard skin depth of eddy current in target blade were considered. Subsequently, the FEM method was used for further calculations. It was found via modal analysis that the position over the sharp end of a blade tip is the optimal mounting position for a sensor. Electromagnetic analysis showed that the sensitivity of the sensor inductance has one principal influence factor, which is the outer size of the sensor coil. Effects on the resistance of the sensor and on the quality factor concerning changes of layers, turns and fill factor were also investigated. In addition, the 3D eddy current distribution and the relations between the impedance of the sensor and the blade displacement in horizontal and vertical directions were obtained. Finally, a complete optimization work flow was proposed based on the methods and conclusions of analytic and FEM analysis as well as LTCC fabrication guideline. The layout was designed for the sensor variation with the optimal parameters, and it was realized by LTCC fabrication. Eight sensors were obtained for further experimental testing.
With respect to experimental work, the characteristics of the sensors were measured by LCR meter and impedance analyzer. These testing results were used to check the results of the FEM simulation and analytic calculation. Temperature dependent experiments were carried out to identify the feasibility of the LTCC sensor at high temperature using the eddy current operating mechanism. Finally, a complete displacement sensor system composed of a motor, a rotor with blades, a testing circuit, a data acquisition system, a computer control and signal processing system were built to simulate a blade tip measurement system. The recording rate was up to 24000 blades per minute. The clearance between sensor and blade tip, and the blade change of geometry were measured and proven to reflect the corresponding information correctly.
All the results identified that the comprehensive optimization method combined with analytic analysis and FEM simulation is an effective design approach to LTCC planar sensor. FEM simulation comprises modal, electromagnetic and thermal-mechanical analysis. In addition, our LTCC eddy current sensor shows good properties for high temperature environments up to 500 oC and high-speed measurements up to 3000 rpm (24000 bpm). Its feasibility to work for turbomachinery in harsh and high temperature environments was verified under laboratory conditions.","Zur Überwachung der Rotorschaufeln in Turbomaschinen sind berührungsfrei arbeitende Sensoren notwendig. Obwohl die von herkömmlichen Abstandssensoren bekannten Prinzipien grundsätzlich genutzt werden können, ist es notwendig, diese Sensoren insbesondere den Anforderungen des Hochtemperaturbetriebs anzupassen und die Robustheit und Lebensdauer signifikant zu verbessern. Ziel dieser Arbeit war der Entwurf und die Realisierung eines Sensorkonzepts, um statische und dynamische Geometrieabweichungen von Turbinenschaufeln im Betrieb auch bei nichtmagnetischen Werkstoffen zu detektieren.
In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst eine Literaturrecherche zu geeigneten Sensorprinzipien und Aufbauformen durchgeführt und ausgewertet. Basierend hierauf wurde das Prinzip des Wirbelstrom-Abstandssensors ausgewählt. Um Einsatzrandbedingungen wie aggressive Atmosphäre und Hochtemperaturumgebung sowie nichtmagnetische Schaufelblätter aus Metall zu erfüllen, wurde die Umsetzung mit Hilfe der Low Temperature Cofired Ceramics Technologie (LTCC) weiter untersucht.
Sequenziell wurde zunächst die Finite-Elemente-Methode benutzt, um verschiedene Berechnungen und Optimierungen bei der Auslegung durchzuführen. In der Modalanalyse wurde ermittelt, dass radial über dem spitzen Ende der Schaufel die optimale Position zum Anbringen des Sensors liegt. Aus elektromagnetischen Analysen konnte der Rückschluss gezogen werden, dass die Empfindlichkeit der Sensorinduktivität einen dominanten Einfluss auf die äußere Größe der Sensorspule hat. Entsprechend den Strukturen der LTCC Sensorspulen wurde eine Serie analytischer Berechnungen, basierend auf den Grundgleichungen für Induktivität L und Kapazität C zwischen zwei einfachen dünnen Streifen aufgestellt. Induktivität L, Widerstand R, Kapazität C, Qualitätsfaktor Q und Resonanzfrequenz einer Sensorspule sowie die Skintiefe des Stroms in der Zielschaufel wurden betrachtet. Die Einflüsse durch Änderung von Schichten, Umdrehungsraten und Füllfaktoren auf den Widerstand des Sensors und den Qualitätsfaktor wurden ebenfalls untersucht. Zusätzlich wurden die dreidimensionale Wirbelstromverteilung und die Relationen zwischen Widerstand des Sensors und Blattversetzung in horizontaler und vertikaler Richtung erhalten. Letztlich wurde auf Grundlage dieser Methoden, bestehend aus analytischer Berechnung, FEM-Analyse und LTCC-Herstellungsrichtlinien ein kompletter Entwurfs- und Optimierungsprozess vorgeschlagen. Eine Variante des Sensors wurde gemäß den optimalen Parametern entworfen und durch Herstellung eines LTCC realisiert. Hierdurch wurden die Sensoren für die weiteren Experimente erhalten.
In Bezug auf die experimentellen Arbeit wurden die Eigenschaften des Sensors durch ein LCR-Meter und ein Widerstandsmessgerät bestimmt. Diese Testergebnisse wurden auch dazu benutzt, die Ergebnisse der FEM-Simulationen und der Berechnungen qualitativ und quantitativ zu überprüfen. Dabei ergab sich, dass die wesentlichen Effekte und Abhängigkeiten richtig prognostiziert wurden. Temperaturexperimente wurden durchgeführt, um festzustellen, ob der LTCC Sensor auch bei hohen Temperaturen und Hochfrequenzwirbelstrom funktioniert. Dies konnte bis zu Temperaturen von 500 °C bestätigt werden. Schließlich wurde ein komplettes dynamisches Abstandsmesssystem bestehend aus Motor, Rotor mit Schaufeln, Prüfstromkreis, Datenerfassung, Computersteuerung und Signalprozessor aufgebaut, um den Einsatz in einer Turbine nachzubilden. Dabei wurden Parameter wie die Frequenz der Rotorblätter, bis zu 24000 Blätter min-1, der Abstand zwischen Sensor und Spitze des Rotorblattes und die Blattgeometrie systematisch untersucht, um das Testsystem zu charakterisieren.
Alle Ergebnisse zeigen, dass die umfassende Optimierungsmethode bestehend aus FEM-Simulation inklusive Modalanalyse, elektromagnetischer und thermomechanischer Analyse ein effektiver Weg zum Entwickeln von planaren LTCC Sensoren ist. Zusätzlich zeigt der hier entwickelte LTCC Wirbelstromsensor gute Eigenschaften bei hohen Temperaturen bis 600°C und hohen Drehzahlen bis 3000 upm (24000 Blätter min-1). Die Möglichkeit zum Einsatz in Turbomaschinen in rauen Einsatzgebieten und Hochtemperaturumgebungen wurden damit in Laborexperimenten gezeigt."]},{"key":"dc:format.medium","label":"Dc Format Medium","values":["application/pdf"]},{"key":"dc:title","label":"Title","values":["Eddy current displacement sensor with LTCC technology","Wirbelstrom-Abstandssensor mit LTCC Technologie"]}]}],"canonical_facts":{"dc:contributor":["Wilde, Jürgen"],"dc:creator":["Lai, Yuqing"],"dc:description.abstract":["It is indispensable to improve the lifetime and performance of conventional displacement sensors and to transform these sensors to match the requirements of engine health monitoring such as a blade tip sensing systems in turbo-machinery.
In this work, first literature and information were collected and compared. An eddy current displacement sensor using the novel LTCC technology was found to match the related measurement conditions such as harsh and high temperature environments, non-magnetic metal blades, etc. Then, according to the structure of the LTCC sensor coil, a set of analytic calculating methods based on fundamental equations of the inductance and the capacitance between two simple thin strips was built. The inductance, resistance, capacitance, quality factor, self-resonant frequency of a complete sensor coil and standard skin depth of eddy current in target blade were considered. Subsequently, the FEM method was used for further calculations. It was found via modal analysis that the position over the sharp end of a blade tip is the optimal mounting position for a sensor. Electromagnetic analysis showed that the sensitivity of the sensor inductance has one principal influence factor, which is the outer size of the sensor coil. Effects on the resistance of the sensor and on the quality factor concerning changes of layers, turns and fill factor were also investigated. In addition, the 3D eddy current distribution and the relations between the impedance of the sensor and the blade displacement in horizontal and vertical directions were obtained. Finally, a complete optimization work flow was proposed based on the methods and conclusions of analytic and FEM analysis as well as LTCC fabrication guideline. The layout was designed for the sensor variation with the optimal parameters, and it was realized by LTCC fabrication. Eight sensors were obtained for further experimental testing.
With respect to experimental work, the characteristics of the sensors were measured by LCR meter and impedance analyzer. These testing results were used to check the results of the FEM simulation and analytic calculation. Temperature dependent experiments were carried out to identify the feasibility of the LTCC sensor at high temperature using the eddy current operating mechanism. Finally, a complete displacement sensor system composed of a motor, a rotor with blades, a testing circuit, a data acquisition system, a computer control and signal processing system were built to simulate a blade tip measurement system. The recording rate was up to 24000 blades per minute. The clearance between sensor and blade tip, and the blade change of geometry were measured and proven to reflect the corresponding information correctly.
All the results identified that the comprehensive optimization method combined with analytic analysis and FEM simulation is an effective design approach to LTCC planar sensor. FEM simulation comprises modal, electromagnetic and thermal-mechanical analysis. In addition, our LTCC eddy current sensor shows good properties for high temperature environments up to 500 oC and high-speed measurements up to 3000 rpm (24000 bpm). Its feasibility to work for turbomachinery in harsh and high temperature environments was verified under laboratory conditions.","Zur Überwachung der Rotorschaufeln in Turbomaschinen sind berührungsfrei arbeitende Sensoren notwendig. Obwohl die von herkömmlichen Abstandssensoren bekannten Prinzipien grundsätzlich genutzt werden können, ist es notwendig, diese Sensoren insbesondere den Anforderungen des Hochtemperaturbetriebs anzupassen und die Robustheit und Lebensdauer signifikant zu verbessern. Ziel dieser Arbeit war der Entwurf und die Realisierung eines Sensorkonzepts, um statische und dynamische Geometrieabweichungen von Turbinenschaufeln im Betrieb auch bei nichtmagnetischen Werkstoffen zu detektieren.
In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst eine Literaturrecherche zu geeigneten Sensorprinzipien und Aufbauformen durchgeführt und ausgewertet. Basierend hierauf wurde das Prinzip des Wirbelstrom-Abstandssensors ausgewählt. Um Einsatzrandbedingungen wie aggressive Atmosphäre und Hochtemperaturumgebung sowie nichtmagnetische Schaufelblätter aus Metall zu erfüllen, wurde die Umsetzung mit Hilfe der Low Temperature Cofired Ceramics Technologie (LTCC) weiter untersucht.
Sequenziell wurde zunächst die Finite-Elemente-Methode benutzt, um verschiedene Berechnungen und Optimierungen bei der Auslegung durchzuführen. In der Modalanalyse wurde ermittelt, dass radial über dem spitzen Ende der Schaufel die optimale Position zum Anbringen des Sensors liegt. Aus elektromagnetischen Analysen konnte der Rückschluss gezogen werden, dass die Empfindlichkeit der Sensorinduktivität einen dominanten Einfluss auf die äußere Größe der Sensorspule hat. Entsprechend den Strukturen der LTCC Sensorspulen wurde eine Serie analytischer Berechnungen, basierend auf den Grundgleichungen für Induktivität L und Kapazität C zwischen zwei einfachen dünnen Streifen aufgestellt. Induktivität L, Widerstand R, Kapazität C, Qualitätsfaktor Q und Resonanzfrequenz einer Sensorspule sowie die Skintiefe des Stroms in der Zielschaufel wurden betrachtet. Die Einflüsse durch Änderung von Schichten, Umdrehungsraten und Füllfaktoren auf den Widerstand des Sensors und den Qualitätsfaktor wurden ebenfalls untersucht. Zusätzlich wurden die dreidimensionale Wirbelstromverteilung und die Relationen zwischen Widerstand des Sensors und Blattversetzung in horizontaler und vertikaler Richtung erhalten. Letztlich wurde auf Grundlage dieser Methoden, bestehend aus analytischer Berechnung, FEM-Analyse und LTCC-Herstellungsrichtlinien ein kompletter Entwurfs- und Optimierungsprozess vorgeschlagen. Eine Variante des Sensors wurde gemäß den optimalen Parametern entworfen und durch Herstellung eines LTCC realisiert. Hierdurch wurden die Sensoren für die weiteren Experimente erhalten.
In Bezug auf die experimentellen Arbeit wurden die Eigenschaften des Sensors durch ein LCR-Meter und ein Widerstandsmessgerät bestimmt. Diese Testergebnisse wurden auch dazu benutzt, die Ergebnisse der FEM-Simulationen und der Berechnungen qualitativ und quantitativ zu überprüfen. Dabei ergab sich, dass die wesentlichen Effekte und Abhängigkeiten richtig prognostiziert wurden. Temperaturexperimente wurden durchgeführt, um festzustellen, ob der LTCC Sensor auch bei hohen Temperaturen und Hochfrequenzwirbelstrom funktioniert. Dies konnte bis zu Temperaturen von 500 °C bestätigt werden. Schließlich wurde ein komplettes dynamisches Abstandsmesssystem bestehend aus Motor, Rotor mit Schaufeln, Prüfstromkreis, Datenerfassung, Computersteuerung und Signalprozessor aufgebaut, um den Einsatz in einer Turbine nachzubilden. Dabei wurden Parameter wie die Frequenz der Rotorblätter, bis zu 24000 Blätter min-1, der Abstand zwischen Sensor und Spitze des Rotorblattes und die Blattgeometrie systematisch untersucht, um das Testsystem zu charakterisieren.
Alle Ergebnisse zeigen, dass die umfassende Optimierungsmethode bestehend aus FEM-Simulation inklusive Modalanalyse, elektromagnetischer und thermomechanischer Analyse ein effektiver Weg zum Entwickeln von planaren LTCC Sensoren ist. Zusätzlich zeigt der hier entwickelte LTCC Wirbelstromsensor gute Eigenschaften bei hohen Temperaturen bis 600°C und hohen Drehzahlen bis 3000 upm (24000 Blätter min-1). Die Möglichkeit zum Einsatz in Turbomaschinen in rauen Einsatzgebieten und Hochtemperaturumgebungen wurden damit in Laborexperimenten gezeigt."],"dc:format.medium":["application/pdf"],"dc:subject":["Wirbelstrom, FEM, Abstand","Eddy current sensor, LTCC, FEM simulation, displacement measurement"],"dc:title":["Eddy current displacement sensor with LTCC technology","Wirbelstrom-Abstandssensor mit LTCC Technologie"],"dc:type":["DoctoralThesis"]},"updated_at":"2026-07-24T02:22:33Z"}