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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Um
Analysen mittels Piezoelementen durchführen zu können, werden Anstrengungen
unternommen, Piezoelemente mit deren Anschlüssen auch im Material unterbringen
zu können.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Erfindung liegt deswegen die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
und ein Verfahren anzugeben, um strukturelle Informationen von Materialien einfach
und effektiv ermittelt zu können.
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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.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungen
sind in den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung sowie den Figuren und deren Beschreibung angegeben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Auch
Fahrzeuge, insbesondere Luft- und Raumfahrzeuge, welche mit mindestens
einer Sensor/Aktor-Vorrichtung ausgestattet sind, werden vom erfindungsgemäßen Gedanken
umfasst.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und schematischen
Zeichnungen näher
erläutert.
In diesen Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Darstellung des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensor/Aktor-Vorrichtung;
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2 eine
Darstellung des Aufbaus eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensor/Aktor-Vorrichtung;
und
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3 ein
Blockschaltbild zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Ermittlung von strukturellen Informationen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.