DE102013013706A1 - Sensor device and method for wireless measurement of stress and crack generation processes - Google Patents

Sensor device and method for wireless measurement of stress and crack generation processes Download PDF

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Sergej Aman
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung von Spannungs- und Dehnungszuständen sowie Rissentstehungsprozessen in einem belasteten Bauteil mit zumindest einer Mikrowellen- oder Radiowellenquelle zur Aussendung von Mikro- bzw. Radiowellen mit einer bestimmten Polarisation, Intensität und Frequenz-, sowie Amplitudenmodulation auf das Bauteil, wobei die Mikro- bzw. Radiowellenquelle derart mit dem Bauteil zusammenwirkt, dass eine Änderung der Polarisation, der Intensität, der Frequenz, sowie Amplitude der Mikro- bzw. Radiowellen hervorgerufen wird und zumindest einer Sensoreinrichtung die die vom zu prüfenden Bauteil reflektierten oder durchgestrahlten Radio- oder Mikrowellen empfängt und die Änderung der Polarisation, Intensität, der Frequenz, sowie Amplitude der Mikrowellen auswertet und in elektrische Signale umwandelt.The present invention relates to an apparatus and a method for determining stress and strain states and cracking processes in a loaded component with at least one microwave or radio wave source for emitting micro or radio waves with a specific polarization, intensity and frequency, and amplitude modulation the component, wherein the micro or radio wave source cooperates with the component such that a change in the polarization, the intensity, the frequency and amplitude of the micro- or radio waves is caused and at least one sensor device which reflects the component to be tested or receives radiated radio or microwaves and evaluates the change in polarization, intensity, frequency, and amplitude of the microwaves and converts them into electrical signals.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung und ein Verfahren zur drahtlosen Messung von Spannungen und Rissentstehungsprozessen sowie Rissen in Bauteilen, die vorzugsweise aus für Mikrowellen durchlässigen oder elektrisch leitfähigen Werkstoffen bestehen und/oder Bauteile, die mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet und/oder elektrisch leitfähig sind.The invention relates to a sensor device and a method for the wireless measurement of stresses and cracking processes and cracks in components, which preferably consist of microwaves permeable or electrically conductive materials and / or components which are coated with an electrically conductive material and / or electrically conductive.

Sowohl während des Betriebes von Maschinen und/oder elektrischen Komponenten mit derartigen Bauteilen als auch im Ruhezustand dieser, besteht ein großer Bedarf, den Zustand der Werkstoffstruktur auf mechanische Spannungen und Schäden, wie zum Beispiel Risse, zu überwachen. Aus diesem Grund müssen diese Bauteile außer Betrieb genommen werden, um eine detaillierte zerstörungsfreie Prüfung der Bauteile durchführen zu können.Both during the operation of machines and / or electrical components with such components and in the idle state of these, there is a great need to monitor the state of the material structure to mechanical stresses and damage, such as cracks. For this reason, these components must be taken out of service in order to carry out a detailed non-destructive inspection of the components.

Bekannt aus der DE 10 2011 050 717 A1 sind ein faseroptischer Sensor, ein Validierungsverfahren für einen faseroptischen Sensor und eine zugehörige Messeinrichtung. Eine eingeleitete Dehnung verändert den Abstand der Reflektionsstellen, die auf der Faser angebracht sind und damit die Wellenlänge des reflektierten Lichts. Dieser Effekt wird von den Sensoren auf Basis von Bragg-Gittern für das Messen von Dehnungen verwendet. Für die Installation und Befestigung der Sensoren muss jedoch auf einer Glasfaser auf einem Prüfobjekt beiderseits vom Bragg-Gitter Klebstoff aufgebracht werden. Hierbei muss die Glasfaser vorgedehnt werden, um auch Stauchungen messen zu können. Der Messbereich wird dadurch jedoch eingeschränkt, da er in dieser Richtung exakt dem Wert der Vordehnung entspricht. Es kommt erschwerend hinzu, die Faser vorzudehnen und zu installieren, ohne sie zu beschädigen.Known from the DE 10 2011 050 717 A1 are a fiber optic sensor, a validation method for a fiber optic sensor and associated measuring equipment. An induced strain changes the distance of the reflection sites mounted on the fiber and thus the wavelength of the reflected light. This effect is used by the sensors based on Bragg gratings for measuring strains. However, for the installation and mounting of the sensors, adhesive must be applied to a glass fiber on a test object on both sides of the Bragg grating. Here, the glass fiber must be pre-stretched in order to be able to measure compressions. However, the measuring range is limited because it corresponds exactly to the value of the pre-stretching in this direction. It is aggravating to pre-stretch and install the fiber without damaging it.

Bekannt aus der DE 10117878 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Messung der mechanischen Spannung mit einem Fadenspannungsmesser. Hierbei wird für einen an einem stationären Deflektor umgelenkten Faden, von welchem in einer Auswerteschaltung entsprechend der mit der Fadenspannung korrespondierenden Last Ausgangssignale abgeleitet werden und im Lastübertragungsweg wenigstens eine Transducer-Einrichtung ein lichtdurchlässiges, elastisches deformierbar angeordnetes fotoelastisches Element und eine an die Auswerteschaltung angeschlossene, optoelektronische Abtasteinrichtung für zumindest eine lastabhängig variierende optische Eigenschaft des fotoelastischen Elements die auf den Faden wirkende Spannung gemessen. Hierbei muss ein direkter mechanischer Kontakt zu dem zu prüfenden Objekt gewährleistet sein.Known from the DE 10117878 A1 are a method and an apparatus for measuring the tension with a yarn tension meter. Here, for a deflected at a stationary deflector thread, which are derived in an evaluation circuit corresponding to the load corresponding to the load load output signals and in the load transfer path at least one transducer means a translucent, elastically deformable arranged photoelastic element and connected to the evaluation, optoelectronic Scanning device for at least one load-dependent varying optical property of the photoelastic element measured the tension acting on the thread. In this case, a direct mechanical contact with the object to be tested must be ensured.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um eine Beurteilung des Spannungs- und Dehnungszustandes und des Rissfortschrittes mittels einer drahtlosen Messung zu ermöglichen.Against this background, the object of the present invention is to provide an apparatus and a method to enable an assessment of the state of stress and strain and the crack propagation by means of a wireless measurement.

Gelöst wird diese Aufgabe durch Vorrichtungen gemäß Anspruch 1 und mit Verfahren nach Ansprüchen 9 und 10, wobei weitere vorteilhafte Ausführungsformen aus den Unteransprüchen hervorgehen.This object is achieved by devices according to claim 1 and with the method according to claims 9 and 10, wherein further advantageous embodiments emerge from the subclaims.

Daher wird eine Vorrichtung zur Ermittlung von Spannungs- und Dehnungszuständen sowie Rissentstehungsprozessen in einem belasteten Bauteil vorgeschlagen, mit

  • – zumindest einer Mikrowellen- oder Radiowellenquelle, zur Aussendung von Mikro- bzw. Radiowellen mit einer bestimmten Polarisation, Intensität und Frequenz-, sowie Amplitudenmodulation auf das Bauteil, wobei die Mikro- bzw. Radiowellen derart mit dem Bauteil zusammenwirken, dass eine Änderung der Polarisation, der Intensität, der Frequenz, sowie Amplitude der Mikro- bzw. Radiowellen hervorgerufen wird,
  • – zumindest einer Sensoreinrichtung die die vom zu prüfenden Bauteil reflektierten oder durchgestrahlten Radio- oder Mikrowellen empfängt und die Änderung der Polarisation, Intensität, der Frequenz, sowie Amplitude der Mikrowellen auswertet und in elektrische Signale umwandelt.
Therefore, a device for the determination of stress and strain states and cracking processes in a loaded component is proposed, with
  • - At least one microwave or radio wave source to emit micro- or radio waves with a certain polarization, intensity and frequency, and amplitude modulation on the component, wherein the micro- or radio waves interact with the component such that a change in polarization , the intensity, frequency, and amplitude of the micro- or radio waves is caused,
  • - At least one sensor device which receives the reflected or radiated from the component to be tested radio or microwaves and evaluates the change in polarization, intensity, frequency, and amplitude of the microwaves and converts them into electrical signals.

Die Vorrichtung dient beispielsweise zur Ermittlung von Spannungszuständen bei mikrowellendurchlässigen Bauteilen, basierend auf einer Bestrahlung und einem Empfang von Radio- und/oder Mikrowellen und somit einer drahtlosen bzw. berührungslosen Messung.The device is used, for example, to determine voltage states in the case of microwave transparent components, based on irradiation and reception of radio and / or microwaves and thus of a wireless or non-contact measurement.

Mit der Vorrichtung können insbesondere Risse und Rissentstehungsprozesse an und in elektrisch leitfähigen Bauteilen ermittelt werden, basierend auf einer Induzierung eines elektrischen Stromes auf der Bauteiloberfläche bzw. im Bauteilinneren durch Radio- bzw. Mikrowellen und einem Empfang von Radio- und/oder Mikrowellen, welche bei der Entstehung und Ausbreitung von Rissen und/oder Mikrorissen, durch eine abrupte Unterbrechung des Stromflusses hervorgerufen werden.With the device, in particular cracks and cracking processes can be determined on and in electrically conductive components, based on an induction of an electric current on the component surface or in the component inside by radio or microwaves and a reception of radio and / or microwaves, which at the formation and propagation of cracks and / or microcracks, caused by an abrupt interruption of the flow of current.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung von ein oder mehreren Rissen und Rissentstehungsprozessen in Bauteilen umfasst beispielsweise

  • – zumindest eine Sensoreinrichtung, welche Radio- und/oder Mikrowellen in einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 300 GHz und die Veränderungen in den Frequenzen und der Polarisation einer Mikrowellenstrahlung mit einer bestimmten Polarisationskomponente messen und in elektrische Signale umwandeln kann und
  • – zumindest einen Mikrowellensender, der zum Senden einer Mikrowelle mit einer bestimmten Polarisation und Frequenz geeignet ist.
The device according to the invention for determining one or more cracks and crack formation processes in components comprises, for example
  • - At least one sensor device, which radio and / or microwaves in a frequency range of 1 MHz to 300 GHz and the changes in the frequencies and the polarization of a microwave radiation with a certain Measure the polarization component and convert it into electrical signals and
  • - At least one microwave transmitter, which is suitable for transmitting a microwave with a specific polarization and frequency.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass

  • – die Mikro- bzw. Radiowellenquelle beispielsweise ein HF-Sender mit einer bestimmten Polarisation, Intensität und Frequenz-, sowie Amplitudenmodulation ist, die zur Durchstrahlung eines für Mikro- oder Radiowellen durchlässigen Bauteils geeignet ist, wobei mittels der Wechselwirkung zwischen dem unter der mechanischen Belastung stehenden Bauteil und der Mikro- bzw. Radiowellenstrahlung eine Änderung der Polarisation, der Intensität, der Frequenz, sowie Amplitude der Mikrowellen hervorrufbar ist und wobei
  • – die Sensoreinrichtung die die reflektierten oder durch das zu prüfende Bauteil durchgestrahlten Mikro- bzw. Radiowellen, die aufgrund der mechanischen Belastungen sich in ihren Eigenschaften verändern, empfängt und die Änderung der Polarisation, Intensität, der Frequenz, sowie Amplitude auswertet und in elektrische Signale umwandelt.
An advantageous embodiment of the invention provides that
  • - The micro or radio wave source, for example, an RF transmitter with a certain polarization, intensity and frequency, and amplitude modulation, which is suitable for radiating a permeable for micro or radio waves component, wherein by means of the interaction between under the mechanical load standing component and the micro- or radio wave radiation, a change in the polarization, the intensity, the frequency, and the amplitude of the microwaves can be caused and
  • - The sensor device which reflects the reflected or through the component to be tested radiated micro- or radio waves that change due to the mechanical stress in their properties, receives and evaluates the change in polarization, intensity, frequency, and amplitude and converts it into electrical signals ,

Hierdurch können beispielsweise Änderungen der Polarisation aufgrund der mechanischen Verspannungen im Bauteilinneren gemessen werden und dadurch eine Aussage über den inneren Spannungszustand des Bauteils getroffen werden.As a result, for example, changes in the polarization due to the mechanical stresses in the interior of the component can be measured, thereby making a statement about the internal stress state of the component.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Sensoreinrichtung zumindest einen HF- bzw. Mikrowellensender, einen HF- bzw. Mikrowellenzirkulator, eine HF- bzw. Mikrowellenantenne, einen Polarisationsfilter, einen HF- bzw. Mikrowellenempfänger und eine Auswertelektronik zur Messdatenerfassung und Auswertung auf.According to one embodiment of the invention, the sensor device has at least one RF or microwave transmitter, an HF or microwave circulator, an RF or microwave antenna, a polarization filter, an RF or microwave receiver and an evaluation electronics for measuring data acquisition and evaluation.

Die Sensoreinrichtung kann die Radio- bzw. Mikrowellen in einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 300 GHz empfangen und die Veränderungen in der Amplitude einer Mikrowellenstrahlung mit einer bestimmten Polarisationskomponente messen und in elektrische Signale umwandeln. Zudem ist ein Mikrowellensender vorgesehen, der zum Senden einer Mikrowelle mit einer bestimmten Polarisation geeignet ist.The sensor device can receive the radio or microwaves in a frequency range from 1 MHz to 300 GHz and measure the changes in the amplitude of a microwave radiation with a specific polarization component and convert it into electrical signals. In addition, a microwave transmitter is provided, which is suitable for transmitting a microwave with a specific polarization.

In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass

  • – durch die Mikrowellenquelle Mikrowellen mit einer bestimmten Polarisation, Intensität und Frequenz-, sowie Amplitudenmodulation aussendbar sind und wobei mittels der Wechselwirkung zwischen eines durch die Mikrowellen erzeugten elektrischen Stroms auf einer Bauteiloberfläche eine Änderung der Polarisation, der Intensität, der Frequenz, sowie Amplitude der Mikrowellen hervorrufbar ist und wobei
  • – die Sensoreinrichtung die von der Oberfläche des zu prüfenden Bauteils reflektierten Mikrowellen empfängt und in elektrische Signale umwandelt.
In a further embodiment of the device it is provided that
  • - By the microwave source microwaves with a specific polarization, intensity and frequency, and amplitude modulation can be emitted and wherein by means of the interaction between an electric current generated by the microwaves on a component surface, a change in polarization, intensity, frequency, and amplitude of the microwaves is producible and where
  • - The sensor device receives the reflected from the surface of the component to be tested microwaves and converts into electrical signals.

Hierdurch findet eine Erzeugung eines elektrischen Stromes auf der zu prüfenden Bauteiloberfläche statt. Während des Rissentstehungprozesses werden Elektronen zwischen den Rissufern übertragen und eine kurzzeitige Aussendung einer Mikrowelle findet statt, die registriert werden kann.As a result, an electric current is generated on the component surface to be tested. During the cracking process, electrons are transferred between the banks of the cracks and there is a brief emission of a microwave that can be registered.

Vorteilhafterweise umfasst die Sensoreinrichtung zumindest einen HF- bzw. Mikrowellensender, einen HF- bzw. Mikrowellenzirkulator, einen HF- Empfänger bzw. eine Mikrowellenantenne, einen Notch-Filter, der das reflektierte Mikrowellensignal mit der Frequenz auf der der HF- bzw. Mikrowellensender sendet, sperrt und eine Auswertelektronik zur Messdatenerfassung und Auswertung aufweist.Advantageously, the sensor device comprises at least one RF or microwave transmitter, an HF or microwave circulator, an RF receiver or a microwave antenna, a notch filter which transmits the reflected microwave signal at the frequency at which the RF or microwave transmitter, locks and has an evaluation for measuring data acquisition and evaluation.

Das von der elektrisch leitfähigen Oberfläche reflektierte Signal und das während der Rissentstehung ausgesendete Signal überlagern sich. Die Überlagerung findet jedoch nur auf der Frequenz statt mit der die Mikrowelle zur Anregung des elektrischen Stromes auf der Bauteiloberfläche eingesendet wird. Der Notch-Filter unterdrückt die Frequenz auf der die Überlagerung der beiden Signale stattfindet. Dadurch wird nur das aufgrund der Rissentstehung ausgesendete Signal detektiert.The signal reflected from the electrically conductive surface and the signal emitted during the cracking are superimposed. However, the superposition takes place only on the frequency with which the microwave is sent to excite the electric current on the component surface. The notch filter suppresses the frequency at which the superimposition of the two signals takes place. As a result, only the signal emitted due to the cracking is detected.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beinhaltet die Vorrichtung eine Kombination der Sensorkomponenten beziehungsweise des Notch- und Polarisationsfilters.According to a further embodiment of the invention, the device includes a combination of the sensor components or the notch and polarization filter.

Wahlweise können Polarisations- und Notchfilter miteinander kombiniert werden um sowohl eine Änderung der Polarisation und somit den Spannungszustand im Bauteil zu messen als auch gleichzeitig einen Rissentstehungsprozess zu detektieren.Optionally, polarization and notch filters can be combined with each other to both measure a change in polarization and thus the state of stress in the component as well as to simultaneously detect a cracking process.

Verwendet werden kann die Vorrichtung zur Prüfung des Spannungs- und Deformationszustands von

  • – Bauteilen, aus einem für Mikrowellen unempfindlichen Stoff mit einer für Mikrowellen empfindlichen Schicht/Hülle und/oder
  • – Bauteilen aus einem für Mikrowellen empfindlichen Werkstoff.
The device for checking the state of tension and deformation of. Can be used
  • Components made of a microwave-insensitive substance with a microwave-sensitive layer / sheath and / or
  • - Components of a microwave-sensitive material.

Für Mikrowellen unempfindliche Werkstoff sind beispielsweise Stoffe, die beim Auftreffen der Mikrowelle auf den Werkstoff nicht merkbar bzw. messbar in Wechselwirkung mit dem Werkstoff treten, wie beispielweise Vakuum, Luft, inerte Gase und ähnliches.Materials which are insensitive to microwaves are, for example, substances which do not noticeably or measurably interact with the material when the microwave impinges on the material, for example vacuum, air, inert gases and the like.

Für Mikrowellen empfindliche Werkstoff sind alle Werkstoffe, die beim Auftreffen der Mikrowelle auf den Werkstoff in Wechselwirkung mit dem Werkstoff treten, zum Beispiel Metalle oder Werkstoffe mit metallischen Partikeln oder Gläser etc. Prinzipiell könnten alle Werkstoffe mikrowellenempfindlich sein. Microwave sensitive materials are any materials that interact with the material upon impact of the microwave on the material, such as metals or materials with metallic particles or glasses, etc. In principle, all materials could be microwave sensitive.

Vorteilhaft an diesem Verfahren ist die berührungslose Registrierung von Spannungs- und Dehnungszuständen auf Entfernungen bis zu mehreren Metern. Eine Aussage über Spannungszustände in einzelnen Punkten von Bauteilkomponenten in dem die Mikrowelle gezielt auf die zu prüfende Stelle gerichtet wird.An advantage of this method is the contactless registration of stress and strain states at distances up to several meters. A statement about stress states in individual points of component components in which the microwave is aimed specifically at the point to be tested.

Verwendung kann die Vorrichtung ebenfalls zur Ermittlung von Schadens- und Spannungszuständen von elektronischen Bauteilen und Komponenten, Fahrzeugbauteilen, Raumfahrtbauteilen, Flugzeugbauteilen, sowie von Produkten der Medizintechnik.The device can also be used to determine damage and stress states of electronic components and components, vehicle components, aerospace components, aircraft components, and medical technology products.

Vorteil gegenüber anderen Verfahren ist die Möglichkeit einer Beurteilung von Spannungs- und Dehnungszuständen auf Entfernung ohne eine Verwendung von zusätzlichen Sensoren, wie zum Beispiel Dehnungsmesstreifen, Piezoaktoren etc.The advantage over other methods is the possibility of assessing stress and strain states at a distance without the use of additional sensors, such as strain gauges, piezoactuators, etc.

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ermittlung von Rissentstehungsprozessen in Bauteilen mit folgenden Verfahrensschritten:

  • – Bestrahlung eines Bauteils mit zumindest einer Mikrowellenquelle, wobei durch Mikrowellen ein elektrischer Strom auf dem elektrisch leitfähigen Bauteil erzeugt wird und während der Entstehung und Ausbreitung von Rissen und/oder Mikrorissen abrupt verändert wird,
  • – Empfangen der Radio- und/oder Mikrowellen, welche während der Rissentstehung in oder auf dem Bauteil in einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 300 GHz erzeugt werden
A method is proposed for the determination of cracking processes in components with the following process steps:
  • Irradiation of a component with at least one microwave source, wherein an electric current is generated on the electrically conductive component by microwaves and is abruptly changed during the formation and propagation of cracks and / or microcracks,
  • - Receiving the radio and / or microwaves, which are generated during cracking in or on the component in a frequency range from 1 MHz to 300 GHz

Vorteilhaft an diesem Verfahren ist die drahtlose Anregung und Registrierung von Begleiterscheinungen von Rissentstehungsprozessen. Unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass eine Entfernung zu dem auf Risse zu prüfenden Bauteil von mehreren Metern möglich ist.An advantage of this method is the wireless excitation and registration of side effects of cracking processes. Inter alia, characterized in that a distance to the component to be tested for cracks of several meters is possible.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren zur Ermittlung von Spannungen und Deformationen in Bauteilen zumindest folgende Verfahrensschritte:

  • – Bestrahlung eines Bauteils mit zumindest einer Mikrowellen- bzw. Radiowellenquelle, wobei durch Spannungen und Deformationen in dem Bauteil die durchgelassenen bzw. reflektierten Mikrowellen in den Eigenschaften der Polarisation, der Intensität, der Frequenz, sowie Amplitude verändert werden,
  • – Empfangen der Radio- und/oder Mikrowellen, welche aufgrund der Spannungen und Deformationen in dem Bauteil in einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 300 GHz in ihren Eigenschaften verändert werden
According to a further embodiment of the invention, the method for determining stresses and deformations in components comprises at least the following method steps:
  • Irradiation of a component with at least one microwave or radio-wave source, wherein the transmitted or reflected microwaves in the properties of the polarization, the intensity, the frequency and the amplitude are changed by stresses and deformations in the component
  • - Receiving the radio and / or microwaves, which are changed due to the stresses and deformations in the component in a frequency range from 1 MHz to 300 GHz in their properties

Vorteilhaft dadurch, dass durch eine geeignete Vorrichtung bereits geringe Veränderungen der Eigenschaften der Polarisation, Intensität, Frequenz sowie der Amplitude auch geringe Änderungen von Spannungen und Dehnungen registriert werden und somit eine sensitive Messung ermöglicht wird.Advantageously characterized in that by a suitable device even small changes in the properties of the polarization, intensity, frequency and the amplitude and small changes of stresses and strains are registered and thus a sensitive measurement is possible.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sieht das Verfahren vor, dass auf das zu prüfende Bauteil bzw. auf ein Grundsubstrat ein eine für Mikrowellen durchlässige und empfindliche Platte bzw. Vorrichtung bzw. Beschichtung mit einer spiegelnden Rückseite aufgebracht wird.According to a further embodiment of the invention, the method provides that a microwave-permeable and sensitive plate or device or coating with a reflective back is applied to the component to be tested or to a base substrate.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist verfahrensgemäß vorgesehen, dass auf das zu prüfende Bauteil bzw. auf ein Grundsubstrat eine Schicht von Graphen oder Graphen-Nano-Röhrchen, Graphen in Form von Nanotubes oder eine Platte, beschichtet mit Graphen oder Nano-Röhrchen aus Graphen, bzw. Graphen in Form von Nanotubes aufgebracht wird. Dabei werden die mit der Frequenz 1 ω0 eingestrahlten Mikrowellen auf den Frequenzen 3 ω0, 5 ω0, 7 ω0, 9 ω0 und 11 ω0 von der Schicht reflektiert, wobei wo die Trägerfrequenz der Mikrowellen ist.In a further embodiment of the invention, according to the method, a layer of graphene or graphene nanotubes, graphene in the form of nanotubes or a plate coated with graphene or nano-tubes made of graphene is provided on the component to be tested or on a base substrate , or graphene in the form of nanotubes is applied. In this case, the microwaves irradiated with the frequency 1 ω 0 are reflected by the layer on the frequencies 3 ω 0 , 5 ω 0 , 7 ω 0 , 9 ω 0 and 11 ω 0 , where wo is the carrier frequency of the microwaves.

Graphen besitzt eine Eigenschaft, die Trägerfrequenzen der Mikrowellen zu multiplizieren. Während der Bestrahlung einer Testoberfläche, beispielsweise in Form eines Bauteils oder Grundsubstrats erscheint das Mikrowellensignal als Antwortsignal auf die oben genannten Frequenzen. Durch den Empfang des Antwortsignals auf einer oder allen der zuvor genannten Frequenzen wird die Einwirkung der Reflexion von der Umgebung des zu prüfenden Bauteils oder Substrats vermieden. Dabei wird nur das Antwortsignal von der zu prüfenden Oberfläche empfangen und analysiert.Graphene has a property of multiplying carrier frequencies of microwaves. During the irradiation of a test surface, for example in the form of a component or base substrate, the microwave signal appears as a response signal to the abovementioned frequencies. By receiving the response signal at one or all of the aforementioned frequencies, the effect of the reflection from the environment of the component or substrate to be tested is avoided. Only the response signal from the surface to be tested is received and analyzed.

Das Verfahren weist folgende Vorteile auf:
Bei einer fehlenden Reflektion der Radio- bzw. Mikrowelle von dem auf Spannungs- und Dehnungszustände zu prüfenden Bauteil oder einer geeigneten Positionierungsmöglichkeit einer Vorrichtung zum Empfang und Auswertung der veränderten Radio- bzw. Mikrowelle hinter dem zu prüfenden Bauteil, sind zusätzliche Vorrichtungen vom Vorteil.The method has the following advantages:
In the case of a lack of reflection of the radio or microwave from the component to be tested for stress and strain states or a suitable positioning possibility of a device for receiving and evaluating the modified radio or microwave behind the component to be tested, additional devices are of advantage.

Bei einer festen Positionierung von solchen Vorrichtungen auf der zu prüfenden Bauteiloberfläche können Spannungs- und Dehnungszustände der Oberflächen ermittelt werden, indem sich der Grad der Verformung der Vorrichtung dem Grad der Verformung der Bauteiloberfläche anpasst. In Abhängigkeit davon findet in der Vorrichtung eine Änderung der Eigenschaften der Polarisation, der Intensität, der Frequenz, sowie Amplitude der eingesendeten Mikrowelle statt.With fixed positioning of such devices on the component surface to be tested, stress and strain states of the surfaces can be determined by adjusting the degree of deformation of the device to the degree of deformation of the component surface. In Depending on this, a change in the properties of the polarization, the intensity, the frequency and the amplitude of the microwave sent in the device takes place.

Die veränderte Mikrowelle wird daraufhin von der spiegelnden Rückseite der Vorrichtung reflektiert. Um die Rissentstehung an Bauteilen mit Hilfe der Mikrowellenemission berührungslos detektieren zu können, wird eine Mikrowelle auf einen zur Prüfung stehenden elektrisch leitfähigen Material, bzw. an einem Material mit einer elektrischen Oberfläche gesendet.The modified microwave is then reflected by the specular back of the device. In order to be able to detect the formation of cracks on components with the aid of the microwave emission without contact, a microwave is transmitted to an electrically conductive material under test or to a material having an electrical surface.

Beispielhaft werden Ausführungsformen der Erfindung in den nachfolgenden Figuren dargestellt und näher beschrieben, wobei die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist.By way of example, embodiments of the invention are illustrated and described in more detail in the following figures, the invention being not limited thereto.

Für die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren zur Ermittlung von Spannungs- und Dehnungszuständen sowie Rissentstehungsprozessen in einem belasteten Bauteil wird somit ein breites Feld an Anwendungsmöglichkeiten aufgezeigt, welches in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung angesiedelt sein kann.For the device according to the invention and the method for the determination of stress and strain states as well as crack formation processes in a loaded component, a broad field of application possibilities is thus revealed, which can be located in the non-destructive material testing.

Es zeigen:Show it:

1: schematisch eine Anordnung zur Registrierung von Rissentstehungsprozessen in einem Bauteil, 1 FIG. 2 schematically shows an arrangement for registering crack formation processes in a component, FIG.

2: schematisch eine Anordnung und die Funktionsweise der Messvorrichtung mit einem HF-Sender, 2 FIG. 2 schematically shows an arrangement and the mode of operation of the measuring device with an HF transmitter, FIG.

3a und 3b: schematisch die Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Notch-Filter, 3a and 3b FIG. 2 schematically shows the effect of the device according to the invention with a notch filter, FIG.

4: schematisch eine Anordnung und die Funktionsweise der Messvorrichtung mit einem HF-Sender bzw. Mikrowellensender und einem HF-Zirkulator und 4 schematically an arrangement and the operation of the measuring device with an RF transmitter or microwave transmitter and an RF circulator and

5: schematisch eine Anordnung und die Funktionsweise der Messvorrichtung für schwach reflektierende und/oder für Mikrowellen undurchlässige Materialien. 5 FIG. 2 schematically shows an arrangement and the operation of the measuring device for low-reflective and / or microwave-impermeable materials.

Die Funktionsweise der Registrierung von Rissentstehungsprozessen in einem elektrisch leitfähigen Bauteil wird in 1 schematisch dargestellt. Die Mikrowellen (2) werden von einer Mikrowellenantenne (1), die zum Senden als auch zum Empfangen von Mikrowellen geeignet ist, auf eine elektrisch leitende Oberfläche beziehungsweise ein elektrisch leitfähiges Bauteil (3) ausgestrahlt.The functioning of the registration of cracking processes in an electrically conductive component is described in 1 shown schematically. The microwaves ( 2 ) are powered by a microwave antenna ( 1 ), which is suitable for transmitting as well as for receiving microwaves, onto an electrically conductive surface or an electrically conductive component ( 3 ) aired.

Dadurch wird ein elektrischer Strom I im Bauteil erzeugt. Während der Rissentstehung (4) wird der Stromfluss abrupt unterbrochen. Dadurch wird ein breitbandiges Mikrowellensignal (5) ausgestrahlt.As a result, an electric current I is generated in the component. During cracking ( 4 ) the current flow is interrupted abruptly. As a result, a broadband microwave signal ( 5 ) aired.

Die schematische Anordnung und die Funktionsweise der Messvorrichtung sind in 2 dargestellt und besteht aus einem HF-Sender bzw. Mikrowellensender (10) der die Mikrowellen durch einen HF-Zirkulator (6) durchstrahlt. Die den HF-Zirkulator passierende Mikrowellenstrahlung (5) wird von der Mikrowellenantenne (1) in Richtung des zu prüfenden Bauteils (3) ausgesendet.The schematic arrangement and the operation of the measuring device are in 2 and consists of an RF transmitter or microwave transmitter ( 10 ) the microwaves through an RF circulator ( 6 ). The microwave radiation passing through the HF circulator ( 5 ) is emitted from the microwave antenna ( 1 ) in the direction of the component to be tested ( 3 ).

Ein elektrischer Strom I wird im Bauteil erzeugt. Während der Rissentstehung (4) wird der Stromfluss abrupt unterbrochen. Dadurch wird ein breitbandiges Mikrowellensignal (5) ausgestrahlt, das von der Mikrowellenantenne (1) wieder empfangen wird. Im HF-Zirkulator (6) wird die zurückgestrahlte Mikrowelle (5) auf einen HF-Empfänger (7), der zum Beispiel ein Mikrowellenadapter sein kann, umgelenkt.An electric current I is generated in the component. During cracking ( 4 ) the current flow is interrupted abruptly. As a result, a broadband microwave signal ( 5 ) emitted by the microwave antenna ( 1 ) is received again. In the HF circulator ( 6 ), the back-radiated microwave ( 5 ) to an RF receiver ( 7 ), which may be a microwave adapter, for example, deflected.

Die Wirkung der Vorrichtung mit einem Notchfilter 8 wird schematisch in den 3a und 3b dargestellt. Der Notch-Filter (8) filtert die Frequenzen (12) der Signale 10' des HF-Senders (10), wie in den 3a und 3b schematisch dargestellt, der gesendeten Mikrowelle heraus, sodass nur das breitbandige Signal (11), welches während der Rissentstehung generiert wird, zur Auswerteelektronik (9) gemäß 2 weitergeleitet wird.The effect of the device with a notch filter 8th is shown schematically in the 3a and 3b shown. The notch filter ( 8th ) filters the frequencies ( 12 ) of the signals 10 ' of the RF transmitter ( 10 ), as in the 3a and 3b shown schematically out of the sent microwave so that only the broadband signal ( 11 ), which is generated during the cracking, to the evaluation ( 9 ) according to 2 is forwarded.

Die Messvorrichtung ist in 4 dargestellt und besteht aus einem HF-Sender bzw. Mikrowellensender (10) der die Mikrowellen durch einen HF-Zirkulator (6) strahlt. Die den HF-Zirkulator passierende Mikrowellenstrahlung (5) wird von der Mikrowellenantenne (1) in Richtung des zu prüfenden Bauteils (3) durch einen Polarisationsfilter (14) ausgesendet. Der Polarisationsfilter lässt die Mikrowellenstrahlung nur mit einer bestimmten Polarisation passieren. Während der Beanspruchung entsteht eine Deformation bzw. Spannung (13) im Bauteil.The measuring device is in 4 and consists of an RF transmitter or microwave transmitter ( 10 ) the microwaves through an RF circulator ( 6 ) shine. The microwave radiation passing through the HF circulator ( 5 ) is emitted from the microwave antenna ( 1 ) in the direction of the component to be tested ( 3 ) through a polarizing filter ( 14 ). The polarizing filter lets the microwave radiation pass only with a certain polarization. During the stress, a deformation or tension arises ( 13 ) in the component.

Dadurch werden die Eigenschaften des reflektierten Mikrowellensignals, das von der Mikrowellenantenne (1) wieder empfangen wird, verändert. Als Resultat wird eine Änderung der Amplitude des reflektierten Signals, das den Polarisationsfilter (14) passiert registriert. Im Zirkulator (6) wird die zurückgestrahlte Mikrowelle auf einen HF-Empfänger (7), der zum Beispiel ein Mikrowellenadapter sein kann, umgelenkt. Das Signal wird an die Auswerteelektronik (9) weitergeleitet.This determines the characteristics of the reflected microwave signal coming from the microwave antenna ( 1 ) is received again, changed. As a result, a change in the amplitude of the reflected signal, the polarization filter ( 14 ) happened registered. In the circulator ( 6 ), the returned microwave is transferred to an RF receiver ( 7 ), which may be a microwave adapter, for example, deflected. The signal is sent to the evaluation electronics ( 9 ) forwarded.

Zur Erhöhung der Empfindlichkeit der Methodik im Falle eines schwach reflektierenden und/oder für Mikrowellen undurchlässigen Materials, wird aus einem für Mikrowellen empfindlichen Werkstoff eine zusätzliche Baugruppe (15) auf der Oberfläche des zu prüfenden Bauteils fest positioniert, 5.To increase the sensitivity of the methodology in the case of a low-reflective and / or microwave-impermeable material, will a microwave-sensitive material, an additional assembly ( 15 ) is firmly positioned on the surface of the component to be tested, 5 ,

Bei einer Deformations- bzw. Spannungseinwirkung des zu prüfenden Bauteils, unterliegt die auf der Oberfläche fest positionierte Baugruppe ebenfalls Deformations- und Spannungseinwirkungen. Diese werden durch ein Messsystem wie in 4 dargestellt registriert.In the case of a deformation or tension action of the component to be tested, the assembly which is firmly positioned on the surface is also subject to deformation and stress effects. These are controlled by a measuring system like in 4 shown registered.

Alle Vorrichtungen ermöglichen es, Maschinen, Bauteile und elektrische Komponenten während des Betriebes einerseits auf Spannungen und Deformationen, sowie auf Rissentstehungsprozesse zu untersuchen.All devices make it possible to inspect machines, components and electrical components during operation on the one hand for stresses and deformations and for cracking processes.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (12)

Vorrichtung zur Ermittlung von Spannungs- und Dehnungszuständen sowie Rissentstehungsprozessen in einem belasteten Bauteil mit – zumindest einer Mikrowellen- oder Radiowellenquelle, zur Aussendung von Mikro- bzw. Radiowellen mit einer bestimmten Polarisation, Intensität und Frequenz-, sowie Amplitudenmodulation auf das Bauteil, wobei die Mikro- bzw. Radiowellen derart mit dem Bauteil zusammenwirken, dass zumindest eine Änderung der Polarisation, der Intensität, der Frequenz, sowie Amplitude der Mikro- bzw. Radiowellen hervorgerufen wird, – zumindest einer Sensoreinrichtung die die vom zu prüfenden Bauteil reflektierten oder durchgestrahlten Radio- oder Mikrowellen empfängt und die Änderung der Polarisation, Intensität, der Frequenz, sowie Amplitude der Mikrowellen auswertet und in elektrische Signale umwandelt.Device for determining stress and strain states and cracking processes in a loaded component with - At least one microwave or radio wave source, the emission of micro- or radio waves with a certain polarization, intensity and frequency, and amplitude modulation on the component, wherein the micro- or radio waves interact with the component such that at least one change of Polarization, the intensity, the frequency, as well as the amplitude of the micro- or radio waves is caused, - At least one sensor device which receives the reflected or radiated from the component to be tested radio or microwaves and evaluates the change in polarization, intensity, frequency, and amplitude of the microwaves and converts them into electrical signals. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei – die Mikro- bzw. Radiowellenquelle beispielsweise ein HF-Sender mit einer bestimmten Polarisation, Intensität und Frequenz-, sowie Amplitudenmodulation ist, die zur Durchstrahlung eines für Mikro- oder Radiowellen durchlässigen Bauteils geeignet ist, wobei mittels der Wechselwirkung zwischen dem unter der mechanischen Belastung stehenden Bauteil und der Mikro- bzw. Radiowellenstrahlung eine Änderung der Polarisation, der Intensität, der Frequenz, sowie Amplitude der Mikrowellen hervorrufbar ist und wobei – die Sensoreinrichtung die die reflektierten oder durch das zu prüfende Bauteil durchgestrahlten Mikro- bzw. Radiowellen, die aufgrund der mechanischen Belastungen sich in ihren Eigenschaften verändern, empfängt und die Änderung der Polarisation, Intensität, der Frequenz, sowie Amplitude auswertet und in elektrische Signale umwandelt.Apparatus according to claim 1, wherein - The micro or radio wave source, for example, an RF transmitter with a certain polarization, intensity and frequency, and amplitude modulation, which is suitable for radiating a permeable for micro or radio waves component, wherein by means of the interaction between under the mechanical load standing component and the micro- or radio wave radiation, a change in the polarization, the intensity, the frequency, and the amplitude of the microwaves can be caused and - The sensor device which reflects the reflected or through the component to be tested radiated micro- or radio waves that change due to the mechanical stress in their properties, receives and evaluates the change in polarization, intensity, frequency, and amplitude and converts it into electrical signals , Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensoreinrichtung zumindest einen HF- bzw. Mikrowellensender, einen HF- bzw. Mikrowellenzirkulator, eine HF- bzw. Mikrowellenantenne, einen Polarisationsfilter, einen HF- bzw. Mikrowellenempfänger und eine Auswertelektronik zur Messdatenerfassung und Auswertung aufweist.Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the sensor device has at least one RF or microwave transmitter, an HF or microwave circulator, an RF or microwave antenna, a polarization filter, an RF or microwave receiver and an evaluation electronics for measuring data acquisition and evaluation. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei – die Mikrowellenquelle Mikrowellen mit einer bestimmten Polarisation, Intensität und Frequenz-, sowie Amplitudenmodulation aussendet und wobei mittels der Wechselwirkung zwischen eines durch die Mikrowellen erzeugten elektrischen Stroms auf einer Bauteiloberfläche eine Änderung der Polarisation, der Intensität, der Frequenz, sowie Amplitude der Mikrowellen hervorgerufen wird und wobei – die Sensoreinrichtung die von der Oberfläche des zu prüfenden Bauteils reflektierten Mikrowellen empfängt und in elektrische Signale umwandelt.Apparatus according to claim 1, wherein - The microwave source emits microwaves with a certain polarization, intensity and frequency, and amplitude modulation and wherein by means of the interaction between an electric current generated by the microwaves on a component surface, a change in polarization, intensity, frequency, and amplitude of the microwaves is caused and where - The sensor device receives the reflected from the surface of the component to be tested microwaves and converts into electrical signals. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Sensoreinrichtung zumindest einen HF- bzw. Mikrowellensender, einen HF- bzw. Mikrowellenzirkulator, einen HF-Empfänger bzw. eine Mikrowellenantenne, einen Notch-Filter, der das reflektierte Mikrowellensignal mit der Frequenz auf der der HF- bzw. Mikrowellensender sendet, sperrt und eine Auswertelektronik zur Messdatenerfassung und Auswertung aufweist.Device according to claim 4, wherein the sensor device comprises at least one RF or microwave transmitter, an HF or microwave circulator, an HF receiver or a microwave antenna, a notch filter which transmits the reflected microwave signal at the frequency on which the RF or microwave transmitter The microwave transmitter transmits, blocks and has evaluation electronics for measuring data acquisition and evaluation. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die eine Kombination der Sensorkomponenten beziehungsweise des Notch- und Polarisationsfilters beinhaltet.Device according to one of the preceding claims, characterized in that includes a combination of the sensor components or the Notch and polarization filter. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Prüfung des Spannungs- und Deformationszustands von – Bauteilen, aus einem für Mikrowellen unempfindlichen Stoff mit einer für Mikrowellen empfindlichen Schicht/Hülle und/oder – Bauteilen aus einem für Mikrowellen empfindlichen Werkstoff.Use of the device according to one of the preceding claims, for testing the state of tension and deformation of Components made of a microwave-insensitive substance with a microwave-sensitive layer / sheath and / or - Components of a microwave-sensitive material. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Ermittlung von Schadens- und Spannungszuständen von elektronischen Bauteilen und Komponenten, Fahrzeugbauteilen, Raumfahrtbauteilen, Flugzeugbauteilen, sowie von Produkten der Medizintechnik.Use of the device according to one of the preceding claims, for the determination of damage and stress states of electronic components and components, vehicle components, aerospace components, aircraft components, as well as products of medical technology. Verfahren zur Ermittlung von Rissentstehungsprozessen in Bauteilen mit folgenden Verfahrensschritten: – Bestrahlung eines Bauteils mit zumindest einer Mikrowellenquelle, wobei durch Mikrowellen ein elektrischer Strom auf dem elektrisch leitfähigen Bauteil erzeugt wird und während der Entstehung und Ausbreitung von Rissen und/oder Mikrorissen abrupt verändert wird, – Empfangen der Radio- und/oder Mikrowellen, welche während der Rissentstehung in oder auf dem Bauteil in einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 300 GHz erzeugt werdenMethod for determining cracking processes in components with the following method steps: Irradiation of a component with at least one microwave source, wherein an electric current is generated on the electrically conductive component by microwaves and is abruptly changed during the formation and propagation of cracks and / or microcracks, - Receiving the radio and / or microwaves, which are generated during cracking in or on the component in a frequency range from 1 MHz to 300 GHz Verfahren zur Ermittlung von Spannungen und Deformationen in Bauteilen mit folgenden Verfahrensschritten: – Bestrahlung eines Bauteils mit zumindest einer Mikrowellen- bzw. Radiowellenquelle, wobei durch Spannungen und Deformationen in dem Bauteil die durchgelassenen bzw. reflektierten Mikrowellen in den Eigenschaften der Polarisation, der Intensität, der Frequenz, sowie Amplitude verändert werden, – Empfangen der Radio- und/oder Mikrowellen, welche aufgrund der Spannungen und Deformationen in dem Bauteil in einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 300 GHz in ihren Eigenschaften verändert werdenMethod for determining stresses and deformations in components with the following method steps: Irradiation of a component with at least one microwave or radio-wave source, wherein the transmitted or reflected microwaves in the properties of the polarization, the intensity, the frequency and the amplitude are changed by stresses and deformations in the component - Receiving the radio and / or microwaves, which are changed due to the stresses and deformations in the component in a frequency range from 1 MHz to 300 GHz in their properties Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf das zu prüfende Bauteil bzw. auf ein Grundsubstrat ein eine für Mikrowellen durchlässige und empfindliche Platte bzw. Einrichtung mit einer spiegelnden Rückseite aufgebracht wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the component to be tested or on a base substrate is applied to a microwave transmissive and sensitive plate having a specular back surface. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf das zu prüfende Bauteil bzw. auf das Grundsubstrat eine Schicht von Graphen oder Graphen-Nano-Röhrchen, Graphen in Form von Nanotubes oder eine Platte beschichtet mit Graphen oder Nano-Röhrchen aus Graphen, bzw. Graphen in Form von Nanotubes aufgebracht wird und die reflektierten Mikrowellen auf den Frequenzen 3 ω0, 5 ω0, 7 ω0, 9 ω0 und 11 ω0 gesendet werden, wobei wo die Trägerfrequenz der Mikrowellen ist.Method according to one of the preceding claims, wherein on the component to be tested or on the base substrate, a layer of graphene or graphene nano-tubes, graphene in the form of nanotubes or a plate coated with graphene or nano-tubes of graphene, or graphene is applied in the form of nanotubes and the reflected microwaves at the frequencies 3 ω 0 , 5 ω 0 , 7 ω 0 , 9 ω 0 and 11 ω 0 are sent, where where is the carrier frequency of the microwaves.
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