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Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung, mittels welcher man an einem Bauteil feststellen kann, ob sich eine lokale Verformung ergibt. Eine solche lokale Verformung ist auf einen Bereich der Oberfläche des Bauteils begrenzt, wie beispielsweise eine Einbeulung oder Ausbeulung. Zu der Erfindung gehört auch eine Vorrichtung, beispielsweise ein Gerät, die mit einer solchen Überwachungsvorrichtung ausgestattet ist.
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Die automatisierte Überwachung eines Geräts daraufhin, ob sich ein Bauteil des Geräts verformt, hat viele Anwendungen. So kann beispielsweise ein Batteriemodul daraufhin überwacht werden, ob sich dessen Gehäuse nach außen wölbt (sogenanntes Swelling), was einen Rückschluss auf den Verschleißzustand des Batteriemoduls erlaubt. Eine andere Anwendung ist die Überprüfung der Schwere eines Schadens bei einem sogenannten Rempler eines Kraftfahrzeugs, wenn dieses beispielsweise durch einen anderen Verkehrsteilnehmer gerammt wird. In Abhängigkeit davon, wie tief ein Blech des Kraftfahrzeugs hierbei eingedrückt wird, kann man auf eine Beschädigung weiterer Komponenten des Kraftfahrzeugs rückschließen, zum Beispiele des Hochvolt-Netzwerks.
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Die Überwachung eines Bauteils auf eine Verformung kann technisch aufwendig sein, wenn eine verhältnismäßig große Oberfläche, wie beispielsweise ein Blech eines Kraftfahrzeugs oder eine Gehäusewand eines Batteriemoduls, vollständig auf lokale Verformungen überwacht werden soll. Hierzu ist es im Stand der Technik notwendig, auf der Oberfläche ausreichend viele Sensoreinheiten verteilt anzuordnen, um die in der Regel lokal begrenzten Verformungen, wie beispielsweise eine Beule in einem Blech, zuverlässig sensieren oder erfassen zu können.
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Aus der
US 2011 / 0 023 620 A1 ist ein Verformungssensor in Form eines Metalldrahtes bekannt, der an einem Bauteil befestigt wird. Der Draht besteht aus einem magnetoresistiven Material. Bei der Messung wird ein magnetischer Puls in den Draht eingespeist. Der reflektierte Puls wird ausgewertet und es kann auf die Verformung geschlossen werden.
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Die
DE 21 07 196 A offenbart einen Verformungssensor für einen Träger. Parallel zum Träger ist ein Draht angeordnet, der entsprechend der Verformung des Trägers an einem Ende eine Auslenkung erfährt, die auf einen Bereich, der von der Verformung des Trägers entfernt ist, übertragen wird und dort von einem Sensor erfasst wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zu detektieren, wenn eine Oberfläche eines Bauteils sich lokal verformt, wenn also nur ein Teil der Oberfläche von der Verformung lokal betroffen ist.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Die Erfindung umfasst eine Überwachungsvorrichtung zum Erfassen einer vorbestimmten lokalen Verformung einer Oberfläche eines Bauteils. Mit „lokaler Verformung“ ist in der beschriebenen Weise gemeint, dass die Verformung nicht die gesamte Oberfläche betreffen oder verändern muss, sondern beispielsweise nur eine Ausbeulung oder Einbeulung in einem Teilbereich der Oberfläche darstellen kann. Da man im Voraus nicht unbedingt weiß, wo diese Verformung stattfinden wird, müsste man gemäß dem Stand der Technik auf der gesamten Oberfläche eine Vielzahl von Sensoreinheiten verteilen, um eine nur lokal stattfindende Verformung erfassen könnten. Um diesen Aufwand in Bezug auf die benötigte Anzahl an Sensoreinheiten zu verringern, ist erfindungsgemäß folgendes vorgesehen.
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Auf der Oberfläche ist eine Schicht angeordnet, die sich auf der Oberfläche sowohl in einem Verformungsbereich, in welchem die Verformung erfasst werden soll, als auch in einem von dem Verformungsbereich verschiedenen Sensierbereich erstreckt. Die Schicht, beispielsweise eine Folie, bedeckt somit sowohl den zu überwachenden Verformungsbereich als auch einen beispielsweise daran angrenzenden Sensierbereich. Der Verformungsbereich und/oder der Sensierbereich können hierbei jeweils einen einzigen Bereich oder auch mehrere disjunkte Teilbereiche aufweisen.
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Wenn das Bauteil an seiner Oberfläche verformt wird, sich also beispielsweise einbeult oder ausbeult, so wird auch die Schicht auf der Oberfläche mitverformt, d.h. sie spannt sich oder staucht sich beispielsweise. Die Schicht ist hierbei nicht beliebig weich oder fließfähig, sondern eine Festigkeit oder Steifigkeit der Schicht ist gezielt mittels einer Versteifungseinrichtung eingestellt. Die Versteifungseinrichtung ist dazu eingerichtet, mittels ihrer Steifigkeit eine Verzerrung oder Kraft, die die Oberfläche im Falle ihrer Verformung auf die Schicht ausübt, innerhalb der Schicht in den Sensierbereich zu übertragen, d.h. die Schicht spannt oder staucht sich über den verformten Teilbereich hinaus.
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Ausgehend von dem Ort der Verformung überträgt die Schicht somit mittels ihrer Versteifungseinrichtung die Auswirkung der Verformung als Verzerrung oder Kraft oder Kraftveränderung in den Sensierbereich. Durch die Verformung des Bauteils wird in der daran angeordneten Schicht deren Versteifungseinrichtung beispielsweise gespannt oder gestaucht oder gebogen. Die Versteifungseinrichtung weist eine Steifigkeit auf, die sich auf eine Zugsteifigkeit und/oder Drucksteifigkeit und/oder Biegesteifigkeit bezieht. Durch die Versteifungseinrichtung wird somit der Einfluss der lokalen Verformung in der Schicht über den Verformungsbereich hinaus in den Sensierbereich übertragen. Übertragen wird hierbei eine durch die Verformung hervorgerufene Kraft, das heißt, eine in der Versteifungseinrichtung wirkende Kraft verändert sich mit dem Grad oder dem Ausmaß der lokalen Verformung.
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Im Sensierbereich ist eine Sensoreinheit zumindest teilweise auf der Schicht angeordnet. Die Sensoreinheit dazu eingerichtet ist, in dem Sensierbereich an der Schicht eine von der übertragenen Kraft abhängige Messgröße zu erfassen und als Sensorsignal bereitzustellen. Im Sensierbereich, also außerhalb desjenigen Verformungsbereichs, wo sich die lokale Verformung ereignet oder befindet, kann somit dennoch die lokale Verformung erfasst oder gemessen werden, nämlich als Messgröße, die von der Kraft abhängt, die über die Schicht und deren Versteifungseinrichtung in den Sensierbereich übertragen wurde. Als Messgröße kann also beispielsweise eine Dehnung oder eine Formveränderung gemessen oder sensiert werden. Das Sensorsignal beschreibt dann, ob und/oder wie stark die lokale Verformung im Verformungsbereich ist. Die Oberfläche des Bauteils ist also z.B. mit einer Folie oder Schicht überspannt, die sich großflächig verzerrt, wenn irgendwo auf der Oberfläche eine Verformung des darunterliegenden Bauteils stattfindet. Ist dann irgendwo auf dieser Folie oder Schicht die Sensoreinheit angeordnet, so überträgt sich die Verzerrung bis zur Sensoreinheit und kann dort gemessen werden.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die Verformung einer Oberfläche nicht nur unmittelbar im Bereich der Sensoreinheit erfasst oder gemessen werden kann, sondern es kann auch eine lokale Verformung in einem beabstandeten Verformungsbereich mittels der Sensoreinheit gemessen oder erfasst werden. Somit sind durch Bereitstellen der Schicht mit ihrer Versteifungseinrichtung weniger Sensoreinheiten notwendig, um eine Oberfläche eines Bauteils in Bezug auf lokale Verformungen hin zu überwachen.
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Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Wie bereits ausgeführt, kann die Kraft ausgehend von der lokalen Verformung durch die Schicht in unterschiedlichen Formen übertragen werden. So umfasst eine Ausführungsform, dass die Versteifungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die Kraft mittels einer Dehnungssteifigkeit als Zugkraft und/oder mittels einer Biegesteifigkeit als Drehmoment und/oder Normalkraft bezüglich der Oberfläche und/oder mittels einer Formsteifigkeit als Schubkraft zu übertragen. Die Zugkraft kann beispielsweise durch zumindest eine Faser in der Schicht von der lokalen Verformung hin zur Sensoreinheit übertragen werden. Mit anderen Worten umfasst dann die Versteifungseinrichtung eine entsprechende Faser oder mehrere Fasern. Diese können beispielsweise in ein elastisches Polymer der Schicht eingebettet sein, sodass sie ausreichend beweglich gelagert sind. Die Schicht kann auch starr oder steif sein. Als Versteifungseinrichtung können beispielsweise Stäbe oder Platten oder Schuppen vorhanden sein, die durch die lokale Verformung beispielsweise angehoben oder senkrecht zur Oberfläche mit der Kraft beaufschlagt werden, was als Drehmoment oder Normalkraft entlang der Stäbe oder Platten oder Schuppen hin zur Sensoreinheit übertragen wird. Es kann auch eine Stauchung oder eine Druckkraft mittels der Versteifungseinrichtung übertragen werden, indem entsprechend formsteife und/oder inkompressible Elemente zum Übertragen der Schubkraft als Versteifungseinrichtung in die Schicht integriert sind, beispielsweise inkompressible oder gering kompressible Fasern, wie beispielsweise Carbon-Fasern. Hier kann ebenfalls eine Einbettung der Fasern in ein elastisches Polymer vorgesehen sein. Die Versteifungseinrichtung kann insgesamt durch Wahl einer Form und/oder eines Materials der Versteifungseinrichtung dazu ausgelegt sein, dass eine lokale Verformung in einem vorbestimmten Werteintervall mittels der Sensoreinheit im Sensierbereich detektiert werden kann. Beispielsweise kann eine Mindestverformung in einer relativen Verlagerung der Oberfläche in einem Bereich von 500 µm bis 2 mm liegen. Eine Maximalverformung, bis zu welcher die Schicht unzerstört bleibt, also eine Maximalverformung im Bereich bis zur Grenze der Elastizität der Schicht, kann in einem Wertebereich einer relativen Verlagerung der Oberfläche von 3 mm bis 100 mm liegen. Die „relativen Verlagerung“ bezieht sich auf den unverformten Zustand, also den Herstellungszustand.
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Die Kraftübertragungslinie, entlang welcher ausgehend von der lokalen Verformung die Kraft hin zur Sensoreinheit übertragen werden muss, ist aufgrund der Position der Sensoreinheit im Voraus bekannt. Entsprechend ist es vorteilhaft, die Versteifungseinrichtung derart auszulegen, dass sie für eine Kraftübertragung entlang dieser Kraftübertragungslinie von einer potentiellen lokalen Verformung hin zur Sensoreinheit optimiert ist und für eine Kraftübertragung in eine andere Richtung weniger sensitiv oder weniger effektiv ist. Eine Ausführungsform umfasst hierzu, dass die Versteifungseinrichtung in der Schicht anisotrop ausgestaltet ist und dadurch eine Hauptrichtung der größten Steifigkeit aufweist und die Hauptrichtung in der beschriebenen Weise derart ausgerichtet ist, dass sie den Verformungsbereich und den Sensierbereich geradlinig verbindet. Die Hauptrichtung der größten Steifigkeit ist also diejenige Richtung, entlang welcher die Kompressibilität oder Elastizität der Versteifungseinrichtung am geringsten ist. Entlang dieser Hauptrichtung liegt die Kraftübertragungslinie, um die Kraft, die in der Schicht durch die lokale Verformung eingetragen oder aufgebracht wird, hin zur Sensoreinrichtung zu übertragen.
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Mit einer Sensoreinheit kann in der Regel eine streifenförmige Zone des Verformungsbereichs überwacht werden. Außerhalb dieser streifenförmigen Zone muss dann mittels einer weiteren Sensoreinheit detektiert werden.
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Eine Ausführungsform umfasst entsprechend, dass im Sensierbereich eine weitere oder zumindest zwei weitere Sensoreinheiten auf der Schicht angeordnet sind und die Sensoreinheiten insgesamt auf der Schicht entlang unterschiedlicher Kraftübertragungslinien angeordnet sind, die jeweils aus dem Verformungsbereich zu der jeweiligen Sensoreinheit hin führen. Somit kann also mittels der Versteifungseinrichtung jeweils eine Kraftlinie bereitgestellt werden, die eine zu überwachende Zone oder einen zu überwachenden Teilbereich im Verformungsbereich mit einer Sensoreinheit koppelt. Eine solche Kraftlinie kann beispielsweise durch einen Verlauf einer Faser oder eine Reckrichtung einer gereckten Folie festgelegt werden, entlang welcher die Kraft, die durch die Verformung der Schicht entsteht, hin zur entsprechenden Sensoreinheit übertragen wird.
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Die Übertragung der Kraft kann mittels unterschiedlicher Ausgestaltungen der Versteifungseinheit erreicht werden, wie bereits beschrieben wurde.
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Eine Ausführungsform umfasst, dass die Versteifungseinrichtung umfasst:
- - zumindest eine Glasfaser, welcher die Kraft als Zugkraft oder Schubkraft überträgt, und/oder
- - ein gerecktes Material, insbesondere eine gereckte Folie, und/oder
- - einen oder mehrere Folienstreifen.
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Eine Glasfaser weist den Vorteil auf , dass sie sowohl für Zug als auch für Schub oder Druck inkompressibel ist, weshalb beide Kraftformen, und damit beispielsweise ein Ausbeulen und ein Einbeulen der Oberfläche, übertragen werden können. Wird ein Material, beispielsweise ein Polymer, gereckt, so kann hierdurch die beschriebene Hauptrichtung für eine Zugsteifigkeit festgelegt werden. Als Recken bezeichnet man das Strecken (Längsverformung) eines Materials über dessen elastische Streckgrenze hinaus zum Erzielen der besagten mechanischen Eigenschaft. Das Material ist dadurch in der beschriebenen Weise anisotrop, da sich Fasern (Molekülketten, Kristallebenen) längs der Reckrichtung ausrichten. Das Recken eines Materials, beispielsweise einer Folie, ist eine besonders preisgünstige und damit vorteilhafte Lösung zum Bereitstellen einer Versteifungseinrichtung in einer Schicht. Beispielsweise kann eine auf die Oberfläche aufgeklebte Folie als gereckte Folie bereitgestellt werden. Zusätzlich oder alternativ kann mittels Folienstreifen gezielt eine Kraftübertragungslinie festgelegt werden.
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Das Übertragen einer Druckkraft oder einer Schubkraft kann in einer Schicht aufwendig oder fehleranfällig sein, weil sich die Schicht aufwölben oder Wellen bilden kann. Um auch bei einer Kontraktion der Schicht dennoch zuverlässig eine Kraft hin zur Sensoreinheit übertragen zu können, kann anstelle einer Schubkraft auch die Verringerung einer Zugkraft vorgesehen werden. Eine diesbezügliche Ausführungsform umfasst, dass die Versteifungseinrichtung umfasst, dass bei unverformter Oberfläche in der Schicht ein Material mit einer Zugspannung vorgespannt ist. Für den Fall, dass die lokale Verformung eine Kontraktion der Schicht verursacht, ist die in den Sensierbereich übertragene Kraft eine Zugspannungsreduktion, d.h. eine ein negatives Kraftdelta. Die „unverformte Oberfläche“ ist die Oberfläche in ihrer bestimmungsgemäßen Form, bevor also die lokale Verformung eintritt oder stattfindet. Wird bereits in diesem Zustand eine Zugspannung als Vorspannung in die Versteifungseinrichtung eingebracht, indem beispielsweise eine gespannte Folie auf die Oberfläche aufgeklebt oder zumindest eine Faser vorgespannt wird, so ergibt sich bei einer Kontraktion oder Stauchung der Oberfläche eine Verringerung dieser Zugkraft, die dann als Zugspannungsreduktion oder Kraftdelta in der Sensoreinheit erfasst werden kann.
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Als Sensoreinheit zum Detektieren oder Messen der durch die lokale Verformung bewirkten Kraft können mehrere Lösungen vorgesehen sein. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die jeweilige Sensoreinrichtung: zumindest einen Draht und/oder Dehnungsmessstreifen, DMS, sowie eine daran angeschlossene Schaltung, die dazu eingerichtet ist, das Sensorsignal mittels einer ohmschen Widerstandsmessung zu erzeugen, In einem Draht und einem Dehnungsmessstreifen bewirkt eine Zugkraft und eine Schubkraft jeweils, dass das Material des Drahtes beziehungsweise des Dehnungsmessstreifens gedehnt oder gestaucht wird, woraufhin sich der ohmsche Widerstand im Draht bzw. im Dehnungsmessstreifen verändert, was mit an sich bekannten Schaltungen gemessen oder detektiert werden kann. Das „Detektieren“ bedeutet hierbei eine Veränderung bezüglich eines Vergleichswerts oder Schwellenwerts und erzeugt also lediglich ein Auslösesignal oder Schaltsignal. Eine „Messung“ kann dagegen einen analogen Messwert liefern, also den Grad der Verformung quantifizieren. Eine Widerstandsmessung ist technisch besonders einfach und robust.
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Gemäß einer Ausführungsform ist durch die jeweilige Sensoreinrichtung umfasst: eine mit der Schicht verbundene optische Struktur und ein optischen Sensor, dessen Erfassungsbereich auf die optische Struktur ausgerichtet ist, sowie eine Verarbeitungsschaltung, welche dazu eingerichtet ist, das Sensorsignal mittels eines Vergleichs der erfassten optischen Struktur mit Referenzdaten zu erzeugen. Eine optische Messung kann eine größere Sensitivität und damit insbesondere auch geringe lokale Verformungen detektieren oder vermessen. Es wird hierbei durch einen Vergleich mit den Referenzdaten, insbesondere Referenz-Bilddaten, eine Veränderung der Geometrie und/oder Form und/oder es wird eine Verzerrung der optischen Struktur mittels der Verarbeitungsschaltung, insbesondere einer Bildverarbeitungsschaltung, in dem Sensorsignal des optischen Sensors erkannt. Ein solcher optischer Sensor kann beispielsweise ein CCD-Sensor (CCD -Charged Coupled Device) sein. Die Referenzdaten können beispielsweise Sensordaten des optischen Sensors zu einem Zeitpunkt sein, zu welchem die lokale Verformung noch nicht existierte (unverformter Zustand). Durch Bilden eines Differenzbildes mit aktuellen Sensordaten (digitales Sensorsignal) kann dann erkannt werden, ob sich bezüglich der Referenz-Bilddaten eine Veränderung in der optischen Struktur ergeben hat. Die Referenzdaten können aber auch beispielsweise ein Sollsignal darstellen, also Soll-Sensordaten beschreiben. Für die optische Erfassung der optischen Struktur kann eine Lichtquelle in der Sensoreinrichtung vorgesehen sein, um hierdurch von lokalen Beleuchtungsverhältnissen der Umgebung unabhängig zu sein.
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Eine Ausführungsform umfasst, dass als optische Struktur zumindest eines der folgenden Elemente bereitgestellt ist: ein optisches 2D-Muster, eine 3D-Textur, ein Lichtbrechungselement, ein Interferenzmuster, eine Abtragung, eine Aufrauhung, einen Spiegel. Ein 2-D Muster kann beispielsweise aufgedruckt sein. Es kann sich beispielsweise um ein Pixelmuster oder eine Pixelgraphik oder einen Schriftzug oder ein Logo handeln. Eine 3D-Textur umfasst zusätzlich eine Erhebung oder erhabene Struktur bezüglich der Oberfläche. Es kann sich beispielsweise um ein Relief oder eine Einkerbung oder eine Einstanzung handeln. Ein Lichtbrechungselement kann beispielsweise auf der Grundlage sogenannten Glimmers oder Perlmutt oder mittels Prismen oder eines Prismas bereitgestellt werden. Durch die Lichtbrechung kann ein optisches Spektrum des Lichts aufgeschlüsselt werden (Regenbogeneffekt), wodurch auch eine Verformung im Bereich der optischen Struktur von weniger als 1 mm, insbesondere weniger als 100 µm mittels der Sensoreinheit sensiert werden kann. Noch sensibler ist die Erzeugung eines Interferenzmusters, beispielsweise mittels eines holographisch-optischen Elements HOE, mittels welchem eine Verformung im Wellenbereich des Lichts detektiert und/oder vermessen werden kann. Die 3D-Struktur kann in der beschriebenen Weise als Abtragung, also Entfernung von Material der Schicht, und/oder eine Aufrauhung erzeugt sein. Bei einem Spiegel kann beispielsweise durch einen durch die übertragene Kraft bewirkte Veränderung eines Kippwinkels des Spiegels beispielsweise Licht, beispielsweise ein Laserstrahl, abgelenkt oder umgelenkt werden, was ebenfalls mittels eines optischen Sensors erkannt werden kann, der dann auch nicht-pixelaufgelöst, also kein CCD-Sensor, sein muss, sondern beispielsweise als Photodiode ausgestaltet sein kann.
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Eine Ausführungsform umfasst, dass der Verformungsbereich sensorfrei ist. Indem die Sensoreinheit im Sensierbereich angeordnet ist, kann der Verformungsbereich selbst ohne Sensoreinheit ausgestaltet sein, wobei dennoch die beschriebene flächige Überwachung des Verformungsbereichs ermöglicht ist, ohne hierfür eine im Verformungsbereich angeordnete Sensoreinheit zu benötigen.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn eine Steuerschaltung der Überwachungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, das jeweilige Sensorsignal aus der jeweiligen Sensoreinheit zu empfangen und ein Warnsignal zu erzeugen, falls das Sensorsignal ein vorbestimmtes Auslösekriterium erfüllt, und/oder ein Zustandssignal zu erzeugen, welches einen inneren Zustand des Bauteils und/oder eines Geräts, zu welchem das Bauteil gehört, beschreibt oder signalisiert. Die besagte Steuerschaltung kann hierzu eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, das Sensorsignal in der beschriebenen Weise zu verarbeiten. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung ein Verfahren durchzuführen, um das Warnsignal und/oder das Zustandssignal zu erzeugen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein. Das Zustandssignal kann mittels einer Zuordnungsfunktion erzeugt werden, die eine jeweiligen Signalwert des jeweiligen Sensorsignals der zumindest einen Sensoreinheit auf einen Signalwert des Zustandssignals abbildet. Das Auslösekriterium für das Warnsignal kann z.B. eine Schwellenwert für das jeweilige Sensorsignal oder einen Wertebereich angeben, in welchem des Sensorsignal liegen muss, damit das Warnsignal ausgelöst wird. Mittels des Warnsignals kann also auf einen Fehlerzustand eines Geräts, zu welchem das Bauteil gehört, hingewiesen werden. Allerdings braucht eine lokale Verformung nicht unbedingt einen Fehlerzustand darstellen, es kann auch ein gewollter innerer Zustand vorliegen, sodass mittels des Zustandssignals einer von mehreren unterschiedlichen Zuständen signalisiert werden kann, in welchem sich das Bauteil oder das Gerät, zu welchem das Bauteil gehört, aktuell befindet und durch welchen der aktuelle Grad der lokalen Verformung bewirkt ist. Die Zuordnungsfunktion für das Zustandssignal kann auf der Grundlage eines künstlichen neuronalen Netzwerks oder allgemein eines Algorithmus für maschinelles Lernen gebildet sein.
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Die Erfindung umfasst auch ein Gerät oder allgemein eine Vorrichtung mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung, wobei die Überwachungsvorrichtung in der beschriebenen Weise auf einer Oberfläche eines Bauteils der Vorrichtung angeordnet ist. Ein solches Gerät oder eine solche Vorrichtung kann also auf einen inneren Zustand oder einen Defekt überwacht werden, indem eine Sensoreinheit an einer Oberfläche eines Bauteils des Geräts angeordnet ist und hierdurch nicht nur der Sensierbereich mit der Sensoreinheit selbst, sondern darüber hinaus auch ein (insbesondere sensorloser) Verformungsbereich auf eine lokale Verformung hin überwacht wird.
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Eine Ausführungsform umfasst, dass das Bauteil ein Gastank, oder ein Batteriemodul, oder ein Batteriesystem oder eine Platte, oder ein Blech ist. Bei einem Gastank kann beispielsweise eine Überlastung oder Ermüdung des Materials des Gastanks, also des Behälters, der unter Druck steht, detektiert werden, indem eine Ausdehnung oder Ausbeulung detektiert wird. Bei einem Batteriemodul kann in der beschriebenen Weise das sogenannte Swelling überwacht werden. Bei einem Batteriesystem kann erkannt werden, ob in dessen Inneren, beispielsweise durch einen Gasaustritt aus einem Batteriemodul ein Überdruck vorliegt, welcher das Batteriegehäuse ausdehnt. Bei einer Platte und einem Blech kann beispielsweise eine Unfallschwere erkannt werden, wenn ein Gerät, das die Platte oder das Blech aufweist, beispielsweise ein Kraftfahrzeug, einen Stoß erhalten hat, der durch die Platte oder das Blech abgefangen wurde. Durch Vermessen der aufgrund einer lokalen Verformung in der Platte oder dem Blech übertragenen Kraft in den Sensierbereich kann festgestellt werden, zu welchem Grad zumindest eine weitere Komponente des Geräts, insbesondere des Kraftfahrzeugs, durch diesen Stoß beeinträchtigt oder beschädigt wurde. Eine entsprechende Zuordnungstabelle oder Zuordnungsfunktion von Kraft zu Schaden an Komponenten kann in einfachen Versuchen an Prototypen erstellt werden und/oder mittels einer Methode des maschinellen Lernens implementiert sein.
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Eine Ausführungsform umfasst, dass die Vorrichtung als Kraftfahrzeug ausgestaltet ist. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet. Die beschriebene Detektion und/oder Vermessung einer lokalen Verformung ist insbesondere bei einem Kraftfahrzeug vorteilhaft, dass in Betrieb auch eine Selbstüberwachung seines Zustands hierdurch automatisiert bereitstellen kann.
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Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren, das die beschriebenen Schritte zum Detektieren und/oder Messen einer lokalen Verformung in einem Verformungsbereich eines Bauteils umfasst.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in einer Draufsicht und als Querschnitt; und
- 2 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines Bauteils zeitlich vor und nach einer Verformung in einem Verformungsbereich.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine Vorrichtung 10, welche ein Bauteil 11 aufweist, bei welchem eine Oberfläche 12 daraufhin überwacht werden soll, ob an der Oberfläche 12 eine lokale Verformung 13 entsteht oder auftritt, beispielsweise eine Einbeulung oder Einbuchtung oder eine Ausbeulung oder Ausbuchtung. Für das Überwachen der Oberfläche 12 in Bezug auf eine lokale Verformung 13 können eine oder mehrere Sensoreinheiten 14 an der Oberfläche 12 bereitgestellt sein. Allerdings ist es bei der Vorrichtung 10 nicht notwendig, dass zur Überwachung der gesamten Oberfläche 12 eine entsprechend große Anzahl an Sensoreinheiten 14 flächendeckend auf der Oberfläche 12 angeordnet werden muss. Stattdessen möchte man mit einer oder mehreren Sensoreinheiten 14 auch einen Verformungsbereich 15, in welchem keine Sensoreinheit 14 für das Erkennen einer lokalen Verformung 13 vorgesehen ist, dennoch auch dort eine lokale Verformung 13 mittels der zumindest einen Sensoreinheit 14 detektieren. Die Sensoreinheiten 14 oder eine Sensoreinheit 14 kann dazu in einem angrenzenden Sensierbereich 16 angeordnet sein, der selbst natürlich ebenfalls durch die jeweilige Sensoreinheit 14 unmittelbar auf eine lokale Verformung hin überwacht werden kann. Im Vordergrund der Erläuterung dieses Ausführungsbeispiels steht aber die Überwachung des Verformungsbereichs 15.
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In 1 ist auf der rechten Seite eine schematische Darstellung eines Querschnitts des Bauteils 11 im Bereich einer Sensoreinheit 14 dargestellt. Die Oberfläche 12 des Bauteils 11 kann beispielsweise durch ein Blech oder eine Gehäusewand 17 des Bauteils 11 gebildet sein. Auf der Oberfläche 12 kann eine Schicht 18 angeordnet sein die für den Fall, dass eine lokale Verformung 13 im Verformungsbereich 15 entsteht oder eintritt, eine hierbei auf die Schicht 18 wirkende Kraft 19 entlang einer Kraftübertragungslinie 20 innerhalb der Schicht 18 zu einer Sensoreinheit 14 überträgt, wo die übertragene Kraft 19 erfasst oder gemessen werden kann. Hierzu kann eine Sensoreinheit 14 beispielsweise elektrisch leitfähige Drähte 21 aufweisen, deren Geometrie durch die übertragene Kraft 19 verändert wird, was in an sich bekannter Weise als ohmsche Widerstandsveränderung gemessen werden kann. Anstelle der Drähte 21 oder zusätzlich dazu kann eine Sensoreinheit 14 eine optische Struktur, beispielsweise ein geometrisches Muster, aufweisen, das durch die übertragene Kraft 19 verändert oder verzerrt wird, was optisch mittels eines optischen Sensors, beispielsweise einer Kamera, erfasst werden kann.
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Die Schicht 18 und/oder die Sensoreinheit 14 kann mittels einer Schutzschicht abgedeckt sein, um beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit der Drähte 21 nicht zu beeinträchtigen, wenn beispielsweise Feuchtigkeit vorhanden ist.
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Bei dem Bauteil 11 kann es sich beispielsweise um eine flächige Form handeln, wie beispielsweise eine Gehäusewand oder ein Fahrzeug-Verkleidungsteil. Als Werkstoff kann beispielsweise Kunststoff und/oder FVK (Faserverbundkunststoff) und/oder Metall vorgesehen sein, um nur Beispiele zu nennen. Die Schicht 18 kann ein hybrides Material aufweisen, wodurch eine Anisotropie in Bezug auf die Steifigkeit entlang unterschiedlicher Richtungen in der Schicht 18 eingestellt oder vorgegeben werden kann. Die jeweilige Sensoreinheit 14 kann durch ihre Drähte 21 eine lokale Struktur darstellen, die durch die übertragene Kraft 19 verzerrt oder verformt wird, was dabei dem Grad der Verformung 13 selbst entspricht. Somit kann eine globale Dehnung in der anisotropen Schicht 18 an die Sensoreinheiten 14 übertragen und dort erfasst (das heißt detektiert oder quantifiziert) werden.
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Die Schicht 18 kann auch als Toleranzausgleichsschicht und/oder Haftungsschicht genutzt werden und entsprechend ausgestaltet sein. Durch ihre Anisotropie kann die Kraftübertragungslinie 20 in ihrer Hauptrichtung der größten Steifigkeit oder geringsten Elastizität festgelegt werden und so auf eine Sensoreinheit 14 ausgerichtet sein.
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2 veranschaulicht nochmal in einem Längsschnitt die Übertragung der Kraft 19 im Fall einer lokalen Verformung 13 im Verformungsbereich 15.
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Angedeutet ist der herstellungsbedingte oder unverformte Zustand 22 des Bauteils 11, aus welchem heraus durch die lokale Verformung 13 sich das im Verformungsbereich 15 verformte Bauteil 11 ergibt. Die Verformung kann durch eine externe Krafteinwirkung z.B. bei einem Unfall und/oder durch eine interne Zustandsänderung der Vorrichtung 10 verursacht sein.
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Die Schicht 18 kann eine Versteifungseinrichtung 23 aufweisen, durch welche sich in der Schicht 18 die Übertragen der Kraft 19 bei der Verformung 13 entlang einer Kraftübertragungslinie 20 ergibt. Dargestellt ist, wie die Verformung 13 eine Einbeulung oder Einbuchtung ergibt, woraus eine Dehnung 24 in der Schicht 18 resultiert. Eine Dehnungssteifigkeit der Versteifungseinrichtung 23 kann derart groß eingestellt sein, dass selbst für den Fall, dass durch die Verformung 13 die Formänderung des Bauteils 11 auf den Verformungsbereich 15 begrenzt bleibt, dennoch die durch die Dehnung 24 verursachte Dehnungskraft oder mechanische Spannung in der Schicht 18 als Kraft 19 in den Sensierbereich 16 zu einer Sensoreinheit 14 übertragen wird. In der Sensoreinheit 14 können die beschriebenen Drähte 21 und/oder eine optische Struktur 25 auf oder in der Schicht angeordnet sein. Durch die Kraft 19 ergibt sich eine Verformung 26, beispielsweise eine Dehnung oder Stauchung oder allgemein eine Verzerrung der Drähte 21 und/oder der optischen Struktur 25. Dies kann durch die Sensoreinheit 14 gemessen werden, woraus sich ein Sensorsignal 27 ergibt, das durch eine Steuerschaltung 28 empfangen werden kann. Die Steuerschaltung 28 kann das Sensorsignal 27 mit einem Auslösekriterium 29 und/oder einer Zuordnungsvorschrift 30 überprüfen. Ist das Auslösekriterium 29 erfüllt, so kann ein Warnsignal 31 erzeugt werden, welches darauf hinweist, dass die Verformung 13 die Vorrichtung 10 beispielsweise derart beschädigt hat, dass ein Betrieb der Vorrichtung 10 unterbrochen oder beendet werden muss. Für die Zuordnungsvorschrift 30 kann das Sensorsignal 27 in ein Zustandssignal 32 überführt oder abgebildet werden, welches einen Rückschluss oder eine Beschreibung des inneren Zustands der Vorrichtung 10 beschreibt, wie er anhand der Verformung 13 erkannt werden kann.
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Als die Versteifungseinrichtung 23 kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Schicht 18 als Folie ausgebildet ist, die durch Recken in eine Hauptrichtung 33, die der Kraftübertragungslinie 20 entspricht oder parallel zu dieser verläuft, eine derart geringe Elastizität aufweist, dass durch die Dehnung 24 eine Übertragung der Kraft 19 zur Sensoreinheit 14 erfolgt. Die Versteifungseinrichtung 23 kann derart ausgelegt werden, dass eine Verformung 13 mittels einer Sensoreinheit 14 detektiert und/oder quantifiziert werden kann, deren Verformungsausmaß, beispielsweise eine mechanische Auslenkung 34, in einem Bereich von 100 µm bis 10 cm liegen kann. Eine zusätzliche oder alternative Möglichkeit für eine Versteifungseinrichtung kann das Anordnen zumindest einer Glasfaser entlang der Kraftübertragungslinie 20 in der Schicht 18 sein. Die Glasfaser kann beispielsweise in einen elastischen Kunststoff oder ein elastisches Polymer eingebettet sein, sodass die Glasfaser bezüglich eines restlichen Materials der Schicht 18 entlang ihrer Längserstreckungsrichtung vor oder zurückbewegt werden kann, wodurch die Kraftübertragung der Kraft 19 ermöglicht werden kann. Zum Einstellen einer benötigten Steifigkeit kann für die Versteifungseinrichtung und/oder für die Schicht insgesamt eine entsprechende Materialwahl und/oder ein Materialmix vom Fachmann ausgewählt werden.
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Die flächige Form des Bauteils 11 ist hierbei nicht zwingend, auch jegliche andere Form in jeglichen Werkstoffen oder Kombiantionen: Kunststoff, FVK, Metall, hybride Materialien können mit der Schicht und zumindest einer Sensoreinheit ausgestattet werden.
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Die Schicht kann als Toleranzausgleichsschicht/ Haftungsschicht und Informationsschicht genutzt werden, welche sich durch ihre Anisotropie verzerrt und eine globale Verformung auslöst.
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Partiell auf der Ausgleichsschicht sind bevorzugt mindestens zwei Strukturen von Sensoreinheiten angeordnet . Diese greifen die globale Dehnung der anisotropen Ausgleichsschicht ab und geben diese an die Messschaltung der jeweiligen Sensoreinheit weiter.
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Eine Vorrichtung kann somit mit wenigstens einer zumindest einen elektrischen Leiter umfassenden Sensoreinrichtung zum Erfassen zumindest einer Größe ausgestattet werden, welche ein Rückschließen auf einen Zustand eines Grundkörpers der Vorrichtung zulässt, wobei zwischen der wenigstens einen Sensoreinrichtung und einer Außenseite des Grundkörpers eine Ausgleichsschicht oder Schicht angeordnet ist, welche dazu ausgebildet ist, bei einem Vorhandensein von Unebenheiten an der Außenseite des Grundkörpers die Unebenheiten zumindest im Bereich der wenigstens einen Sensoreinrichtung auszugleichen.
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Die Oberfläche der Ausgleichsschicht hat hierbei bevorzugt mindestens zwei Strukturen und/oder eine unterschiedliche Verteilung von Struktur und Fläche.
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Als Vorrichtung wird bevorzugt ein Energiespeicherbehälter überwacht, insbesondere eine Batteriemodul. Somit ergibt sich folgende bevorzuge Ausgestaltung der Vorrichtung als Energiespeicherbehälter, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Behältermodul, an dessen Außenfläche zumindest bereichsweise wenigstens eine zumindest einen elektrischen Leiter umfassenden Sensoreinrichtung zum Erfassen zumindest einer Größe, welche ein Rückschließen auf einen Zustand des Behältermoduls zulässt, vorgesehen ist, wobei zwischen der wenigstens einen Sensoreinrichtung und wenigstens dem jeweiligen Außenflächenbereich des Behältermoduls eine Ausgleichsschicht angeordnet ist, welche dazu ausgebildet ist, bei einem Vorhandensein von Unebenheiten an der Außenfläche des Behältermoduls diese zumindest im Bereich der wenigstens einen Sensoreinrichtung auszugleichen, wobei die Oberfläche der Ausgleichsschicht zumindest bereichsweise zumindest zwei Strukturen aufweist, die dafür vorgesehen sind, eine globale Dehnung der anisotropen Ausgleichsschicht zu erfassen und diese der wenigstens einen Sensoreinrichtung bereitzustellen.
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Der Energiespeicherbehälter ist insbesondere für eine elektrische Fahrzeugbatterie oder einen Gasspeicher vorgesehen.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie ein Condition-Monitoring (Zustandsüberwachung) anhand einer Eigenschaftsskalierung (Formveränderung) bereitgestellt werden kann.
