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Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem und Verfahren zum Erfassen von Verformungen bzw. Dehnungen in einem Material mit kontaktloser Signalübertragu ng.
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Durch die Erfassung der Information über die Dehnung können wichtige Parameter von einem Bauteil bestimmt werden, wie beispielsweise die wirkenden Belastungen, der strukturelle Zustand und die Lebensdauer. Besonders wichtig sind integrierbare Dehnungssensoren für Bauteile aus Faserverbundkunststoffen (FVK) mit Anwendung in der Windkraft-, Aerospace und Fahrzeugindustrie.
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Es gibt mehrere Möglichkeiten die Belastung eines Bauteils zu erfassen. Dazu gehören optische, kapazitive, induktive und resistive Messprinzipien. Um Dehnungen die in einem FVK auftreten zu erfassen und dabei die Kosten möglichst niedrig zu halten, werden resistive Dehnungssensoren bevorzugt.
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Resistive Dehnungssensoren basieren auf dem piezoresistiven Effekt, bei dem der elektrische Widerstand eines auf oder in dem Bauteil applizierten elektrischen Leitungsdrahtes aufgrund einer Belastung verändert wird. Durch eine direkte Kontaktierung von Drähten an Schnitt- bzw. Kontaktstellen der resistiven Dehnungssensoren mittels Punktschweißen, Löten oder Crimpen können Informationen über den resistiven Dehnungssensor dann ausgelesen werden. Um auch in das Bauteil integriert werden zu können, ohne die Struktur des Bauteils zu beeinflussen, sollten resistive Dehnungssensoren allerdings über eine kontaktlose Signalauslesung bzw. -ansteuerung verfügen.
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Beispielsweise beschreibt das Schutzrecht
US 6,912,911 B2 ein Schwingkreisprinzip bestehend aus zwei elektrischen LC Schwingkreisen, die zur kontaktlosen Signalübertragung induktiv gekoppelt sind. Ein erster elektrischer Schwingkreis, der sogenannte Sensorschwingkreis, ist dabei in dem zu vermessenden Bauteil integriert. Wird das Bauteil mechanisch belastet führt dies zur Verformung des Sensorschwingkreises, was eine Änderung der Induktivität zur Folge hat. Dadurch ändert sich auch die Resonanzfrequenz des Gesamtsystems, welche im zweiten, dem sogenannten Sendeschwingkreis, gemessen werden kann. Nachteilig wirkt sich dabei aus, dass die Sensorspule des Sensorschwingkreises so ausgebildet werden muss, dass sowohl eine mechanische Belastung variabel detektiert, als auch eine effiziente induktive Kopplung zwischen beiden Schwingkreisen realisiert wird. Eine solche Doppelfunktion schränkt die Materialauswahl und die Geometrien der zu verwendenden Spulen bzw. Sensoren stark ein, da insbesondere konventionelle Materialien nicht über eine große reversible Dehnbarkeit verfügen.
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In dem Patent
US 8,104,358 B1 besteht der Sensorschwingkreis hingegen aus einer Sensorspule und einem kapazitiven Element, wobei Verformungen bzw. Dehnungen eines Materials oder Bauteils durch Kapazitätsänderungen erfasst werden. Dehnungssensoren, die auf der Änderung der Kapazität oder Induktivität beruhen, sind allerdings im Vergleich zu resistiven Dehnungssensoren kostspieliger und aufwendiger in der Fertigung.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein möglichst einfaches und kompaktes Sensorsystem und ein Verfahren zur Erfassung von Verformungen eines Materials vorzuschlagen, welches auf einem resistiven Sensorprinzip und einer kontaktlosen Signalübertragung basiert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Sensorsystem, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Die Aufgabe kann mit dem in Anspruch 8 beschriebenen Verfahren gelöst werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Das vorgeschlagene Sensorsystem besteht aus mindestens zwei elektrischen Schaltkreisen, einem elektrischen Sendeschaltkreis und einem elektrischen Sensorschaltkreis. Der elektrische Sensorschaltkreis ist dabei aus mindestens einer Empfangsspule und einem resistiven Dehnungssensor gebildet. Als resistive Dehnungssensoren können beispielsweise konventionelle Dehnmessstreifen, Sticksensoren auf Basis von Konstantan oder Platin oder Wolfram oder Dehnungssensoren aus Formgedächtnislegierungen (FGL) verwendet werden.
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Resistive Dehnungssensoren sind typischerweise aus einem elektrischen Leiterdraht gebildet dessen elektrischer Widerstand von seiner Geometrie bzw. Länge abhängt. Wird der elektrische Leiterdraht mit dem zu vermessenden Material verbunden, verändern mechanische Belastungen im Material die Geometrie bzw. Länge des elektrischen Leiterdrahtes und wirken sich damit auch auf den elektrischen Widerstand aus. Die elektrische Widerstandsänderung wird gemessen und kann mit einem Kalibrierwert verglichen werden. Dadurch können Verformungen bzw. Dehnungen des zu untersuchenden Materials elektrisch detektiert werden.
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Die Sensitivität des elektrischen Leiterdrahtes ist durch den sogenannten k-Faktor gegeben, welcher die Proportionalität zwischen elektrischer Widerstandsänderung und Dehnung bzw. Längenänderung angibt. Eine weitere Kennzahl ist die maximale, relative Längenänderung eines elektrischen Leiterdrahtes. Bei konventionellen Dehnmessstreifen und Sticksensoren liegt der k-Faktor zwischen k=2 und k=3 und die maximale Längenänderung bei unter einem Prozent. Dehnungssensoren aus Formgedächtnislegierungen besitzen hingegen einen k-Faktor, der größer ist als k=5, und eine maximale reversible Dehnbarkeit über ein Prozent und typischerweise bis zu acht Prozent. Der k-Faktor sollte vorzugsweise größer als 4 sein.
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Der resistive Dehnungssensor kann dabei sowohl auf der Oberfläche des zu vermessenden Materials appliziert als auch in das Innere des Materials integriert oder eingearbeitet werden. Abhängig von der Geometrie des elektrischen Leiterdrahtes können Verformungen bzw. Dehnungen auch bevorzugt in einer bestimmten Richtung detektiert werden. So kann der elektrische Leiterdraht zumindest teilweise linienförmig oder kreisförmig, aber auch spiralförmig ausgeprägt sein.
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Es können auch andere, ein-, zwei- oder dreidimensionale Geometrien realisiert werden. Um die absolute elektrische Widerstandsänderung und damit die Sensitivität der Dehnungsmessung zu erhöhen oder bei gleicher Sensitivität eine kleine Messfläche zu erfassen, kann beispielsweise auch eine Mäanderstruktur durch den elektrischen Leiterdraht abgebildet werden.
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Der elektrische Sensorschaltkreis besteht zusätzlich zum resistiven Dehnungssensor aus mindestens einer Empfangsspule, die ebenfalls auf oder in dem zu vermessenden Material integriert sein kann. Die Empfangsspule ist durch einen elektrischen Innenwiderstand, der vorzugsweise kleiner ist als der elektrische Widerstand des Dehnungssensors, und eine Induktivität gekennzeichnet und kann ebenfalls verschiedene Geometrien aufweisen. So kann eine Empfangsspule z.B. aus einem oder mehreren Windungen bestehen und/oder spiralförmig ausgeprägt sein. Der elektrische Leitungsdraht des Dehnungssensors und die Empfangsspule können z.B. durch Crimpen, Löten, Kleben oder andere Verbindungstechniken miteinander verbunden sein.
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Alternativ kann der resistive Dehnungssensor und die Empfangsspule des elektrischen Sensorschaltkreises auch eine Einheit bilden. In diesem Fall sollte das Spulenmaterial aus einem Draht, der aus einer Formgedächtnislegierung mit einer möglichst großen, reversiblen Dehnbarkeit besteht, geformt sein. Dazu können die Enden eines FGL Drahts zu einer Spule gewickelt werden, sodass ein resistiver Dehnungssensor entsteht mit dem gleichzeitig eine induktive Übertragung stattfinden kann. Insbesondere kann damit ein Sensor realisiert werden, der sowohl über eine hohe reversible Dehnbarkeit als auch über eine kabellose Signalübertragung verfügt.
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Der elektrische Sendeschaltkreis besteht aus mindestens einer Sendespule und einem elektrischen Signalgenerator. Für eine effiziente kontaktlose Signalübertragung wird die Sendespule möglichst nah an die Empfangsspule herangeführt bzw. angeordnet. Die Induktivitäten der Sende- und Empfangsspulen sollten dabei so gewählt sein, dass eine effektive, induktive Kopplung zwischen beiden elektrischen Schaltkreisen realisiert wird. Bevorzugt sind die Geometrien, Innenwiderstände und Induktivitäten beider Spulen identisch.
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Eine Empfangsspule des Sensorschaltkreises bzw. eine Sendespule des Sendeschaltkreises kann vorteilhaft aus einem FGL-Draht gewickelt sein oder auf Basis einer FGL-Folie oder als eine FGL-Dünnschicht realisiert sein.
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Der elektrische Signalgenerator kann ein elektrisches Wechselstromsignal generieren und ggf. auch messen. Wird beispielsweise ein harmonisches elektrisches Signal mit einer vorgegebenen Frequenz generiert, entsteht in und um die Sendespule herum ein primäres magnetisches Feld. Ist die Sendespule ausreichend nah an der Empfangsspule angeordnet oder wird in die Nähe bewegt, werden in der Empfangsspule gemäß deren Impedanz elektrische Ströme induziert, die zur Entstehung eines sekundären magnetischen Feldes führen, das dem magnetischen Primärfeld entgegen gerichtet ist. Das heißt, dem magnetischen Primärfeld wird durch die Empfangsspule Energie entzogen und die an der Sendespule gemessene elektrische Signalamplitude nimmt ab.
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Die Dämpfung der elektrischen Signalamplitude an der Sendespule kann durch den elektrischen Signalgenerator, aber auch durch ein separates, zusätzliches Messgerät, gemessen werden und hängt von der Impedanz des elektrischen Sensorschaltkreises und damit auch vom elektrischen Widerstand des resistiven Dehnungssensors ab.
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Insbesondere bewirkt eine Zunahme des elektrischen Widerstands des resisitiven Dehnungssensors einen Anstieg der Amplitude der elektrischen Spannung, die an der Sendespule gemessen wird. Umgekehrt bewirkt eine Abnahme des elektrischen Widerstands eine stärkere Dämpfung und damit auch eine kleinere Spannungsamplitude. Da der elektrische Widerstand des resistiven Dehnungssensors proportional zur Dehnung bzw. Längenänderung des elektrischen Leiterdrahtes ist, beeinflusst eine Verformung des Materials oder Bauteils die gemessene elektrische Spannung an der Sendespule, wodurch die Verformung bzw. Dehnung des Materials erfasst werden kann.
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Bei dem oben beschriebenen Messprinzip ist es wichtig, den Effekt anderer Einflussfaktoren als der einer Verformung bzw. Dehnung des zu vermessenden Materials auf die Impedanz des elektrischen Sensorschaltkreises, wie z.B. Temperaturschwankungen, chemische Prozesse oder externe elektromagnetische Störfelder, möglichst gering zu halten. Das kann durch eine entsprechende Auswahl der verwendeten Materialen und/oder eine Kontrolle der Umgebungsparameter, wie z.B. Temperatur, Druck etc., und/oder durch eine Kompensation, z.B. von Temperaturschwankungen, mittels einer Brückenschaltung, gewährleistet werden.
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Ein zusätzliches kapazitives Element, das bevorzugt in den elektrischen Sendeschaltkreis integriert ist, kann auch dazu dienen das gesamte Messsystem an eine gewünschte Frequenz anzupassen. Das gesamte Sensorsystem kann dann über eine Resonanzfrequenz verfügen, die im Wesentlichen von den Induktivitäten und Kapazitäten der gekoppelten elektrischen Schaltkreise abhängt. Entspricht die Frequenz des generierten elektrischen Signals der Resonanzfrequenz des Gesamtsystems wird die elektrische Signalamplitude maximal und damit erhöht sich auch die durch eine Verformung bzw. Dehnung verursachte Änderung der elektrischen Signalamplitude entsprechend. Die Sensitivität des Sensorsystems kann dadurch erhöht und störende Einflussfaktoren in anderen Frequenzbereichen unterdrückt werden.
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Alle drei beschriebenen elektrischen Schaltkreise können auch zusätzliche resistive, induktive oder kapazitive Elemente aufweisen, um z.B. die effektive Kopplung untereinander oder die Sensitivität des gesamten Sensorsystems weiter zu optimieren. So kann es sich beispielsweise vorteilhaft auswirken, die Impedanzen einzelner Elemente und/oder der elektrischen Schaltkreise aufeinander abzustimmen, um elektrische Signalverluste zu vermeiden.
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Beispielsweise kann in dem elektrischen Sensorschaltkreis eine zweite elektrische Spule integriert werden, um zusätzlich an einen elektrischen Differentialschaltkreis induktiv koppeln zu können. Der elektrische Differentialschaltkreis kann aus einer weiteren elektrischen Differentialspule, einem kapazitiven Element und einem elektrischen Signalmessgerät, z.B. einem Voltmeter, bestehen. Mit einer solchen Anordnung bestehend aus drei gekoppelten elektrischen Schaltkreisen lässt sich eine differentiale Messanordnung realisieren, welche die Sensitivität und Genauigkeit des Sensorsystems zusätzlich erhöhen kann.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
- 1 ein Sensorsystem bestehend aus einem ersten LR Schaltkreis (Sensorschaltkreis), der an einen zweiten LR Schaltkreis mit einem elektrischen Signalgenerator 2 (Sendeschaltkreis) induktiv koppelt,
- 2 ein Sensorsystem bestehend aus einem ersten LR Schaltkreis (Sensorschaltkreis), der an einen RLC Schaltkreis mit einem elektrischen Signalgenerator 2 (Sendeschaltkreis) induktiv koppelt und
- 3 ein Sensorsystem bestehend aus einem ersten LR Schaltkreis (Sensorschaltkreis), der an einen RLC Schaltkreis mit einem elektrischen Signalgenerator 2 (Sendeschaltkreis) und an einen RLC Schaltkreis mit einem Voltmeter 9 (Differentialschaltkreis) induktiv koppelt.
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In 1 ist ein elektrischer Sensorschaltkreis bestehend aus einer Empfangsspule 3 mit einem elektrischen Innenwiderstand 3.2 RL2=117 mΩ und einer Induktivität 3.1 L2=1,7 µH gezeigt. Ein resistiver Dehnungssensor 4, der aus einer Formgedächtnislegierung besteht, ist im elektrischen Sensorschaltkreis in Reihe mit der Empfangsspule 3 geschalten. Der resistive Dehnungssensor 4 weist einen variablen elektrischen Widerstand RFGL , der im unbelasteten Zustand RFGL=25 Ω beträgt und einen k-Faktor von k=6 auf.
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Ein elektrischer Sendeschaltkreis bestehend aus einer Sendespule 1 mit einem elektrischen Innenwiderstand 1.2 RL1=RL2 und einer Induktivität 1.1 L1=L2 koppelt induktiv über die Sende- 1 und Empfangsspule 2 an den elektrischen Sensorschaltkreis. Die effektive Kopplungsstärke zwischen beiden elektrischen Schaltkreisen hängt von den einzelnen Induktivitäten und Geometrien beider elektrischer Spulen 1 und 3, deren Abstand und der Permeabilität des dazwischenliegenden Raumes bzw. Materials ab. Um elektrische Signale vom elektrischen Sendeschaltkreis auf den elektrischen Sensorschaltkreis zu übertragen und umgekehrt, sollte ein möglichst geringer Abstand zwischen beiden elektrischen Spulen 1 und 3 gewählt werden.
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Der elektrische Signalgenerator
2 weist einen elektrischen Innenwiderstand
2.2 von R
i=50 Ω auf und erzeugt beispielsweise ein elektrisches Wechselstromsignal
2.1 mit einer Frequenz von f =1,9 MHz und einer elektrischen Spannungsamplitude von U
i=10 V. Aus der Impedanz der Sendespule
1
mit R
L1=117 mΩ und X
L1=j 2 π f L
1 sowie der imaginären Einheit j lässt sich der elektrische Spannungsabfall U
1=U
i |Z|/(R
i+|Z|) an der Sendespule
1 ohne Ankopplung an den elektrischen Sensorschaltkreis bestimmen. Für die oben genannten Zahlenwerte und eine Induktivität von L
1=1,7 µH ergibt sich U
1=2,9 V.
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Der elektrische Sendeschaltkreis wird nah an den elektrischen Sensorschaltkreis platziert, sodass die Sendespule 1 und die Empfangsspule 3 nur durch eine 1 mm dicke dielektrische Folie voneinander separiert sind. Durch diese Ankopplung an den elektrischen Sensorschaltkreis sinkt die elektrische Spannung an der Sendespule 1 von ursprünglich 2,9 V auf 2,41 V falls der FGL-Draht im Sensorschaltkreis nicht gedehnt ist (unbelastet). Bei maximaler Dehnung des FGL-Drahtes wird jedoch eine elektrische Spannung von 2,6 V gemessen, da sich der elektrische Widerstand RFGL des FGL-Drahtes während der Dehnung vergrößert.
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In 2 ist der Aufbau des elektrischen Sensorschaltkreises identisch mit dem in 1 gezeigten Beispiel. Im elektrischen Sendeschaltkreis ist zusätzlich ein kapazitives Element 5 in Form eines Kondensators mit einer Kapazität C integriert. Durch das zusätzliche kapazitive Element 5 ergibt sich für den elektrischen Sendeschaltkreis ein RLC Schwingkreis mit einer Resonanzfrequenz, die durch die Induktivitäten und Kapazitäten beider elektrischen Schaltkreise bestimmt ist. Die Änderung der elektrischen Signalamplitude an der Sendespule 1 ist maximal, wenn die Frequenz des vom elektrischen Signalgenerator 2 erzeugten elektrischen Wechselstromsignals 2.1 mit der Resonanzfrequenz übereinstimmt, und nimmt ab, sobald die Frequenz von der Resonanzfrequenz abweicht. Dadurch kann das Sensorsystem an eine gewünschte Frequenz angepasst werden.
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In 3 ist der elektrische Sensorschaltkreis im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Beispiel mit einer zweiten Empfangsspule 6, die einen elektrischen Innenwiderstand 6.2 RL3 und eine Induktivität 6.1 L3 aufweist, ausgestattet. Der elektrische Sendeschaltkreis ist identisch mit dem in 2 gezeigten Beispiel. Die zweite Empfangsspule 6 koppelt induktiv an einen elektrischen Differentialschaltkreis, der mindestens aus einer Differentialspule 7 mit einem elektrischen Innenwiderstand 7.2 RL4 und einer Induktivität 7.1 L4 , einem kapazitiven Element 8 mit einer Kapazität C2 und einem elektrisches Spannungsmessgerät 9 besteht. Mit Hilfe des zusätzlichen elektrischen Differentialschaltkreises kann eine differenziale Spulenanordnung realisiert werden.
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In diesem Fall wird die elektrische Spannung nicht an der Sendespule 1 gemessen, sondern an der Differentialspule 7. Dadurch wird der Messprozess weniger störanfällig, insbesondere wird der Einfluss von Störeffekten, die beispielsweise durch eine ungewünschte Verformung der Empfangsspule 3 bei der Dehnung des Materials hervorgerufen werden, verkleinert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6912911 B2 [0005]
- US 8104358 B1 [0006]
