DE102011103011B4

DE102011103011B4 - Sensor device and method for predicting the damage state of components

Info

Publication number: DE102011103011B4
Application number: DE102011103011.9A
Authority: DE
Inventors: Sergej Aman; Jürgen Thomas; Martin Molitor; Alexander Aman; Martin Pieper
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2015-12-03
Anticipated expiration: 2031-05-25
Also published as: WO2012159604A1; DE102011103011A1

Abstract

Sensoreinrichtung (1) zur Ermittlung und Vorhersage eines Schädigungszustandes von im Betrieb befindlichen Bauteilen, vorzugsweise aus Keramik, Metall, Glas oder Faserverbundwerkstoffen, basierend auf einer Fraktoemission in Form einer Licht-, Radiowellen- oder Elektronenemission von Rissufern des Bauteils bei einer Mikrorissentwicklung im Bauteil, bestehend aus Impulsen, während der Entstehung und Ausbreitung von Mikrorissen, wobei die Sensoreinrichtung (1) zumindest – zwei Kanäle (5) und – einen Filter (4), vorzugsweise einen Nahinfrarotfilter oder UV-Filter oder elektronischen Filter oder elektrischen Spannungsfilter umfasst, wobei der Schädigungszustand aus dem Produkt der Breite von Mikrorissen und ihrer Anzahl aus der spektralen Intensität und der Anzahl der Fraktoemissionsimpulse ermittelbar ist und wobei die Breite der Risse anhand des Verhältnisses der Licht-, Radiowellen- oder Elektronenintensitäten in den unterschiedlichen Wellenlängenbereichen bestimmbar ist.Sensor device (1) for determining and predicting a damage state of components in operation, preferably made of ceramic, metal, glass or fiber composites, based on a fraktoemission in the form of a light, radio wave or electron emission of Rissufern of the component in a microcracking development in the component, consisting of pulses, during the formation and propagation of microcracks, the sensor device (1) comprising at least - two channels (5) and - a filter (4), preferably a near-infrared filter or UV filter or electronic filter or electric voltage filter, wherein the Damage state of the product of the width of microcracks and their number from the spectral intensity and the number of Fraktoemissionsimpulse is determined and wherein the width of the cracks on the basis of the ratio of the light, radio wave or electron intensities in the different wavelength ranges can be determined.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung und Vorhersage eines Schädigungszustandes von im Betrieb befindlichen Bauteilen, vorzugsweise aus Keramik, Metall, Glas oder Faserverbundwerkstoffen, basierend auf einer Fraktoemission basierend auf einer Licht-, Radiowellen- oder Elektronenemission, während der Entstehung und Ausbreitung von Mikrorissen.The invention relates to a sensor device and a method for determining and predicting a state of damage of components in operation, preferably of ceramic, metal, glass or fiber composites, based on a light, radio wave or electron emission based on fractions emitted during formation and propagation of microcracks.

Während des Betriebs von Maschinen besteht ein großer Bedarf, den Schädigungszustand von Bauteilen festzustellen. Aus diesem Grund müssen die Maschinen außer Betrieb genommen werden, um eine detaillierte zerstörungsfreie Prüfung der Bauteile durchführen zu können. Die Außerbetriebnahmen und die anschließenden Prüfungen sind oft mit einem enormen Aufwand bei der Demontage und Montage von Bauteilen verbunden. Die daraus resultierenden Kosten bei hochwertigen Maschinen, für welche diese Prüfung insbesondere wichtig ist, liegen oft im 5- oder 6-stelligen Bereich. Um diesen Aufwand zu vermeiden, wurden zahlreiche Verfahren entwickelt, die eine Fraktoemissionsanalyse zur Grundlage haben.During the operation of machines there is a great need to determine the damage condition of components. For this reason, the machines must be taken out of service in order to carry out a detailed non-destructive inspection of the components. The decommissioning and the subsequent tests are often associated with a huge effort in the disassembly and assembly of components. The resulting costs for high-quality machines, for which this test is particularly important, are often in the 5- or 6-digit range. In order to avoid this expense, numerous methods have been developed which are based on a fractoemission analysis.

Hierbei ist die Lichtemission beim Bruch von Materialien, die so genannte Mechanolumineszenz, ein weit verbreitetes Phänomen, welches häufig untersucht und in der Literatur beschrieben worden ist. Bei diesen Untersuchungen spielt jedoch stets der grundlagenwissenschaftliche Aspekt eine vordergründige Rolle [1–5].Here, the light emission at the fraction of materials, the so-called mechanoluminescence, a widespread phenomenon, which has been widely studied and described in the literature. In these investigations, however, the basic scientific aspect always plays a superficial role [1-5].

Die Mechanolumineszenz wird zur Charakterisierung von Prozessen in verfahrenstechnischen Anlagen benutzt. Somit kann eine online-Überwachung und -Regelung von Zerkleinerungs- und Deformationsprozessen [6, 7, 8] realisiert werden. Außerdem können Untersuchungen der Mechanolumineszenz bei der Detektion von Rissen und zur Vorhersage von Brüchen in Werkstoffen angewandt werden.Mechanoluminescence is used to characterize processes in process plants. Thus, an online monitoring and control of crushing and deformation processes [6, 7, 8] can be realized. In addition, studies of mechanoluminescence can be applied to the detection of cracks and to the prediction of fractures in materials.

Mechanolumineszenz (ML) wird durch eine mechanische Beanspruchung von Festkörpern und der darauffolgenden Rissausbreitung mit einer Bruchspaltbildung ausgelöst. Die instabile Rissausbreitung verläuft mit einer hohen Geschwindigkeit und erzeugt unkompensierte elektrische Ladungen zwischen den Bruchflächen, die zu einer elektrischen Spannung führen. Nachdem die elektrische Spannung einen kritischen Wert erreicht hat, folgt eine Reihe von Mikrogasentladungen des Umgebungsgases, welches in den Bruchspalt eingedrungen ist. Hierbei werden die Elektronen in einem elektrischen Feld, das kurzfristig zwischen den Rissufern vorherrscht, beschleunigt und stoßen mit den Gasmolekülen zusammen. Es findet eine Anregung der Gasmoleküle mit einer nachfolgenden Lichtemission statt [9–11]. In diesem Fall stimmt das Mechanolumineszenz-Spektrum (ML-Spektrum) mit dem Gasspektrum überein [1, 10]. Dabei werden viele Photonen in wenigen Nanosekunden ausgestrahlt.Mechanoluminescence (ML) is triggered by mechanical stress on solids and subsequent crack propagation with fracture cracking. The unstable crack propagation proceeds at a high speed and produces uncompensated electrical charges between the fracture surfaces that result in electrical voltage. After the electrical voltage has reached a critical value, a series of micro gas discharges of the ambient gas, which has penetrated into the fracture gap, follows. In this case, the electrons are accelerated in an electric field that prevails for a short time between the banks of the cracks and collide with the gas molecules. There is an excitation of the gas molecules with a subsequent light emission [9-11]. In this case, the mechanoluminescence spectrum (ML spectrum) agrees with the gas spectrum [1, 10]. Many photons are emitted in a few nanoseconds.

Die Lichtemission kann aber auch durch Ionen- und Elektronenstöße mit der oder aufgrund von chemisch aktiven Zentren induziert werden [12]. Die spektrale Intensität und der zeitliche Verlauf, der hierbei entstehenden Lichtimpulse sind materialspezifisch und besitzen keine universalen Eigenschaften, welche zur Ermittlung des Bruches verwendet werden können [4, 5]. Wegen der relativ langen Dauer und niedrigen Intensität der Lichtemission kann diese Art von Mechanolumineszenz mit Hilfe von konventionellen Photonenzählern untersucht werden.However, light emission can also be induced by ion and electron collisions with or due to chemically active centers [12]. The spectral intensity and the time course of the resulting light pulses are material-specific and have no universal properties that can be used to determine the fraction [4, 5]. Because of the relatively long duration and low intensity of light emission, this type of mechanoluminescence can be studied using conventional photon counters.

Diese Analysemethoden dienen zwar der Detektierung von Rissen und der Vorhersage von Brüchen an Bauteilen, werden aber bisher praktisch nicht umgesetzt, da die Methoden selbst materialspezifisch und somit sehr aufwendig sind.Although these analysis methods are used to detect cracks and to predict fractures on components, they have so far not been implemented in practice, since the methods themselves are material-specific and therefore very expensive.

Bekannt aus der WO90/09582 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen des Auftretens oder Ausbreitens von Brüchen oder Rissen in Materialien, Werkstücken, Bauteilen und ähnlichem, insbesondere in erdbebengefährdeten Gebieten. Hierbei werden die Zeitpunkte, die Zeitdauer und die Häufigkeiten einzeln, zusammen oder in beliebiger Kombination bestimmt und ausgewertet, in denen die elektrischen Feldveränderungen einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigen.Known from the WO90 / 09582 are a method and apparatus for monitoring the occurrence or propagation of cracks or cracks in materials, workpieces, components, and the like, particularly in earthquake-prone areas. Here, the times, the duration and the frequencies are determined and evaluated individually, together or in any combination in which the electric field changes exceed a predetermined threshold.

Aus DE 696 31 156 T2 ist eine Sensoreinrichtung zur Ermittlung von Vorhersage eines Schädigungszustandes von in Betrieb befindlichen Bauteilen, vorzugsweise aus Faserverbundwerkstoffen bekannt, beispielsweise für Flugzeugteile, Gebäude oder Brücken, die außergewöhnlichen Belastungen, einschließlich Erdbewegungen, ausgesetzt sind. Ebenso wird auf Tribolumineszenzmaterial hingewiesen, welches bei Bruchbelastung Licht abgibt, bestehend aus Impulsen, während der Entstehung und Ausbreitung von Mikrorissen. Offenbart werden zudem Filter, umfassend ein oder mehrere Detektoren, wobei die Detektoren mit Filtern oder Wellenlängen-Nachweismitteln zur Bestimmung des Orts der Beschädigung an mehreren Stellen verwendet werden können.Out DE 696 31 156 T2 For example, a sensor device is known for detecting prediction of damage to in-service components, preferably fiber composites, for example, aircraft parts, buildings, or bridges exposed to exceptional loads, including earthmoving. Also noted is triboluminescent material which emits light at break stress consisting of pulses during the formation and propagation of microcracks. Also disclosed are filters comprising one or more detectors, which detectors may be used with filters or wavelength detection means to determine the location of the damage at multiple locations.

Aus Hocking, M. B.; Preston D. M.; Zink, J. I.: Triboluminescence of 1,2,5-Triphenylphosphole and related compounds. In: J. Lumines., 1989, Vol. 43, S. 309–322 ist bekannt, den Schädigungszustand aus dem Produkt der Breite von Mikrorissen und ihrer Anzahl aus der spektralen Intensität und der Anzahl der Fraktoemissionsimpulse zu ermitteln.From Hocking, M. B .; Preston D.M .; Zink, J.I .: Triboluminescence of 1,2,5-triphenylphosphole and related compounds. In: J. Lumines., 1989, Vol. 43, pp. 309-322 it is known to determine the damage state from the product of the width of microcracks and their number from the spectral intensity and the number of fractoemission pulses.

Bisher praktisch genutzte Verfahren sind nur zum Detektieren von entstehenden, Rissen geeignet. Eine Bestimmung des Schädigungszustandes ist jedoch mit diesen Verfahren nicht möglich. Dementsprechend ist eine Sicherheitsbewertung von Bauteilen, im Sinne einer Restlebensdauerdiagnose, allein durch ein Detektieren der Rissentstehung nicht möglich. Previously used methods are only suitable for detecting resulting cracks. However, a determination of the damage state is not possible with these methods. Accordingly, a safety assessment of components, in terms of a residual life diagnosis, alone by detecting the crack formation is not possible.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um den Schädigungszustand eines Bauteils bestimmen zu können und um eine Vorhersage eines Bruchvorgangs mit einfachen Mitteln zu ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches nicht materialspezifisch orientiert ist.Against this background, the object of the present invention is to provide an apparatus and a method for determining the damage state of a component and for enabling a prediction of a fracture process by simple means. Another object of the invention is to provide a method which is not material-specific oriented.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Sensoreinrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 7 sowie den weiteren vorteilhaften Ausführungsformen gemäß den Unteransprüchen.This object is achieved by a sensor device according to claim 1 and a method according to claim 7 and the further advantageous embodiments according to the subclaims.

Hinsichtlich der Sensoreinrichtung zur Ermittlung und Vorhersage eines Schädigungszustandes von im Betrieb befindlichen Bauteilen aus Keramik, Metall, Glas oder Faserverbundwerkstoffen, basierend auf einer Fraktoemission in Form einer Lichtemission oder einer Radiowellenemission oder einer Elektronenemission, bestehend aus Impulsen, den so genannten Fraktoemissionsimpulsen, während der Entstehung und Ausbreitung von Mikrorissen, ist vorgesehen, dass der Schädigungszustand aus dem Produkt der Breite von Mikrorissen und ihrer Anzahl aus der spektralen Intensität und der Anzahl der Fraktoemissionsimpulse ermittelbar ist und wobei die Breite der Risse anhand des Verhältnisses der Licht-, Radiowellen- oder Elektronenintensitäten in den unterschiedlichen Wellenlängenbereichen bestimmbar ist. Die Sensoreinrichtung umfasst dabei zumindest zwei Kanäle zur gleichzeitigen Messung der spektralen Intensitäten der Impulse der Fraktoemission und einen Filter, vorzugsweise einen Nahinfrarotfilter oder UV-Filter oder elektronischen Filter oder elektrischen Spannungsfilter.With regard to the sensor device for determining and predicting a state of damage of components in operation from ceramic, metal, glass or fiber composites, based on a fracture emission in the form of a light emission or a radio wave emission or electron emission, consisting of pulses, the so-called fracto-emission pulses, during formation and propagation of microcracks, it is provided that the state of damage can be determined from the product of the width of microcracks and their number from the spectral intensity and the number of fractoemission pulses and wherein the width of the cracks is determined by the ratio of the light, radio wave or electron intensities The different wavelength ranges can be determined. The sensor device comprises at least two channels for the simultaneous measurement of the spectral intensities of the pulses of the fracto-emission and a filter, preferably a near infrared filter or UV filter or electronic filter or electric voltage filter.

Bevorzugt können Sensoreinrichtungen zur Bestimmung der Lichtemissionen auch in Kombinationen mit Sensoreinrichtungen zur Ermittlung der zuvor genannten Radioemissionen und/oder Elektronenemissionen vorgesehen sein. Die Sensoreinrichtungen für die Emissionsmessungen sind dabei beliebig kombinierbar.Preferably, sensor devices for determining the light emissions may also be provided in combinations with sensor devices for determining the abovementioned radio emissions and / or electron emissions. The sensor devices for the emission measurements can be combined as desired.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Sensoreinrichtung dabei zumindest zwei Kanäle zur gleichzeitigen Messung der Lichtintensität und einen Filter zur Durchlässigkeit des Lichtes in einem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1000 nm, vorzugsweise einen Nahinfrarotfilter von 660 nm bis 1000 nm oder einen UV/VIS-Filter von 300 nm bis 660 nm umfassen.In a further embodiment of the invention, the sensor device may comprise at least two channels for the simultaneous measurement of the light intensity and a filter for the transmission of light in a wavelength range of 300 nm to 1000 nm, preferably a near-infrared filter of 660 nm to 1000 nm or a UV / VIS. Include filters from 300 nm to 660 nm.

Vorzugsweise sind Multi-Pixel-Photonen-Counter-Sensoren (MPPC-Sensoren) vorgesehen. Dabei können 2–15-kanalige MPPC-Sensoren mit 2–15 unterschiedlichen optischen Filtern, welche den Bereich von 300 nm bis 1000 nm überdecken, verwendet werden.Preferably, multi-pixel photon counter (MPPC) sensors are provided. In this case, 2-15-channel MPPC sensors with 2-15 different optical filters covering the range from 300 nm to 1000 nm can be used.

Der Vorteil solch einer Zerlegung der Lichtintensität liegt in der Möglichkeit, die Lichtintensitäten in den 2–15 Wellenlängenbereichen gleichzeitig mit einer zeitlichen Auflösung im ns – Bereich, beispielsweise bei ca. 3 ns aufzunehmen.The advantage of such a decomposition of the light intensity lies in the possibility of recording the light intensities in the 2-15 wavelength ranges simultaneously with a temporal resolution in the ns range, for example at approximately 3 ns.

Dabei besteht eine Möglichkeit, den zeitlichen Verlauf dieser Lichtintensitäten zu analysieren und darüber hinaus Informationen über die Anzahl und Breite der Risse aufzunehmen, das heißt, beispielsweise den Schadensfortschritt zu ermitteln.There is a possibility to analyze the time course of these light intensities and also to include information about the number and width of the cracks, that is, for example, to determine the damage progress.

Es wurde herausgefunden, dass sich Filter als vorteilhaft erweisen, die für die Durchlässigkeit folgender Wellenlängenbereiche geeignet sind, wobei die Filter bzgl. ihrer Wellenlängendurchlässigkeit im Bereich von +/–10 nm tolerieren können:
Filter 1: 300 nm–320 nm
Filter 2: 320 nm–350 nm
Filter 3: 350 nm–390 nm
Filter 4: 390 nm–430 nm
Filter 5: 430 nm–470 nm
Filter 6: 470 nm–500 nm
Filter 7: 500 nm–550 nm
Filter 8: 550 nm–600 nm
Filter 9: 600 nm–650 nm
Filter 10: 650 nm–700 nm
Filter 11: 700 nm–750 nm
Filter 12: 750 nm–800 nm
Filter 13: 850 nm–900 nm
Filter 14: 900 nm–950 nm
Filter 15: 950 nm–1000 nmIt has been found that filters which are suitable for the transmission of the following wavelength ranges prove to be advantageous, wherein the filters can tolerate their wavelength transmittance in the range of +/- 10 nm:
Filter 1: 300 nm-320 nm
Filter 2: 320 nm-350 nm
Filter 3: 350 nm-390 nm
Filter 4: 390nm-430nm
Filter 5: 430 nm-470 nm
Filter 6: 470 nm-500 nm
Filter 7: 500 nm-550 nm
Filter 8: 550 nm-600 nm
Filter 9: 600 nm-650 nm
Filter 10: 650 nm-700 nm
Filter 11: 700 nm-750 nm
Filter 12: 750 nm-800 nm
Filter 13: 850 nm-900 nm
Filter 14: 900 nm-950 nm
Filter 15: 950 nm-1000 nm

Der Schädigungszustand wird auf der Basis der Anzahl und der Breite von entstehenden Rissen ermittelt. Die Anzahl und Breite der Risse, wird aus der spektralen Intensität der Impulse der Fraktoemission und ihrer Anzahl bestimmt.The damage condition is determined on the basis of the number and the width of resulting cracks. The number and width of the cracks is determined from the spectral intensity of the fractions of the fractoemission and their number.

Zur Charakterisierung des Schädigungszustandes wird ein Deformation-Bruch-Parameter (DB) eingeführt, welcher als Verhalten von normierten kumulativen Intensitäten im Nahinfrarotbereich, d. h. im Wellenlängenbereich von 665–900 nm und gesamten spektralen Bereich der Sensoreinrichtung, berechnet wird. Vorzugsweise sind auch hier Multi-Pixel-Photonen-Counter-Sensoren vorgesehen. Erreicht dieser Parameter einen bestimmten materialtypischen Wert, steht das Bauelement unmittelbar vor dem Materialversagen.To characterize the damage state, a deformation-breaking parameter (DB) is introduced, which is calculated as the behavior of normalized cumulative intensities in the near-infrared region, ie in the wavelength range of 665-900 nm and the entire spectral range of the sensor device. Preferably, multi-pixel photon counter sensors are also provided here. If this parameter reaches a certain material-typical value, the component is directly in front of the material failure.

Anders als bei den Phänomenen, die bei den zuvor genannten bekannten beobachtet und zur Auswertung herangezogen werden, verhält es sich bei dem Phänomen der Mikroentladungen, welche unmittelbar während der Bildung und Entwicklung von Rissen entstehen. Diese Mikroentladungen sind abhängig vom in den Riss eindringenden Medium, zum Beispiel Luft, Argon, Öl, und somit von seinen spektralen Eigenschaften. Somit ist zu erwarten, dass die Eigenschaften dieser Mikroentladungen, bzw. die spektrale Intensität der Emissionen, insbesondere der Licht- und Radiowellenemission, nur insofern von den Materialeigenschaften abhängen, als dass die Energie, mit der die Atome des eindringenden Mediums angeregt werden, von der Anzahl der Ladungsträger an den entstehenden Rissufern abhängig ist. Diese Anzahl der Ladungsträger ist materialabhängig. Mikroentladungen führen zur Licht- und RadiowellenemissionUnlike the phenomena observed in the aforementioned prior art and used for evaluation, the phenomenon of microdischarges which arise directly during the formation and development of cracks is the phenomenon. These microdischarges depend on the medium entering the crack, for example air, argon, oil, and thus on its spectral properties. It can therefore be expected that the properties of these microdischarges, or the spectral intensity of the emissions, in particular of the light and radio-wave emission, depend on the material properties only insofar as the energy with which the atoms of the penetrating medium are excited differs from that of the material Number of charge carriers on the resulting Rissufern depends. This number of charge carriers is material-dependent. Micro discharges lead to light and radio wave emission

Eine Form der Mikroentladung, die beispielsweise vorkommen kann, ist die Mikrogasentladung, die beim Eindringen von Gasen in einen Riss hervorgerufen werden kann. Der Begriff Mikroentladungen enthält dabei sowohl Gas, als eindringendes Medium, als auch Öl, oder Vakuum, oder sonstige eindringende Medien. Hierbei sind Mikroentladungen abhängig von dem Material, an welchem ein Bruch oder Riss eingetreten ist und von dem eindringenden Medium.One form of microdischarge that may occur, for example, is the microgas discharge that can be caused by the penetration of gases into a crack. The term microdischarges contains both gas, as penetrating medium, as well as oil, or vacuum, or other penetrating media. In this case, micro discharges are dependent on the material on which a break or crack has occurred and on the penetrating medium.

Die Abhängigkeit der Mikroentladung von dem eindringenden Medium wird dadurch hervorgerufen, dass sich im Medium unterschiedliche Atome auf unterschiedlichen Elektronenergieniveaus befinden.The dependence of the micro-discharge of the penetrating medium is caused by the fact that in the medium different atoms are at different electron energy levels.

Die Abhängigkeit der Mikroentladung von dem Material, in dem ein Bruch oder Riss auftritt, ist dadurch begründbar, dass sich bei unterschiedlichen Materialien auch unterschiedlich viele Ladungsträger bei der Rissentstehung an den Rissufern ansammeln. Somit werden auch unterschiedlich viele Ladungsträger von einem Rissufer zum anderen Rissufer springen und die Atome im Medium mit einer unterschiedlichen Energie anregen.The dependence of the microdischarge on the material in which a fracture or crack occurs can be explained by the fact that with different materials also different numbers of charge carriers accumulate on the banks of the cracks during the formation of cracks. Thus, different numbers of charge carriers will jump from one crack bank to the other bank of cracks and stimulate the atoms in the medium with a different energy.

Hierbei stellen Zuckerkristalle, die eine starke Lichtintensität aufweisen, ein oft verwendetes Material zum Nachweis von Mikroentladungen während eines Bruches dar. Bisherige Untersuchungen zeigen [1, 4, 5, 10], dass Lichtimpulse, das Linienspektrum einer elektrischen Entladung, der in der Luft beinhaltenden N₂-Moleküle, enthalten.Herein, sugar crystals having a strong light intensity are an often used material for detecting micro discharges during breakage. Previous studies [1, 4, 5, 10] show that light pulses, the line spectrum of an electric discharge, include those in the air N ₂ molecules, included.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Sensoreinrichtung vorgeseder die spektrale Intensität und die Anzahl der Impulse bzw. der vorzugsweise der Lichtimpulse mittels mehrerer parallel geschalteter, nebeneinander angeordneter Multi-Pixel-Photonen-Counter-Sensoren bestimmbar ist und diesen Multi-Pixel-Photonen-Countern-Sensoren optische Filter vorgeschaltet sind, die nur Wellenlängen im Bereich von 300 nm bis 1000 nm durchlassen.In a further embodiment of the invention, a sensor device is vorgeseder the spectral intensity and the number of pulses or preferably the light pulses by means of several parallel connected, juxtaposed multi-pixel photon counter sensors can be determined and this multi-pixel photon Counters sensors are preceded by optical filters that only let wavelengths in the range of 300 nm to 1000 nm.

Bevorzugt lassen die den Multi-Pixel-Photonen-Countern-Sensoren vorgeschalteten optischen Filter in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nur Wellenlängen zwischen 300 nm und 450 nm durch. Besonders bevorzugt sind in einer weiteren Ausführung der Erfindung optische Filter, die Wellenlängen zwischen 700 nm und 1000 nm durchlassen.Preferably, the optical filters preceding the multi-pixel photon counter sensors in a further embodiment of the invention only pass wavelengths between 300 nm and 450 nm. In a further embodiment of the invention, optical filters which transmit wavelengths between 700 nm and 1000 nm are particularly preferred.

Die Breite der Risse kann anhand des Verhältnisses der Lichtwellenintensitäten in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen bestimmt werden. Die Anzahl der Impulse entspricht der Anzahl der Mikrorisse, wodurch der Schädigungszustand aus dem Produkt von der Rissbreite und der Anzahl der Risse bestimmt wird.The width of the cracks can be determined on the basis of the ratio of the lightwave intensities in different wavelength ranges. The number of pulses corresponds to the number of microcracks, whereby the state of damage from the product of the crack width and the number of cracks is determined.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Sensoreinrichtung vorgeschlagen, bei der die spektrale Intensität der Radiowellenemission mittels mehrerer parallel geschalteter Detektoren messbar ist, wobei diesen Detektoren elektronische Filter vorgeschaltet sind, die nur Wellenlängen im Bereich von 30 kHz bis 18 GHz, vorzugsweise von 100 kHz bis 18 GHz und besonders bevorzugt 100 kHz bis 5 MHz durchlassen.According to a further embodiment of the invention, a sensor device is proposed in which the spectral intensity of the radio-wave emission can be measured by means of a plurality of detectors connected in parallel, whereby these detectors are preceded by electronic filters which only have wavelengths in the range from 30 kHz to 18 GHz, preferably 100 kHz to 18 GHz and more preferably 100 kHz to 5 MHz pass.

Die Breite der Risse kann anhand des Verhältnisses der Radiowellenintensitäten in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen bestimmt werden. Die Anzahl der Impulse entspricht der Anzahl der Mikrorisse, wodurch der Schädigungszustand aus dem Produkt von der Rissbreite und der Anzahl der Risse bestimmt wird.The width of the cracks can be determined from the ratio of the radio wave intensities in different wavelength ranges. The number of pulses corresponds to the number of microcracks, whereby the state of damage from the product of the crack width and the number of cracks is determined.

(A6) Erfindungsgemäß ist in einer weiteren Sensoreinrichtung vorgesehen, dass die Elektronenemission mittels mehrerer parallel geschalteter Elektroden messbar ist, wobei diese Elektroden sich unter unterschiedlichen elektrischen Spannungen befinden, die nur Elektronen mit einer Energie im Bereich von 0,1 eV bis 1 keV, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 eV bis 1 eV durchlassen.(A6) According to the invention, provision is made in a further sensor device for the electron emission to be measurable by means of a plurality of electrodes connected in parallel, these electrodes being under different electrical voltages which are only electrons having an energy in the range from 0.1 eV to 1 keV, preferably in the range between 0.1 eV to 1 eV.

Die Breite der Risse kann anhand des Verhältnisses der Anzahl der Elektronen mit unterschiedlichen Energien bestimmt werden. Die Anzahl der Energieimpulse entspricht der Anzahl der Mikrorisse, wodurch der Schädigungszustand aus dem Produkt von der Rissbreite und der Anzahl der Risse bestimmt wird.The width of the cracks can be determined by the ratio of the number of electrons with different energies. The number of energy pulses corresponds to the number of microcracks, whereby the state of damage from the product of the crack width and the number of cracks is determined.

Daneben sind auch Sensoreinrichtung denkbar, die die Messung von Schallemission mittels mehrerer parallel geschalteter piezokeramischen Sensoren ermöglichen, wobei diesen Sensoren elektronische Filter vorgeschaltet sind, die nur die Frequenzen im Bereich von 30 kHz bis 5 MHz, vorzugsweise 30 kHz bis 250 kHz und besonders bevorzugt 200 kHz durchlassen. In addition, sensor devices are also conceivable which allow the measurement of acoustic emission by means of a plurality of piezoceramic sensors connected in parallel, these sensors being preceded by electronic filters which only control the frequencies in the range from 30 kHz to 5 MHz, preferably 30 kHz to 250 kHz and more preferably 200 let through kHz.

Die Breite der Risse kann anhand des Verhältnisses der Schallintensitäten in den unterschiedlichen Frequenzbereichen bestimmt werden. Die Anzahl der Impulse entspricht der Anzahl der Mikrorisse, wodurch der Schädigungszustand aus dem Produkt von der Rissbreite und der Anzahl der Risse bestimmt wird.The width of the cracks can be determined by the ratio of the sound intensities in the different frequency ranges. The number of pulses corresponds to the number of microcracks, whereby the state of damage from the product of the crack width and the number of cracks is determined.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung und Vorhersage des Schädigungszustandes von im Betrieb befindlichen Bauteilen aus Keramik, Metall, Glas oder Faserverbundwerkstoffen vorgeschlagen. Dieses basiert auf einer Fraktoemission in Form einer Lichtemission oder einer Radiowellenemission oder einer Elektronenemission, während der Entstehung und Ausbreitung von Mikrorissen, wobei der Schädigungszustand mittels einer Sensoreinrichtung mit einer eingebauten Elektronik aus dem Produkt der Breite von Mikrorissen und ihrer Anzahl aus der spektralen Intensität und der Anzahl der Fraktoemissionsimpulse ermittelt wird und wobei die Breite der Risse anhand des Verhältnisses der Licht-, Radiowellen- oder Elektronenintensitäten in den unterschiedlichen Wellenlängenbereichen bestimmt werden kann.In a further embodiment of the invention, a method is proposed for the determination and prediction of the damage state of components in operation made of ceramic, metal, glass or fiber composite materials. This is based on a fraktoemission in the form of a light emission or a radio wave emission or an electron emission, during the formation and propagation of microcracks, the damage state by means of a sensor device with a built-in electronics from the product of the width of microcracks and their number from the spectral intensity and the Number of fractoemission pulses is determined and wherein the width of the cracks can be determined by the ratio of the light, radio wave or electron intensities in the different wavelength ranges.

Verfahrensgemäß erfolgt die Ermittlung und Vorhersage des Schädigungszustandes eines Bauteils unter Verwendung einer Sensoreinrichtung, an welcher zumindest zwei Kanäle angeordnet sind, die zur gleichzeitigen Messung der spektralen Intensitäten der Impulse der Fraktoemission in Verbindung mit einem Filter, vorzugsweise einem Nahinfrarotfilter oder UV-Filter oder elektronischen Filter oder elektrischen Spannungsfilter dienen.According to the method, the determination and prediction of the damage state of a component is carried out using a sensor device to which at least two channels are arranged for simultaneously measuring the spectral intensities of the pulses of the fracto emission in conjunction with a filter, preferably a near-infrared filter or UV filter or electronic filter or electrical voltage filters.

Die eingebaute Elektronik in der Sensoreinrichtung führt verfahrensgemäß eine Rechenoperation mit zumindest den im Folgenden genannten Schritten durch:

a) Integrierung zweier oder mehrerer Impulsverläufe,
b) Normierung zweier oder mehrerer Impulsverläufe, indem eine Division durch den jeweiligen maximalen Wert erfolgt und
c) Vergleich der jeweiligen normierten, integrierten Verläufe, zum Beispiel durch Division von zwei Impulsen, woraus der DB-Parameter resultiert.

The built-in electronics in the sensor device according to the method performs an arithmetic operation with at least the steps mentioned below:

a) integration of two or more pulse courses,
b) normalization of two or more pulse waveforms by dividing by the respective maximum value and
c) Comparison of the respective normalized, integrated curves, for example by dividing two pulses, resulting in the DB parameter.

Bevorzugt können Lichtemissionen auch in Kombinationen mit den zuvor genannten Radioemissionen und/oder Elektronenemissionen gemessen werden. Die Emissionsmessungen sind dabei beliebig kombinierbar. Dieses erweist sich als sehr vorteilhaft, da die zu untersuchenden Materialien bei einem Versagen, wie beispielsweise einem Riss oder Bruch Wellen in unterschiedlicher Art, in unterschiedlichem Maße bzw. Anteilen emittieren können. Folglich können diese gleichzeitigen bzw. kombinierten Messungen an Fraktoemissionsimpulsen umfangreichere Informationen liefern, wodurch eine bessere Einschätzung des Schädigungszustands eines Bauteils ermöglicht wird.Preferably, light emissions can also be measured in combinations with the aforementioned radio emissions and / or electron emissions. The emission measurements can be combined arbitrarily. This proves to be very advantageous because the materials to be examined in case of failure, such as a crack or break waves in different ways, can emit to varying degrees or proportions. As a result, these combined measurements on fracto-emission pulses can provide more detailed information, allowing for a better assessment of the damage state of a component.

Das Verfahren weist zudem folgende Vorteile auf:

– die Detektierung kann on-line während der Rissentstehung erfolgen,
– der Schädigungszustand kann genau anhand der Breite und Anzahl der Risse ermittelt werden,
– obwohl der Deformation-Bruch-Parameter selbst vom untersuchten Material abhängig ist, kann das Verfahren für beliebige Materialien verwendet werden und ist somit nicht materialspezifisch orientiert,
– eine Vorhersage über den Ausfall des Bauteils, beziehungsweise des Bruches, kann sofort getroffen werden und
– das Bauteil kann somit während des Betriebs on-line auf Schäden und Alterung überwacht werden.

The method also has the following advantages:

The detection can be done on-line during cracking,
The state of damage can be determined exactly from the width and number of cracks,
Although the deformation-break parameter itself depends on the material being tested, the method can be used for any materials and is therefore not material-specific oriented,
- a prediction about the failure of the component, or breakage, can be made immediately and
- The component can thus be monitored during operation on-line for damage and aging.

Beispielhaft werden Ausführungsformen der Erfindung in den nachfolgenden Figuren dargestellt und näher beschrieben. Hierbei sind die im Folgenden beschriebenen Versuche vorzugsweise an Zuckerkristallen durchgeführt worden. Daneben sind auch Untersuchungen an Salzkristallen, wie zum Beispiel Kalisalzpartikeln und Quarzkristallen vorgenommen worden. Für die erfindungsgemäße Sensorausführung und das Verfahren zur Ermittlung und Vorhersage des Schädigungszustandes wird somit ein breites Feld an Anwendungsmöglichkeiten aufgezeigt, welches sowohl in der Verfahrenstechnik, als auch in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung angesiedelt sein kann.By way of example, embodiments of the invention are illustrated in the following figures and described in more detail. In this case, the experiments described below have preferably been carried out on sugar crystals. In addition, studies on salt crystals, such as potassium salt particles and quartz crystals have been made. For the sensor embodiment according to the invention and the method for determining and predicting the state of damage, a broad field of application possibilities is thus revealed, which can be located both in process engineering and in non-destructive materials testing.

Es zeigen:Show it:

1: schematisch den Aufbau und die Funktionsweise eines Multi-Pixel-Photonen-Counter-Sensors unter Verwendung eines Filters für die spektrale Zerlegung der Lichtemission, 1 FIG. 2 schematically shows the construction and operation of a multi-pixel photon counter sensor using a filter for the spectral decomposition of the light emission, FIG.

2: schematisch den Versuchsaufbau unter Verwendung des Multi-Pixel-Photonen-Counter-Sensor gemäß 1, 2 FIG. 2 schematically shows the experimental setup using the multi-pixel photon counter-sensor according to FIG 1 .

3: das physikalische Prinzip der Entstehung von Mikrogasentladungen als Folge einer Ladungsbildung an den Rissufern, bei einer Mikrorissentwicklung und einem Eindringen von Stickstoffatomen, 3 : the physical principle of the formation of micro gas discharges as a consequence of a charge formation at the Rissufern, with a Microcracking and penetration of nitrogen atoms,

4: die kumulativen Lichtintensitäten, 4 : the cumulative light intensities,

5: den zeitlichen Verlauf des Deformations-Bruch-Parameters DB während der Deformation und des Bruches von Zuckerpartikeln, 5 : the time course of the deformation-breaking parameter DB during the deformation and the breakage of sugar particles,

6: den zeitlichen Verlauf des DB-Parameters während der Beanspruchung von Quarzglaspartikeln und 6 : the time course of the DB parameter during the loading of quartz glass particles and

7: die entstandenen Schäden und den entsprechenden Verlauf des DB-Parameters bei der Beanspruchung von Kalisalz-Partikeln. 7 : the resulting damage and the corresponding course of the DB parameter in the loading of potassium salt particles.

Die dargestellten Abbildungen zeigen die Anwendbarkeit der entwickelten Methodik Charakterisierung der Deformations- und Bruchprozesse. Der Verlauf des Deformation-Bruch-Parameters DB entspricht den entstandenen Veränderungen der Morphologie der Partikeloberfläche. Der zeitliche Verlauf von diesem Parameter reflektiert das realistische Beanspruchungsverhalten von Partikeln aus unterschiedlichen Materialien. Die Berechnungsweise bzw. der Algorithmus der Darstellung des Deformation-Bruch-Parameters DB lässt sich an den Eigenschaften von Mikroentladungen ableiten. Dieser Algorithmus ist unabhängig von den Materialeigenschaften der getesteten Partikel. In diesem Zusammenhang ist die entwickelte Methode universal und kann eine breite Anwendung zur Charakterisierung von Prozessen in der Verfahrenstechnik und der Bruchmechanik finden.The illustrations show the applicability of the developed methodology characterization of deformation and fracture processes. The course of the deformation-break parameter DB corresponds to the resulting changes in the morphology of the particle surface. The time course of this parameter reflects the realistic stress behavior of particles of different materials. The method of calculation or the algorithm of the representation of the deformation-breaking parameter DB can be derived from the properties of microdischarges. This algorithm is independent of the material properties of the tested particles. In this context, the developed method is universal and can find a broad application for the characterization of processes in process engineering and fracture mechanics.

Bei Mikroentladungen in Gasen werden mehrere Photonen in wenigen Nanosekunden ausgestrahlt. Deswegen sollte ein schneller Photosensor, welcher mehrere Photonen gleichzeitig detektieren kann, verwendet werden. Zu diesem Zweck wurde ein, im Geiger-Modus funktionierender, Festkörpersensor ausgewählt und für diese Messungen angepasst.In microdischarges in gases, several photons are emitted in a few nanoseconds. Therefore, a fast photosensor that can detect multiple photons simultaneously should be used. For this purpose, a solid-state sensor working in Geiger mode was selected and adapted for these measurements.

In der 1 wird die Anwendung von Filtern bei einem Multi-Pixel-Photon-Counter-Sensor 1 (MPPC-Sensor) am Beispiel eines Zuckerkristalls 2 zur Aufnahme und Verarbeitung von Lichtimpulsen 3, die bei der Einwirkung einer Kraft F auf den Zuckerkristall 2 und dessen Bruch aus diesem heraustreten, für die spektrale Zerlegung der Lichtemission dargestellt. Als Filter kommt hierbei ein Lichtfilter 4 zur Anwendung.In the 1 is the application of filters in a multi-pixel photon counter sensor 1 (MPPC sensor) using the example of a sugar crystal 2 for receiving and processing light pulses 3 , which results from the action of a force F on the sugar crystal 2 and its break out of this, shown for the spectral decomposition of the light emission. The filter here is a light filter 4 for use.

Der MPPC-Sensor 1 besteht aus vier parallel geschalteten Kanälen 5. Jeder Kanal 5 besteht aus 256 Avalanche-Photodioden, auch Pixel genannt, welche unabhängig voneinander arbeiten. Somit wird eine Detektierung mehrerer, gleichzeitig einfallender Photonen möglich. Weiterhin erlaubt die große Arbeitsfläche der Kanäle 5, die beispielsweise Abmessungen von 4 mm × 4 mm aufweisen können, eine Anwendung von Lichtfiltern 4 in Form von Farbfiltern, die nur für Licht mit einer bestimmten Wellenlänge durchlässig sind. Eine spektrale Zerlegung der Lichtimpulse im Nanosekundenbereich wird dadurch ermöglicht.The MPPC sensor 1 consists of four parallel channels 5 , Every channel 5 consists of 256 avalanche photodiodes, also called pixels, which operate independently of each other. Thus, a detection of several, simultaneously incident photons is possible. Furthermore, the large working surface of the channels allows 5 , which may for example have dimensions of 4 mm × 4 mm, an application of light filters 4 in the form of color filters, which are only permeable to light of a certain wavelength. A spectral decomposition of the light pulses in the nanosecond range is thereby made possible.

Bevorzugte Bereiche für Kanalabmessungen sind jeweilige Kantenlängen von 1 mm bis 16 mm; bevorzugt werden Kanäle einer Abmessung der Kantenlänge von 4 mm × 4 mm, besonders bevorzugt werden 8 mm × 8 mm.Preferred ranges for channel dimensions are respective edge lengths of 1 mm to 16 mm; Channels of a dimension of the edge length of 4 mm × 4 mm are preferred, 8 mm × 8 mm being particularly preferred.

In der Versuchsanordnung 6 gemäß 2 ist ein Zuckerkristall 2 in einer Kammer 7 zwischen zwei Schneidplatten 8 eingespannt. Eine Schneidplatte 8 ist an einer Stufe 9 befestigt, die andere Schneidplatte 8 ist auf oder an einem Bolzen 10 angeordnet, der in Verbindung mit einer Feder 11 steht. Bei einer Belastung des Bolzens 10 durch Einwirkung einer Kraft F auf diesen traten am Zuckerkristall 2 Scherkräfte auf, die zum Bruch des Zuckerkristalls 2 führten. Die hierbei ausgestrahlten Lichtimpulse (nicht dargestellt) werden mit einer Lichtleitfaser 12, welche über eine Bohrung 13 in die Kammer 7 eingeführt und in dieser befestigt ist, zum MPPC-Sensor 1 weitergeleitet.In the experimental setup 6 according to 2 is a sugar crystal 2 in a chamber 7 between two inserts 8th clamped. An insert 8th is at a stage 9 attached, the other insert 8th is on or at a bolt 10 arranged in conjunction with a spring 11 stands. At a load of the bolt 10 by the action of a force F on this occurred on the sugar crystal 2 Shearing forces that cause the sugar crystal to break 2 led. The emitted light pulses (not shown) are made with an optical fiber 12 , which have a hole 13 in the chamber 7 inserted and fixed in this, to the MPPC sensor 1 forwarded.

Auf einen Kanal 5 wurde ein 665 nm – Filter 4 aufgeklebt, der nur Wellenlängen über 665 nm, d. h. Wellenlängen im Nahinfrarotbereich durchlässt. Die Signalauswertung erfordert hierbei eine hohe zeitliche Auflösung von 400 ps. Für diesen Zweck sind nur zwei der vier Kanäle 5 des MPPC-Sensors 1 verwendet worden.On a canal 5 became a 665 nm filter 4 glued, which transmits only wavelengths above 665 nm, ie wavelengths in the near infrared range. The signal evaluation requires a high temporal resolution of 400 ps. For this purpose, only two of the four channels 5 of the MPPC sensor 1 used.

In 3 wird schematisch eine Mikroentladung in einem Stickstoffmedium an einem Kristall, vorzugsweise an einem Zuckerkristall 2 nach dem Einwirkung einer Kraft F dargestellt, wobei die Mikroentladung aufgrund eines elektrischen Durchschlages zwischen zwei Rissufern in Form von Lichtimpulsen 3 auftritt. Die sich auf den äußeren Schalen der Stickstoffatome befindlichen Elektronen werden hierbei auf ein höheres Energieniveau gebracht und senden beim Übergang in ihren Grundzustand die überschüssige Energie in Form von Licht aus, das allgemein als Mikroentladung bezeichnet wird.In 3 schematically is a micro-discharge in a nitrogen medium on a crystal, preferably on a sugar crystal 2 shown after the action of a force F, wherein the micro-discharge due to an electrical breakdown between two banks of cracks in the form of light pulses 3 occurs. The electrons located on the outer shells of the nitrogen atoms are in this case brought to a higher energy level and emit the excess energy in the form of light, which is generally referred to as microdischarge, upon the transition to its ground state.

In 4 sind die kumulativen Lichtintensitäten dargestellt, welche als Integral der Intensitäten der Lichtimpulse in den Wellenlängenbereichen von 665 nm bis 1000 nm (mit RG665-Filter) und 300 nm bis 1000 nm (ohne Filter), nach der Zeit berechnet worden sind.In 4 are the cumulative light intensities, which have been calculated as the integral of the intensities of the light pulses in the wavelength ranges from 665 nm to 1000 nm (with RG665 filter) and 300 nm to 1000 nm (without filter), calculated by the time.

In der 5 ist der zeitliche Verlauf des DB-Parameters während der Deformation des Bruchs von Zuckerpartikeln dargestellt. Das linke Bild in 5 zeigt die Deformation von einer ursprünglich glatten Partikeloberfläche. Es ist zu erkennen, die Schädigung von Zuckerpartikeln nur nach einer relativ dauerhaften Deformation stattfindet, welche anhand der Oberflächenerhöhung in der Kontaktzone bewiesen wird. Die scharfe Kante der Schneidplatte hinterlässt eine enge Spur an der Partikeloberfläche mit einer Breite von ca. 100 μm. Die Deformation und der Bruch treten zu unterschiedlichen Zeiten ein. Der Wert des DB-Parameters, welcher direkt vor dem Bruch erreicht wird, beträgt –0,05. Dieser Wert wird als Maß des Schädigungszustandes angesehen und zur Schadensbeurteilung und -vorhersage genutzt.In the 5 is the time course of the DB parameter during the deformation of the fracture represented by sugar particles. The left picture in 5 shows the deformation of an originally smooth particle surface. It can be seen that the damage of sugar particles takes place only after a relatively permanent deformation, which is proven by the increase in surface area in the contact zone. The sharp edge of the insert leaves a narrow track on the particle surface with a width of approx. 100 μm. The deformation and the break occur at different times. The value of the DB parameter that is reached just before the break is -0.05. This value is considered a measure of the damage condition and used for damage assessment and prediction.

In diesem Zusammenhang kann die Vorhersage getroffen werden, dass bei diesem Wert des DB-Parameters ein Bruch direkt bevorsteht.In this context, the prediction can be made that a break is imminent at this value of the DB parameter.

6 zeigt den zeitlichen Verlauf des DB-Parameters während der Beanspruchung Quarzglaspartikeln. Unmittelbar vom Bruch erreicht dieser Parameter den Wert den den Schaden typischen DB-Wert von –0,07. Dieser Wert wird als Maß des Schädigungszustandes für Quarzglaspartikel angesehen und zur Schadensbeurteilung und -vorhersage genutzt. Die Beanspruchung von Quarz wird durch die Entstehung von mehreren kleineren Brüchen mit der begleitenden Deformation charakterisiert. Bis zur Spaltung des Partikels werden zahlreiche Mikrorisse generiert, welche weiße Kontaktspuren hinterlassen, die auf der linken Seite der 6 zu erkennen sind. Dies verdeutlicht die Anwendbarkeit der entwickelten Methode auch für spröde Materialien. 6 shows the time course of the DB parameter during the stress quartz glass particles. Immediately after the break, this parameter reaches the value of the typical DB value of -0.07. This value is considered a measure of the damage state for quartz glass particles and used for damage assessment and prediction. The stress of quartz is characterized by the formation of several smaller fractures with the accompanying deformation. Until the particle splits, many microcracks are generated, leaving white traces of contact left on the left side 6 can be seen. This clarifies the applicability of the developed method also for brittle materials.

Die 7 zeigt die entstandenen Schäden und den entsprechenden Verlauf des DB-Parameters bei der Beanspruchung von Kalisalz-Partikeln. In spröden Kalisalzfinden abrupte Deformations- und Bruchprozesse statt. Die Deformation der der Belastungszone ist mit der Generierung von Mikrorissen verbunden, die als weiße Spur im linken Teil der 7 zu beobachten sind. Das Kalisalzpartikel lässt sich zwei Mal spalten.The 7 shows the resulting damage and the corresponding course of the DB parameter during the loading of potassium salt particles. In brittle potassium salt, abrupt deformation and fracture processes take place. The deformation of the load zone is associated with the generation of microcracks, which are called white tracks in the left part of the 7 to be observed. The potash salt particle can be split twice.

Die zeitauflösenden spektralen Untersuchungen von Lichtimpulsen, die während der Scherbeanspruchung von Zucker-, Quarz- und Kaliumchlorid-Partikeln entstehen, haben gezeigt, dass diese intensiven Lichtimpulse mit einer Dauer von wenigen Nanosekunden gleichzeitig in ultravioletten (UV) und in nahinfraroten (NIR) Wellenlängenbereichen erscheinen.The time-resolved spectral analysis of light pulses generated during shear stress of sugar, quartz and potassium chloride particles has shown that these intense light pulses lasting a few nanoseconds appear simultaneously in ultraviolet (UV) and near-infrared (NIR) wavelength ranges ,

Diese Lichtimpulse bestehen aus mehreren Photonen und werden durch Mikroentladungen in Gasen verursacht. Dabei findet eine spektrale Verschiebung der Lichtemission vom UV- zum NIR-Bereich statt. Bei der plastischen Deformation, welche von Mikrorissen begleitet wird, dominiert die Lichtemission im ultravioletten Bereich (UV). Unmittelbar vor dem Bruch nimmt die Breite des Risses zu und steigt die NIR-Emission. Demzufolge besteht eine Möglichkeit mit Hilfe der UV- und NIR-Anteile der Lichtimpulse, den Schädigungszustand von Partikeln zu charakterisieren und die Bruchwahrscheinlichkeit vorherzusagen.These light pulses consist of several photons and are caused by micro discharges in gases. In this case, a spectral shift of the light emission takes place from the UV to the NIR range. In the case of plastic deformation, which is accompanied by microcracks, the light emission dominates in the ultraviolet range (UV). Immediately before fracture, the width of the crack increases and the NIR emission increases. Consequently, there is a possibility with the help of the UV and NIR components of the light pulses to characterize the damage state of particles and to predict the probability of breakage.

Die sich ändernden Verhältnisse des infraroten Lichtes zum Gesamtlicht lassen dadurch erklären, dass zwischen den jeweiligen Bruchoberflächen eine bei der Rissentstehung stattfindet. Somit gibt es eine kurzzeitige Entladung der Elektronen zwischen den jeweiligen Rissufern. Die in der Luft befindlichen Stickstoffatome werden von dem Elektronenpaket, welches von einem Rissufer zum anderen übertragen wird, angeregt.The changing ratios of the infrared light to the total light can be explained by the fact that between the respective fracture surfaces takes place at the cracking. Thus, there is a momentary discharge of electrons between the respective banks of cracks. The nitrogen atoms in the air are excited by the electron packet which is transferred from one crack to the other.

In Abhängigkeit von der Entfernung der Rissufer zu einander, haben die eine unterschiedliche Ladung und können somit mehr Energie beim elektrischen Durchschlag an die Stickstoffatome abgeben. Bei einer fortschreitenden Rissausbreitung mit einer konstanten Geschwindigkeit, bleibt der Infrarotanteil zu jedem Zeitpunkt gleich, da die elektrischen Durchschläge, an den sich neubildenden Rissufern, weiterhin den gleichen Energiebetrag aufweisen. Kurz vor dem Ende des Vorganges, sinkt der Infrarotanteil auf 0, da hier keine hochenergetischen Mikrorisse mehr entstehen. Aufgrund der nun übrig gebliebenen schwachen Mikroentladungen in dem Gas, bedingt durch die weite Entfernung der Rissufer, steigt der nicht-infrarote Anteil jedoch auf sein Maximum.Depending on the distance of the crack edges to each other, they have a different charge and thus can give off more energy in the electrical breakdown of the nitrogen atoms. With progressive crack propagation at a constant speed, the infrared fraction remains the same at all times, since the electrical breakdowns at the newly forming banks of cracks continue to have the same amount of energy. Shortly before the end of the process, the infrared fraction drops to 0, since no more high-energy micro-cracks arise here. Due to the now remaining weak microdischarges in the gas, due to the long distance of the cracks, the non-infrared fraction increases to its maximum.

Die Verwendung von geeigneten Farbfiltern bei MPPC-Sensoren ermöglicht eine spektrale Zerlegung der Mechanolumineszenz, während der Entstehung von Rissen, was insbesondere an Zuckerkristallen beobachtet worden ist. Dies ermöglicht eine online-Detektierung von sich bildenden Rissen und eine Bewertung des Zustandes des einzelnen Kristalls. Anwendungsbereiche werden innerhalb der klassischen Ingenieurwissenschaften gesehen, um beispielsweise Reglersysteme für Zerkleinerungsvorgänge zu verbessern, oder zerstörungsfreie Werkstoffüberwachungen an mechanischen Bauteilen zu ermöglichen.The use of suitable color filters in MPPC sensors allows a spectral decomposition of mechanoluminescence during the formation of cracks, which has been observed especially on sugar crystals. This enables on-line detection of building cracks and evaluation of the state of the single crystal. Areas of application are seen within the classical engineering sciences, for example to improve control systems for comminution processes, or to enable non-destructive material monitoring on mechanical components.

Verwendungsmöglichkeiten für die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung und das Verfahren zur Vorhersage eines Schädigungszustands werden insbesondere für folgende Bereiche gesehen:

– Bauteiluntersuchungen (beispielsweise Fahrzeugbauteile, Flugzeugbauteile, Schiffsbauteile, militärtechnische Geräte, Fahrstühle, Reifen)
– Untersuchungen an Gebäude und deren Bauteilen (beispielsweise Häuser in von Erdbeben gefährdeten Gebieten, Tunnelbau, Tage- und Untertagebau, Treppen)
– Produkte der Medizintechnik, beispielsweise Prothesen,
– Beurteilung des Schädigungszustands von Gebrauchsgegenständen (beispielsweise von Mikrowellen, Kühlschränke und ähnlichem)

Uses for the sensor device according to the invention and the method for predicting a damage state are seen in particular for the following areas:

- component tests (eg vehicle components, aircraft components, ship components, military equipment, elevators, tires)
- Examinations of buildings and their components (eg houses in earthquake-prone areas, tunneling, open-pit and underground mining, stairs)
- Medical technology products, such as prostheses,
- assessment of the state of damage of articles of daily use (for example of microwaves, refrigerators and the like)

Die Erfindung ist nicht auf die aufgezeigten Verwendungsmöglichkeiten und Materialien sowie Kombinationen dieser beschränkt, sondern kann auch für die Überwachung von Pflanzen (zum Beispiel, ob eine Gefahr aufgrund von umfallenden und brechenden Bäumen besteht), oder auch in der Seismologie angewandt werden (zum Beispiel um Erdbeben sicher vorherzusagen). Weitere Materialien wären beispielsweise auch Kunststoffe. Daneben sind auch Untersuchungen an Körpern oder Körperteilen von Lebewesen, beispielsweise Knochen, menschliches Gewebe, Haut, etc. möglich.The invention is not limited to the indicated uses and materials and combinations thereof, but may also be applied to the monitoring of plants (for example, if there is a danger due to trees falling and breaking), or in seismology (for example Predict earthquake confidently). Other materials would be, for example, plastics. In addition, investigations on bodies or body parts of living things, such as bones, human tissue, skin, etc. are possible.

Zitierte Nichtpatentliteratur:Quoted Non-Patent Literature:

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3. Morito Akiyama, Chao-Nan Xu, Masanori Taira, Kazuhiro Nonaka, Tadahiko Watanabe, Visualization of stress distribution using mechanoluminescence from Sr3 Al2 O6: Eu and the Nature of the Luminescence Mechanism, Philosophical Magazine Letters, 79 (1999) 735-740
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Claims

Sensor device ( 1 ) for determining and predicting a state of damage of components in operation, preferably of ceramic, metal, glass or fiber composites, based on a Fraktoemission in the form of a light, radio wave or electron emission from Rissufern of the component in a microcracking development in the component, consisting of pulses During the formation and propagation of microcracks, the sensor device ( 1 ) at least two channels ( 5 ) and - a filter ( 4 ), preferably a near-infrared filter or UV filter or electronic filter or electric voltage filter, wherein the damage state can be determined from the product of the width of microcracks and their number from the spectral intensity and the number of Fraktoemissionsimpulse and wherein the width of the cracks on the basis of the ratio the light, radio wave or electron intensities in the different wavelength ranges can be determined.

Sensor device according to claim 1, characterized in that the spectral intensity and the number of Fraktoemissionsimpulse, preferably the light pulses by means of several parallel connected, juxtaposed multi-pixel photon counter sensors can be determined and these multi-pixel photon counter-sensors optical filters ( 4 ), which transmit only wavelengths in the range of 300 nm to 1000 nm.

Sensor device according to claim 2, characterized in that the spectral intensity and the number of Fraktoemissionsimpulse, preferably the light pulses by means of a plurality of parallel, juxtaposed multi-pixel photon counter sensors can be determined and these multi-pixel photon counters sensors preceded by optical filters that pass only wavelengths in the range of 300 nm to 450 nm.

Sensor device according to claim 2, characterized in that the spectral intensity and the number of Fraktoemissionsimpulse, preferably the light pulses by means of a plurality of parallel, juxtaposed multi-pixel photon counter sensors can be determined and these multi-pixel photon counters sensors preceded by optical filters that pass only wavelengths in the range of 700 nm to 1000 nm.

Sensor device according to claim 1, characterized in that the spectral intensity of the radio-wave emission can be measured by means of a plurality of detectors connected in parallel, wherein these detectors are preceded by electronic filters which only have wavelengths in the range from 100 kHz to 18 GHz, preferably 100 kHz to 5 MHz and particularly preferably 100 kHz.

Sensor device according to claim 1, characterized in that the electron emission is measurable by means of a plurality of electrodes connected in parallel, these electrodes being under different electrical voltages, which are only electrons with an energy in the range of 0.1 eV to 1 keV, preferably 0.1 eV to 1 eV.

Method for determining and predicting the state of damage of components in operation, preferably of ceramic, metal, glass or fiber composite materials, based on a fractal emission in the form of a light, radio wave or electron emission of crack components of the component in a microcracking development in the component, during formation and propagation of microcracks, wherein the state of damage from the product of the width of microcracks and their number from the spectral intensity and the number of fractoemission pulses by means of a sensor device ( 1 ) and the width of the cracks can be determined from the ratio of the light, radio wave or electron intensities in the different wavelength ranges.

Use of the sensor device according to claim 1 for the determination and prediction of the damage state of - components, such as vehicle components, aircraft components, ship components, military equipment, elevators, tires, - buildings and their components, such as houses in earthquake-prone areas, tunneling, open pit and underground mining, stairs, - Medical devices, such as prostheses, - utensils such as microwaves, refrigerators and the like.