DE102007014696B3 - Sensor/Aktor-Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung von strukturellen Informationen von Materialien - Google Patents

Sensor/Aktor-Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung von strukturellen Informationen von Materialien Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensor/Aktor-Vorrichtung zur Ermittlung von strukturellen Informationen von Materialien. Insbesondere bei Leichtbaustrukturen, z.B. im Flugzeugbau, stellt sich das Problem, Strukturveränderungen feststellen zu können oder bewusst eine aktive Beeinflussung von Materialstrukturen herbeiführen zu können. Die bisherige Lösung ist unbefriedigend, unflexibel und defektanfällig. Die vorgesehene Lösung sieht vor, dass ein eingesetztes Piezoelement sowohl zur drahtlosen Übertragung von Daten und/oder Energie geeignet ist, wie auch eine drahtlose Übertragung von Daten vom Piezoelement möglich ist, wobei die Sensor/Aktor-Vorrichtung zur Einbettung in die zu untersuchenden Materialien ausgelegt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Sensor/Aktor-Vorrichtung zur Ermittlung von strukturellen Informationen von Materialien. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung von strukturellen Informationen von Materialien, insbesondere von Faserverbundwerkstoffen.
  • Um die Kosten in Technologiegebieten wie z. B. der Raum- und Luftfahrt zu reduzieren, ist man immer mehr bemüht, wieder verwendbare Baukomponenten und -teile einzusetzen. Vor einer wiederholten Benutzung oder Verwendung derartiger Bauteile ist es aber notwendig, diese Bauteile in aufwändigen Tests auf Schäden oder Ermüdungserscheinungen zu überprüfen, welche während der Verwendung durch auf das Bauteil einwirkende Belastungen entstehen könnten. Hierbei wird beispielsweise nach Mikrorissen oder ähnlichen Defekten gesucht, die oft mit dem menschlichen Auge nicht wahrnehmbar sind. Diese Schadstellen können sich auch im Material selbst befinden, so dass sie von außen nicht erkennbar sind.
  • Derartige Untersuchungen werden aber nicht nur in der Raumfahrt, sondern auch in der Luftfahrt oder im Bahnwesen durchgeführt. So werden während der durchschnittlichen dreißigjährigen Betriebszeit eines Passagierflugzeuges in regelmäßigen Intervallen alle maßgeblichen Bauteile auf derartige Beschädigungen hin untersucht. Ähnliche Wartungsprozeduren sind beispielsweise bei den Reifen von Hochgeschwindigkeitszügen, wie dem ICE oder dem TGV notwendig.
  • Eine Möglichkeit ist es, die Bauteile mittels externer Ultraschalltransducer auf Unregelmäßigkeiten im Material hin zu untersuchen. Hierbei werden mobile Ultraschallsonden, ähnlich wie in medizinischen Bereichen, verwendet, welche Ultraschallwellen in das Material abstrahlen und die rücklaufenden Echos auswerten. Eine derartige Untersuchung ist relativ aufwändig, da die gesamte Oberfläche des Bauteils mit einem Ultra schalltest- oder Sensorkopf abgetastet werden muss. Auch ergeben sich je nach Material Probleme, dass die Ultraschallwellen nicht tief genug in das Material eindringen können oder dass die Sensorköpfe nicht an allen Stellen gut genug ansetzbar sind, um die Wellen in das Material einzustrahlen.
  • Andere Analyseverfahren sind beispielsweise aus DE 102 14 984 oder EP 1 519 181 bekannt. Hierbei werden piezoelektrische Aktoren oder Sensoren zur Analyse der Beschaffenheit von Materialien eingesetzt. Die piezoelektrischen Aktoren oder Sensoren werden an beliebigen Stellen an dem zu analysierenden Material angebracht und die Sensoren mittels elektrischer Verdrahtung mit einer zentralen Steuereinheit verbunden. Derartige Verfahren sind für den Laborbetrieb relativ gut geeignet, bei dem es lediglich um die Analyse von Materialien geht. Sollen die Piezoelemente aber in dem Material bleiben, so muss erhöhter Aufwand betrieben werden, um die Verkabelung möglichst robust auszuführen.
  • Um Analysen mittels Piezoelementen durchführen zu können, werden Anstrengungen unternommen, Piezoelemente mit deren Anschlüssen auch im Material unterbringen zu können.
  • Aus der EP 1 168 463 ist beispielsweise bekannt, keramische Aktoren und Sensoren in Faserverbundwerkstoffe zu integrieren. Speziell im Luft- und Raumfahrtbereich werden immer mehr Faserverbundwerkstoffe eingesetzt, da sie ein geringes Gewicht mit sich bringen. Mithilfe der eingebrachten Aktoren und Sensoren wird eine Schallunterdrückung bzw. Minderung oder Formkontrolle der Faserverbundwerkstoffe erreicht. Problematisch bei dem dort beschriebenen Verfahren ist aber die Ansteuerung und Energieversorgung der piezokeramischen Elemente. Hierzu ist es notwendig, Zuleitungen zu den sich im Material befindlichen piezoelektrischen Schichten zu führen. Deswegen werden dort zur Ansteuerung dünne elektrische Drähte verwendet, die senkrecht zu den Laminatlagen aus dem Verbundwerkstoff herausgeführt sind, wobei versucht wird, beim Herausführen die einzelnen Fasern des Verbundwerkstoffes nicht zu durchtrennen, sondern lediglich auseinander zu schieben.
  • Bei der Wiederverwendung einzelner Bauteile, welche aus derartig versehenen Materialien aufgebaut sind, stellen sich die Probleme, dass sich in den Zuleitungen Haarrisse oder andere Defekte ausbilden können und somit der Sensor nicht mehr oder nur fehlerhaft angesteuert werden kann. Andere Nachteile an der Verkabelung selbst sind, dass diese oft die Struktur beeinflussen und auch zur Verfälschung von Messergebnissen führen können.
  • Die US 6,668,618 B2 beschreibt ein Verfahren, um die Dicke eines dünnen Films, welcher auf ein Material aufgebracht wird, zu überwachen. Hierzu wird zusätzlich zu dem Objekt ein Piezoelement in einem Vakuum vorgesehen. Durch die Ablagerung des Filmes verändert sich die Eigenfrequenz des Piezoelmentes. Dies wird erkannt und darüber kann die Dicke des Filmes ermittelt werden. Die Energieversorgung und Datenübermittlung zwischen dem Piezoelement und der Auswerteinheit wird über eine drahtlose Übermittlung durchgeführt, wobei ein Sichtkontakt zwischen den beiden Sendern und Empfängern besteht.
  • Die Verwendung von RFID-Tags an Flugzeugen zu Wartungszwecken ist aus US 6,859,757 B2 bekannt. Hierbei werden RFID-ähnliche Vorrichtungen an der Außenseite eines Objektes vorgesehen. Diese sind mit Sensoren elektrisch leitend verbunden. Über den RFID-Tag können Sensorinformationen zu Wartungszwecken abgefragt werden.
  • In der WO 96/07095 ist eine Vorrichtung zur Echtzeitüberwachung von Rotorblättern für Hubschrauber beschrieben. Diese Vorrichtung versorgt sich durch die während der Rotation der Rotoren entstehenden Schwingungen mittels eines Piezoelementes selbst mit Energie. Die Schwingungen werden zusätzlich ausgewertet, um Informationen über aufgetretene Schädigungen der Rotorblätter zu erhalten.
  • Aus der DE 10 2004 024 737 A1 ist ein System zur Optimierung der Prozessleistung von bahnenverarbeitenden Maschinen, wie beispielsweise einer Maschine zum Herstellen von Papier, bekannt. Hierzu wird in der Bespannung von Walzen einen Transponderchip eingebettet. Des Weiteren ist eine Sensoreinheit vorgesehen, welche in Form von piezoelektrischen Fasern ausgeführt ist. Der Transponderchip kann über eine externe handheld-artige Einrichtung ausgelesen werden und die ermittelten Daten zur Prozessoptimierung eingesetzt werden.
  • Der Erfindung liegt deswegen die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, um strukturelle Informationen von Materialien einfach und effektiv ermittelt zu können.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sensor/Aktor-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren und deren Beschreibung angegeben.
  • Gemäß dem Anspruch 1 weist die erfindungsgemäße Sensor/Aktor-Vorrichtung mindestens ein Piezoelement, eine Einrichtung zur drahtlosen Übertragung von Daten und/oder Energie zur Versorgung und Steuerung des mindestens einen Piezoelementes und eine Einrichtung zur drahtlosen Übermittlung von Daten von dem mindestens einen Piezoelement auf. Es ist vorgesehen, dass die Sensor/Aktor-Vorrichtung zur Einbettung in ein zu untersuchendes oder zu analysierendes Material ausgelegt ist. Hierbei werden Impulse oder Signale durch die Sensor/Aktor-Vorrichtung in die zu untersuchenden Materialien eingekoppelt und/oder gemessen, um strukturelle Informationen über diese Materialien zu ermitteln. Als strukturelle Informationen werden hierbei insbesondere Informationen über den strukturellen Aufbau oder Änderungen dieses Aufbaus von zu untersuchenden Materialien betrachtet.
  • Ein Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, komplett auf eine fest verdrahtete Verbindung zwischen einem Piezoelement und einer nachgeschalteten Auswerteelektronik zu verzichten. Aus diesem Grund werden zusätzliche Einrichtungen im Nahbereich des Piezoelementes vorgesehen, die zur Übermittlung und Übertragung von Energie und Daten, also sowohl zum Empfang wie auch zum Aussenden von Energie und Daten eingerichtet sind. Diese Einrichtungen im Nahbereich des Piezoelemen tes haben den Vorteil, dass es zu keinen langen Übertragungswegen der Signale und Energie kommt. Ein weiterer Vorteil der drahtlosen Übertragung zum Piezoelement und der Übermittlung vom Piezoelement kann darin gesehen werden, dass es nun erstmals möglich ist, Materialien zu konstruieren, bei denen speziell an der Oberfläche keinerlei Rücksicht auf die darin eingebetteten Sensoren genommen werden muss. So liegen beispielsweise bei aus diesen Materialien hergestellten Bauteilen höhere Freiheitsgrade bzgl. der Aerodynamik vor. Es ist nunmehr möglich, diese Bauteile überzulackieren, ohne spezielle Stellen zur elektrischen Kontaktierung der Sensoren auszusparen, wie es bei herkömmlichen Sensoren mit Leitungen zur Kontaktierung an der Oberfläche notwendig war. Beispiele für die Verwendung derartiger Bauteile sind Leitwerke von Flugzeugen.
  • Grundsätzlich kann die drahtlose Übertragung der Daten und/oder der Energie auf eine beliebige Art und Weise erfolgen. Als vorteilhaft hat es sich hierbei herausgestellt, eine induktive Ankopplung durch elektromagnetische Felder vorzunehmen. Hierzu wird die Einrichtung zur drahtlosen Übertragung von Energie und/oder Daten mit antennenartigen Strukturen ausgeführt. In ähnlicher Weise kann auch die Einrichtung zur drahtlosen Übermittlung von Daten ausgebildet sein. Es ist aber ebenso möglich, in transparenten Strukturen die Übermittlung der Daten mittels optischen Übertragungssystemen zu realisieren. Die Einrichtungen können auch mehrere antennenartige Strukturen aufweisen, welche jeweils zur Übertragung oder Übermittlung von Daten und/oder Energie optimiert sind. So bietet sich zum Senden und/oder Empfangen von Energie eine Dipolantenne an, während zur Übertragung und/oder Übermittlung von Daten oft spulenartige Antennen verwendet werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung und Regelung des mindestens einen Piezoelementes, der Einrichtung zur drahtlosen Übertragung von Daten und/oder Energie und der Einrichtung zur drahtlosen Übermittlung von Daten in oder an der Sensor/Aktor-Vorrichtung vorgesehen. Diese Steuerungseinrichtung kann beispielsweise dafür eingesetzt werden, die über die Einrichtung zur drahtlosen Übertragung empfangenen Daten in Befehle umzuwandeln und diese Befehle zur Steuerung des Piezoelementes einzusetzen. Andererseits kann die Steuerungseinrichtung auch die vom Piezoelement gemessenen Impulse oder Signale auswerten, aufbereiten oder digitalisieren und zur Übermittlung an die entsprechende Einrichtung weiterleiten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sensor/Aktor-Vorrichtung speziell zur Einlaminierung in Faserverbundwerkstoffmaterialien ausgelegt. Hierbei ist es notwendig, dass sie die Temperaturen beim Aushärten und Einlaminieren aushält.
  • Es ist vorteilhaft, wenn beim Aufbau der Sensor/Aktor-Vorrichtung darauf geachtet wird, dass das mindestens eine Piezoelement zur Einkopplung von Schwingungen in eine es umgebende Materialstruktur ausgelegt ist. Bevorzugt werden hierbei Schallwellen, speziell im Ultraschallbereich, eingekoppelt. Diese Schallwellen können durch das Piezoelement erzeugt werden. Durch eine entsprechende Auslegung der Sensor/Aktor-Vorrichtung zum möglichst einfachen Einkoppeln, d. h. möglichst ohne schwingungsdämpfende Materialien, ist es ebenfalls möglich, Schwingungen in dem Material selbst relativ einfach mit dem Piezoelement aufzunehmen und in Signale umzuwandeln.
  • Um den Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Sensor/Aktor-Vorrichtung möglichst groß zu gestalten, ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung flächig, beispielsweise als dünnes Plättchen ausgebildet ist. Derartige Plättchen können einfach in Materialien, speziell Faserverbundwerkstoffe, eingebettet werden, ohne dass Material selbst maßgeblich zu beeinflussen. Insbesondere durch die Ausbildung als dünnes Plättchen ist es auch möglich, die Sensor/Aktor-Vorrichtung in dünnen Schichten einzusetzen, in denen herkömmliche, massige Sensoren nicht verwendet werden können.
  • Als Piezoelemente können hierbei auch so genannte Piezo-Patches eingesetzt werden. Auf diese Piezo-Patches können die weiteren Einrichtungen zur Steuerung, Übermittlung und/oder Übertragung auch direkt angebracht werden. Ein Piezo-Patch selbst kann auch in Form einer flexiblen Leiterplatte aufgebaut sein, ähnlich wie Flexoprint-Materialien.
  • Um die Sensor/Aktor-Vorrichtung möglichst kompakt gestalten zu können, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Einrichtung zur drahtlosen Übermittlung von Daten und/oder Energie und die Einrichtung zur drahtlosen Übertragung von Daten, zusammen als eine Einrichtung auszubilden. Hierbei können beispielsweise die antennenartigen Strukturen sowohl zum Übertragen der Daten an die Sensor/Aktor-Vorrichtung als auch zur Übermittlung der Daten von der Sensor/Aktor-Vorrichtung weg verwendet werden. Bei einer entsprechenden Dimensionierung der Antennen ist auch eine Übertragung der Energie an die Sensor/Aktor-Vorrichtung mit derselben Struktur möglich.
  • Werden mehrere erfindungsgemäße Sensor/Aktor-Vorrichtungen in einem Material eingesetzt, so hat es sich als vorteilhaft erwiesen, um die einzelnen Einrichtungen unterscheiden zu können, die Einrichtung zur drahtlosen Übermittlung von Daten ebenfalls zur Übermittlung von Identifikations- und oder Verifikationsdaten auszuführen. Unter Einsetzen im Sinne der Erfindung ist nicht nur das konkrete Einsetzen bzw. Einbauen im Sinne von Einlaminieren in das Material oder das Aufbringen auf einzelne Oberflächen zu verstehen, sondern allgemein die Verwendung derartiger Sensor/Aktor-Vorrichtungen.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn sowohl das mindestens eine Piezoelement, die Einrichtung zur drahtlosen Übermittlung und die Einrichtung zur drahtlosen Übertragung auf einem flächig ausgebildeten Trägermaterial aufgebracht sind. Hierdurch wird ein einziges kompaktes Bauteil erzeugt, welches dann relativ einfach im Produktionsprozess in das gewünschte zu untersuchende Material mit eingebracht werden kann. Hierbei stellen sich verschiedene Anforderungen an das Trägermaterial. So sollte es möglichst die Einkoppelung von Schwingungen in das zu untersuchende Material wie auch die Auskoppelung von Schwingungen aus dem zu untersuchenden Material in das Piezoelement unterstützten. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn das Trägermaterial bei einer induktiven Energieversorgung und Datenübertragung zu und von der Sensor/Aktor-Vorrichtung möglichst nicht elektrisch leitend ausgebildet ist, um diese Übertragung nicht zu beeinflussen oder zu stören. Andererseits kann es aber auch als flächiger Kondensator ausgebildet sein, welcher zur Zwischenspeicherung der empfangenen Energie verwendet wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu Ermittlung von strukturellen Informationen von Materialien ist vorgesehen, dass mindestens eine Sensor/Aktor-Vorrichtung eingesetzt wird, welche mindestens ein Piezoelement, eine Einrichtung zur drahtlosen Übertragung von Daten und/oder Energie zu diesem mindestens einen Piezoelement und eine Einrichtung zur drahtlosen Übermittlung von Daten von dem mindestens einen Piezoelement aufweist. Hierbei wird die Sensor/Aktor-Vorrichtung in einem zu untersuchenden und/oder zu beeinflussenden Material vorgesehen. Außerdem wird eine Kommunikationseinrichtung außerhalb des zu untersuchenden Materials angeordnet. Diese Kommunikationsvorrichtung ist in eine drahtlose Kommunikations- und/oder Energieübertragungsverbindung mit der Sensor/Aktor-Vorrichtung bringbar.
  • Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung ist es, mithilfe dieser Kommunikationseinrichtung strukturelle Informationen über das zu untersuchende Material von der Sensor/Aktor-Vorrichtung aus dem Material heraus zu übermitteln. Hierbei wird beispielsweise die mindestens eine Sensor/Aktor-Vorrichtung über die Kommunikationseinrich tung drahtlos mit Energie versorgt. Zusätzlich regt die Kommunikationseinrichtung die Sensor/Aktor-Vorrichtung an, das Piezoelement in Schwingung zu versetzen. Nach einer gewissen Zeit wird die Schwingung des Piezoelementes gestoppt und mit Hilfe desselben Elementes im Material zurücklaufende Schwingungen, sogenannte Echos, gemessen und mittels der Einrichtung zur Übermittlung von Daten an die Kommunikationseinrichtung weitergeleitet. Die Kommunikationseinrichtung kann beispielsweise in Form eines Handhelds ausgebildet sein, welcher Mittel zur drahtlosen Kommunikation mit einer Sensor/Aktor-Vorrichtung aufweist.
  • Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens kann darin gesehen werden, dass die Kommunikationseinrichtung nur dann im Nahbereich der Sensor/Aktor-Vorrichtung vorhanden sein muss, wenn eine Messung ausgeführt wird. So kann ein Bauteil, welches aus dem zu untersuchende Material besteht, im Betrieb ganz normal eingesetzt werden. Die Kommunikationseinrichtung wird nur dann verwendet, wenn strukturelle Informationen über das zu untersuchende Material ermittelt werden sollen, beispielsweise bei der Wartung.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere Sensor/Aktor-Vorrichtungen in dem zu untersuchenden Material vorgesehen. Hierbei wird mindestens eine Sensor/Aktor-Vorrichtung als Sensor und mindestens eine weitere Sensor/Aktor-Vorrichtung als Aktor betrieben. Die mindestens eine weitere Sensor/Aktor-Vorrichtung, welche als Aktor eingesetzt wird, erzeugt Schwingungen, welche dann wiederum durch eine weitere Sensor/Aktor-Vorrichtung, welche als Sensor verwendet wird, aufgenommen werden. Diese Messungen der Schwingungen werden dann an die Kommunikationseinrichtung weiter übertragen. Hierbei werden insbesondere Schallwellen in das zu untersuchende Material eingekoppelt, welche bevorzugt im Ultraschallbereich liegen.
  • Werden mehrere Sensor/Aktor-Vorrichtungen in einem zu untersuchenden Material, beispielsweise einer Tragfläche eines Flugzeugs verwendet, so ist es vorteilhaft, wenn für jede während des Verfahrens eingesetzte Sensor/Aktor-Vorrichtung eine Kommunikationseinrichtung vorgesehen ist. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, Speichereinheiten in den Sensor/Aktor-Vorrichtungen vorzusehen und Daten über die Schwingungen aufzuzeichnen und anschließend sequentiell mit einer einzigen Kommunikationseinrichtung die Daten abzufragen bzw. auszulesen. Einfacher ist es jedoch, mehrere Kommunikationseinrichtungen, d. h. eine an jeder Sensor/Aktor-Vorrichtung vorzusehen und so auf die Speichereinrichtungen an den einzelnen Sensor/Aktor-Vorrichtungen zu verzichten.
  • In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen eingesetzten Kommunikationseinrichtungen mit einer zentralen Einrichtung verbunden werden. Hierbei bieten sich für eine drahtlose Verbindung beispielsweise WLAN- oder Bluetooth-ähnliche Protokolle an. Die Kommunikationseinrichtung selbst kann in Form eines Handhelds oder ähnlichen Geräten ausgeführt sein. Die von den Sensor/Aktor-Vorrichtungen ermittelten Messwerte werden dann über die Kommunikationseinrichtungen an die zentrale Einrichtung übertragen und in dieser zentralen Einrichtung kann dann eine Auswertung der einzelnen Messergebnisse ausgeführt werden.
  • Eine derartige Auswertung kann beispielsweise anhand von mehreren Messreihen durchgeführt werden. Es ist z. B. denkbar, nach der Produktion eines Bauteils erste Referenzmessungen durchzuführen und diese dann in späteren Wartungszyklen zu überprüfen. Wird eine maßgebliche Änderung zu den Referenzmesswerten festgestellt, so ist von einer Änderung des strukturellen Aufbaus auszugehen. Diese Änderung kann beispielsweise ein Beschädigung sein.
  • Um eine Änderung möglichst genau in dem Material lokalisieren zu können, ist es vorteilhaft, wenn über die Kommunikationseinrichtung eine Identifikation der Sensor/Aktor-Vorrichtung ausgewiesen wird. So ist es möglich, mittels gespeicherter Informationen, wie an welchen Stellen welche Sensor/Aktor-Vorrichtung verwendet wird und der eindeutigen Identifikation einer Sensor/Aktor-Vorrichtung, Informationen über die Position der Schadstelle zu ermitteln. Bei der Verwendung von mehreren derartigen Sensor/Aktor-Vorrichtungen kann auch der Grad der Abweichung von dem Referenzmessergebnis im Vergleich mehrerer eindeutig zuordenbarer Sensor/Aktor-Vorrichtung zur genauen Lokalisierung der Schadstelle herangezogen werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird mindestens ein erfindungsgemäßer Sensor/Aktor-Vorrichtungen in einem Faserverbundwerkstoff, wie z. B. einem Kohlenstofffaser-verstärktem Kunststoff (CFK), eingesetzt. Dieser Faserverbundwerkstoff kann beispielsweise in einem Luft- oder Raumfahrzeug verwendet werden. Wie bereits beschrieben kann dann die Wartung des Fahrzeuges durch Verwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens im Zusammenhang mit einem oder mehreren der erfindungsgemäßen Sensor/Aktor-Vorrichtungen vereinfacht werden.
  • Entsprechend der Erfindung wird daher nicht nur eine Sensor/Aktor-Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Ermittlung von strukturellen Informationen von Materialien geschaffen. Vielmehr betrifft die Erfindung auch einen entsprechenden Faserverbundwerkstoff, insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), die mit einer entsprechenen Sensor/Aktor-Vorrichtung ausgelegt sind, insbesondere wenn diese Sensor/Aktor-Vorrichtung einlaminiert ist.
  • Auch Fahrzeuge, insbesondere Luft- und Raumfahrzeuge, welche mit mindestens einer Sensor/Aktor-Vorrichtung ausgestattet sind, werden vom erfindungsgemäßen Gedanken umfasst.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und schematischen Zeichnungen näher erläutert. In diesen Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine Darstellung des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensor/Aktor-Vorrichtung;
  • 2 eine Darstellung des Aufbaus eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensor/Aktor-Vorrichtung; und
  • 3 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung von strukturellen Informationen.
  • In 1 ist der schematische Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensor/Aktor-Vorrichtung 1 dargestellt. Diese weist auf einer Trägerplatte 8 ein aufgebrachtes Piezoelement 2 auf. Dieses Piezoelement 2 kann beispielsweise aus entsprechenden Keramiken oder anderen Werkstoffen gefertigt sein, welche piezoelektrische Eigenschaften aufweisen. Dies bedeutet, dass sie beim Anlegen einer Spannung eine Formänderung bzw. insbesondere eine Längenänderung ausführen. Andererseits führt ein Biegen oder Stauchen des Piezoelementes 2 zum Erzeugen einer Spannung, welche über entsprechende Elektroden abgenommen und gemessen werden kann.
  • Das Piezoelement 2 ist über eine Verbindung 6 mit einer Steuerungseinrichtung 5 verbunden. Über diese Verbindung 6 ist sowohl die Übertragung von Informationen wie auch Energie an und von dem Piezoelement 2 möglich. Die Steuerungseinrichtung 5 ist wiederum mit einer Einrichtung 3 zur Übertragung und zum Empfangen von Daten und Energie und einer Einrichtung 4 zur Übermittlung von Daten und/oder Energie verbunden.
  • Bei der Verwendung dieser Sensor/Aktor-Vorrichtung 1 werden beispielsweise über elektromagnetische Felder Energie- und Steuersignale an die Sensor/Aktor-Vorrichtung 1 übertragen. Die Steuersignale, welche in der Einrichtung 3 empfangen werden, werden von der Steuerungseinrichtung 5 ausgewertet, so dass beispielsweise entsprechende Anregungssignale an das Piezoelement 2 gesendet werden. Die hierfür notwendige Energie zur Anregung des Piezoelementes 2 kann ebenso über die Einrichtung 3 empfangen werden. Sie kann beliebig zwischengespeichert werden. Hierfür bieten sich beispielsweise Kondensatoren an. Zur Speicherung der Energie kann aber auch das Piezoelement 2 selbst verwendet werden.
  • Im Folgenden wird die prinzipielle Funktion der Sensor/Aktor-Vorrichtung 1 beschrieben, wenn sie als Aktor verwendet wird. Hierzu werden über die Einrichtung 3 an die Sensor/Aktor-Vorrichtung 1 Energie und Daten übertragen. Die Energie wird beispielsweise in einem Kondensator zwischengespeichert. Die Steuerungseinrichtung 5 decodiert nun die über die Einrichtung 3 empfangenen Daten und setzt sie in entsprechende Steuersignale für das Piezoelement um. Bei der Verwendung als Aktor wird das Piezoelement 2 durch Anlegen einer Spannung veranlasst, seine Form, beispielsweise seine Länge zu verändern. Hierbei können beispielsweise durch Anlegen von Wechselspannungen Schwingungen erzeugt werden, welche über die Trägerplatte 8 auf das Material übertragen werden, in dem die Sensor/Aktor-Vorrichtung eingebettet ist. Ist die Sensor/Aktor-Einrichtung 1 komplett von dem zu analysierenden Material eingeschlossen, so findet die Einkopplung der Schwingungen auch über das Piezoelement 2 in das Material direkt statt. Die Einrichtung 4 zum Aussenden von Daten wird hierbei nicht zwingend benötigt. Es bietet sich allerdings an, über sie Statusinformationen der Steuerungseinrichtung 5 auszusenden.
  • Wird die erfindungsgemäße Sensor-Aktor-Vorrichtung 1 lediglich als Sensor verwendet, so wird wiederum über die Einrichtung 3 Energie und Steuersignale an die Sensor/Aktor-Vorrichtung 1 übertragen. Die Steuerungseinrichtung 5 veranlasst dann aber nicht die Anregung des Piezoelementes 2, sondern wertet die am Piezoelement 2 durch Verformung entstehenden Spannungen oder andere elektrophysikalische Werte aus. Hierfür kann die Steuerungseinrichtung 5 je nach verwendetem Piezoelement dieses in einen Sensormodus schalten, wobei auch ein Aktormodus vorhanden sein kann. Diese gemessenen Werte, beziehungsweise bereits vorverarbeitete Informationen aus diesen Werten, werden dann über die Einrichtung 4 abgestrahlt, so dass sie von einem ent sprechenden Empfänger empfangen werden können. Hierbei erfolgt die Abstrahlung bevorzugt ebenfalls durch elektromagnetische Wellen. Es ist aber auch denkbar, die Werte in Form von optischen Signalen abzustrahlen, wenn das Material, in dem die Sensor/Aktor-Vorrichtung 1 eingebettet ist, diese beispielsweise an die Oberfläche weiterleitet, an der ein entsprechender Sensor die Signale aufnehmen kann.
  • In 1 befinden sich die Einrichtung 3 zum Empfangen von Daten und Energie, die Einrichtung 4 zum Aussenden von Daten und die Steuerungseinrichtung 5 z. B. auf einem RFID-Chip 7. Selbstverständlich kann ein entsprechender RFID-Chip auch anders ausgeführt sein. So ist es möglich, die Einrichtung zum Aussenden und Empfangen nur als gemeinsame Einrichtung vorzusehen und für beide Verwendungszwecke zu nutzen.
  • In 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensor/Aktor-Vorrichtung 1 dargestellt. In dieser Ausführungsform wird auf die Trägerplatte 8 verzichtet und der RFID-Tag 7 direkt auf das Piezoelement 2 aufgebracht. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit von Verbindungseinrichtungen 6, da eine Kontaktierung des Piezoelementes 2 direkt möglich ist.
  • Bei dem hier dargestellten RFID-Tag 7 sind zwei verschiedene Arten von antennenartigen Empfangs- beziehungsweise Sendeeinrichtungen dargestellt. Die erste Antenne 18 ist spulenartig aufgebaut, während die zweite Antenne 19 in Form eines Dipols ausgeführt ist. Hierbei eignen sich vor allem dipolartige Antennen 19 zum Empfang von Energie, beispielsweise zum Betrieb des RFID-Chips beziehungsweise des Piezoelementes, während sich die spulenartige Antenne 18 eher zur Übertragung von Daten zu und von der Sensor/Aktor-Vorrichtung 1 eignet.
  • Eine sehr vereinfachte Ausführungsform der Erfindung kann lediglich in einem Piezoelement gesehen werden, welches mit einer Antenne zum Senden und Empfangen von Daten verbunden ist.
  • In 3 ist ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In einem zu untersuchenden Material 16, beispielsweise einer Tragfläche oder einem CFK-Bauteil eines Flugzeugs sind vier Sensor/Aktor-Vorrichtungen 11, 12, 13 und 14 eingebracht. Diese können beispielsweise miteinlaminiert sein, so dass sie an der Oberfläche selbst nicht mehr sichtbar sind. Hierbei sind Tiefen von 3 bis 4 mm aber auch mehr denkbar. Zu Verdeutlichungszwecken sind sie aber in 3 sicht bar eingezeichnet. Um strukturelle Informationen über das Material 16 zu ermitteln sind verschiedene Verfahrenskonzepte möglich.
  • Zum einen kann eine einzelne Sensor-Aktor-Vorrichtung 13 als Sensor und gleichzeitig als Aktor verwendet werden. Hierbei werden über die Sensor/Aktor-Vorrichtung 13 in dem Material Ultraschallschwingungen 20 erzeugt. Anschließend misst die selbe Sensor/Aktor-Vorrichtung 13 die zurücklaufenden Schallwellen und sendet Daten über die zurücklaufenden Wellen an eine übergeordnete Auswertestation aus.
  • Eine andere Methode ist die Verwendung von mehreren Sensor/Aktor-Vorrichtungen 11, 12, 13 und 14, bei denen meist nur eine Sensor/Aktor-Vorrichtung 13 als Aktor verwendet wird, während die anderen Sensor/Aktor-Vorrichtungen 11, 12 und 14 im Sensormodus betrieben werden. Die aktive Sensor/Aktor-Vorrichtung 13 sendet Ultraschallwellen 20 in das Material aus, welche von den als Sensor arbeitenden Sensor/Aktor-Vorrichtungen 11, 12 und 14 empfangen werden. Anhand der empfangenen Daten können Informationen über die Struktur und den Aufbau des Materials ermittelt werden.
  • Zur Ansteuerung der Vorrichtungen 11, 12, 13 und 14 und Auswertung der Daten, welche durch die Sensor/Aktor-Vorrichtungen 11, 12, 13 und 14 ermittelt werden, wird zusätzlich eine Kommunikationseinrichtung 22 verwendet. In 3 ist exemplarisch vereinfacht eine Kommunikationseinrichtung 22 dargestellt. Werden mehrere Sensor/Aktor-Vorrichtungen verwendet, so ist es normalerweise notwendig, dass pro verwendeter Sensor/Aktor-Vorrichtung 11, 12, 13 und 14 auch eine Kommunikationseinrichtung 22 vorgesehen ist. Diese Kommunikationseinrichtung 22 sendet beispielsweise elektromagnetischen Felder zur Anregung und Steuerung einer Sensor/Aktor-Vorrichtung 14 aus und empfängt die Ergebnisse der Sensor/Aktor-Vorrichtung 14. Auch kann die Kommunikationseinrichtung 22 beispielsweise Identifikationsinformationen von der Sensor/Aktor-Vorrichtung 14 auslesen, um eine genaue Zuordnung anhand einer Datenbank durchzuführen. Die von der Kommunikationseinrichtung 22 erhaltenen Messdaten werden dann an einen zentralen Server 24 weitergeleitet. Dieser Server empfängt die Messdaten aller verwendeten Kommunikationseinrichtungen. Anhand der Identifikationsinformationen über einzelne Sensor/Aktor-Vorrichtungen ist es möglich die Messdaten einer jeweiligen genauen Sensor/Aktor-Vorrichtung und damit auch einer exakten Position im Material zuzuordnen.
  • Eine weitere Funktion, welche durch die Kommunikationseinrichtung 22 ausgeführt werden kann, ist das Ermitteln der genauen Resonanzfrequenz der Sensor/Aktor-Vorrichtung 14 bzw. des verwendeten RFID-Tags. Wird eine Sensor/Aktor-Vorrichtung 14 mit einem RFID-Tag in das zu untersuchende Material eingebracht und befinden sich metallische bzw. elektrisch leitende Strukturen im Nahbereich, so verändert sich die Resonanzfrequenz des RFID-Tag, welche zur Datenübertragung von und zu dem Tag benötigt wird. Die Kommunikationseinrichtung 22 kann eine derartige Verschiebung ermitteln und diese beim Empfangen und Aussenden an den RFID-Tag berücksichtigen bzw. ihre verwendeten Frequenzen dahin optimieren.
  • In dem Server 24 findet dann die endgültige Auswertung von z. B. einer durchgeführten Messreihe statt. Die Auswertung in dem zentralen Server 24 kann beispielsweise mit Hilfe von Referenzmessungen ausgeführt werden, die während der Produktion des entsprechenden Materials oder des Produktes durchgeführt wurden oder einen idealen Signalverlauf darstellen.
  • Eine ungewollte Veränderung in der Struktur des Materials 16 kann nun im Vergleich mit den Referenzwerten ermittelt werden. Durch die Positionierung von mehreren Sensor/Aktor-Vorrichtungen in dem zu untersuchenden Material 16 ist es z. B. auch möglich, die exakte Position einer Schadstelle zu ermitteln.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Sensor/Aktor-Vorrichtung ist es in der nur beispielhaft dargestellten Weise möglich, strukturelle Informationen in Materialien einfach und flexibel zu ermitteln und auszuwerten.

Claims (16)

  1. Sensor/Aktor-Vorrichtung (1) zur Ermittlung von strukturellen Informationen von Materialien (16) durch Einkopplung von Impulsen oder Signalen (20) in die Materialien (16) und/oder Messen von Impulsen oder Signalen (20) in den Materialien (16), mit a) mindestens einem Piezoelement (2), b) einer ersten Einrichtung (3) zur drahtlosen Übertragung von Daten und/oder Energie zur Versorgung und Steuerung des mindestens einen Piezoelementes (2) und c) einer zweiten Einrichtung (4) zur drahtlosen Übermittlung von Daten von dem mindestens einen Piezoelement (2), d) wobei eine Einbettung der Sensor/Aktor-Vorrichtung (1) in die Materialien (16) vorgesehen ist, und e) wobei das mindestens eine Piezoelement (2) – zum Einkoppeln von Schwingungen (20), insbesondere Schallwellen, in die Materialien (16) sowie – zum Aufnehmen von Schwingungen (20) aus diesen Materialien (16) und – zum Messen von Schwingungen (20) in diesen Materialien (16) ausgelegt ist.
  2. Sensor/Aktor-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (3) zur drahtlosen Übertragung von Daten und/oder Energie antennenartige Strukturen aufweist, welche zur induktiven Ankopplung von elektromagnetischen Feldern ausgelegt sind.
  3. Sensor/Aktor-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinrichtung (5) zur Steuerung und Regelung des mindestens einen Piezoelementes (2), der Einrichtung (3) zur drahtlosen Übertragung von Daten und/oder Energie und der Einrichtung (4) zur drahtlosen Übermittlung von Daten vorgesehen ist.
  4. Sensor/Aktor-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor/Aktor-Vorrichtung (1) zur Einlaminierung in Faserverbundwerkstoff-Materialien (16) ausgelegt ist.
  5. Sensor/Aktor-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor/Aktor-Vorrichtung (1) flächig, insbesondere als dünnes Plättchen ausgebildet ist.
  6. Sensor/Aktor-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (3) zur drahtlosen Übertragung von Daten und/oder Energie und die Einrichtung (4) zur drahtlosen Übermittlung von Daten zusammen als eine Einrichtung (7) ausgeführt sind.
  7. Sensor/Aktor-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (3) zur drahtlosen Übermittlung von Daten zur Übermittelung von Identifikations- und/oder Verifikationsdaten ausgeführt ist.
  8. Sensor/Aktor-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Piezoelement (2), die Einrichtung (3) zur drahtlosen Übermittlung und die Einrichtung (4) zur drahtlosen Übertragung auf einem flächig ausgebildeten Trägermaterial (8) aufgebracht sind.
  9. Verfahren zur Ermittlung von strukturellen Informationen von Materialien (16), insbesondere von Faserverbundwerkstoffen, mittels mindestens einer Sensor/Aktor-Vorrichtung (1), wobei a) die Sensor/Aktor-Vorrichtung (1) in einem zu untersuchenden und/oder zu beeinflussenden Material (16) vorgesehen wird, b) eine Kommunikationseinrichtung (22) zur Ermittlung der strukturellen Informationen außerhalb des zu untersuchenden Materials (16) angeordnet wird, c) eine drahtlose Kommunikations- und Energieübertragungsverbindung zwischen der Kommunikationseinrichtung (22) und der Sensor/Aktor-Vorrichtung (1) hergestellt wird, d) mittels mindestens einer Sensor/Aktor-Vorrichtung (1) Schwingungen (20), insbesondere Schallwellen, in das zu untersuchende und/oder zu beeinflussende Material (16) eingekoppelt werden und e) mittels mindestens einer Sensor/Aktor-Vorrichtung (1) Schwingungen (20), insbesondere Schallwellen, aus dem zu untersuchenden und/oder zu beeinflussenden Material (16) aufgenommen und gemessen werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensor/Aktor-Vorrichtungen (1) vorgesehen werden und dass mindestens eine Sensor/Aktor-Vorrichtung (1) als Sensor und mindestens eine weitere Sensor/Aktor-Vorrichtung (1) als Aktor betrieben werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinrichtung (22) mit einer zentralen Einrichtung (24) drahtlos verbunden wird und dass diese Verbindung über WLAN oder Bluetooth ähnliche Protokolle ausgeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für jede während des Verfahrensablaufs verwendete Sensor/Aktor-Vorrichtung (1) eine Kommunikationseinrichtung (22) vorgesehen wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung von strukturellen Informationen Ergebnisse mehrerer Messreihen in der zentralen Einrichtung (24) verglichen werden.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass über die Kommunikationseinrichtung (22) eine Identifikation der Sensor/Aktor-Vorrichtung (1) ausgelesen wird.
  15. Faserverbundwerkstoff gekennzeichnet durch mindestens eine Sensor/Aktor-Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  16. Fahrzeug, insbesondere Luft- oder Raumfahrzeug gekennzeichnet durch mindestens eine Sensor/Aktor-Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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