DE19507177A1 - Locally induced component condition alteration measurement appts. for e.g. piezo sensor - Google Patents

Locally induced component condition alteration measurement appts. for e.g. piezo sensor

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Abstract

The appts. includes multiple measuring probes (2.1-2.i), e.g. Piezo elements (4), distributed over the component being measured, and an evaluation unit (6,10,12). The evaluation unit has a filter system (10), for the frequency dependent separation of the individual measurement probe signal. The probes have different signal identities for each probe position on the component and they have a common signal transmission line (8). The probe signals are supplied to the evaluation unit across the common signal transmission line, determining one of the local positions of the condition alteration depending on the signal identities of the probe signal.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zur Ortung einer lokalen, induzierten Zustandsänderung eines Bauteils, insbesondere eines Stoßzentrums, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a measuring arrangement for locating a local, induced change in state of a component, in particular one Shock center, according to the preamble of claim 1.

Zur Detektion eines Schadens oder einer anderen lokalen Zustandsänderung in einem Bauteil ist es etwa aus der DE 36 22 656 C1 bekannt, in und auf dem Bauteil Meßsonden, z. B. Piezosensoren oder Widerstandselemente an­ zuordnen, deren Signalleitungen für jede Meßsonde separat an eine zentrale Auswerteeinheit angeschlossen sind. Diese arbeitet nach dem Prinzip, daß die Meßsonden umso später ansprechen, je weiter sie vom Ursprungsort der Zustandsänderung entfernt liegen, so daß sich aus den Zeitdifferenzen der Ansprechsignale und der Position der einzelnen Meßsonden die Zustands­ änderung im Bauteil lokalisieren läßt. Eine solche Meßanordnung erfordert eine sehr große Anzahl von Signalleitungen und einen dementsprechend hohen Montage- und Bauaufwand.For the detection of damage or another local change of state in one component it is known from DE 36 22 656 C1, in and on the component measuring probes, e.g. B. Piezo sensors or resistance elements assign the signal lines for each probe separately to a central Evaluation unit are connected. This works on the principle that address the measuring probes the later, the further they are from the place of origin of the State change are distant, so that from the time differences of Response signals and the position of the individual probes the status lets you localize the change in the component. Such a measuring arrangement requires a very large number of signal lines and one accordingly high assembly and construction costs.

Ferner ist aus der DE 29 17 539 C2 ein Mehrkanal-Ultraschallprüfverfah­ ren bekannt, bei dem die Meßdaten der einzelnen Prüfkanäle jeweils in einem Zwischenspeicher abgelegt werden und die Zwischenspeicher sämt­ licher Prüfkanäle über einen gemeinsamen Datenbus mit einer zentralen Auswerteeinheit verbunden sind, die die Prüfkanaldaten nacheinander in getakteter Folge aus den einzelnen Zwischenspeichern abruft. Ein derartiges Prüfsystem erfordert jedoch ebenfalls einen hohen Bauaufwand für die Daten-Zwischenspeicher und führt taktbedingt zu mehr oder weniger großen Verzögerungszeiten in der Datenübertragung.Furthermore, DE 29 17 539 C2 describes a multi-channel ultrasound test method ren known, in which the measurement data of the individual test channels each in be stored in a buffer and the buffers all test channels via a common data bus with a central  Evaluation unit are connected, which the test channel data one after the other clocked sequence from the individual buffers. Such a thing However, the test system also requires a lot of construction work for the Data buffer and leads to more or less large due to the clock Delay times in data transmission.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auf baulich einfache Weise und mit einer geringen Anzahl von Übertragungswegen eine genaue Ortung der Zustandsänderung des Bauteils möglich ist.The object of the invention is a measuring arrangement of the aforementioned Kind in such a way that in a structurally simple manner and with a low Number of transmission paths an exact location of the change of state of the component is possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 ge­ kennzeichnete Meßanordnung gelöst.This object is achieved by the ge in claim 1 marked measuring arrangement solved.

Erfindungsgemäß wird aufgrund der speziellen, positionsbezogenen Signal­ kodierung und der hinsichtlich der gegenseitigen Signalabstände zeitlich unverzerrten Signalübertragung mittels eines einzigen Übertragungsweges in Verbindung mit der beanspruchten Signalauswertung der Bauaufwand für die Meßanordnung dadurch erheblich reduziert, daß die Anzahl der notwen­ digen Signalleitungen deutlich verringert wird und zugleich die Meßsonden­ signale ohne umständliche Abstandskorrekturen und durch Auswertung der Signalkodierung als Meßsonden-Positionsangabe unmittelbar auf einfache Weise zur ortsauflösenden Detektion einer Bauteil-Zustandsänderung verar­ beitet werden können, mit dem Ergebnis, daß der Gewichts-, Material- und Montageaufwand für die Meßanordnung ganz wesentlich gesenkt, die Struk­ tur des zu überwachenden Bauteils weitgehend ungestört erhalten bleibt und dennoch eine genaue Ortung einer Bauteil-Zustandsänderung gewährleistet wird.According to the invention, the special, position-related signal coding and the temporal with respect to the mutual signal spacing undistorted signal transmission using a single transmission path in connection with the claimed signal evaluation the construction effort for the measuring arrangement is considerably reduced in that the number of neccessary the signal lines is significantly reduced and at the same time the measuring probes signals without cumbersome distance corrections and by evaluating the Signal coding as probe position information directly on simple Way for the spatially resolving detection of a component state change can be processed, with the result that the weight, material and Assembly costs for the measuring arrangement are significantly reduced, the structure door of the component to be monitored remains largely undisturbed and nevertheless an exact location of a component state change is guaranteed becomes.

Eine baulich besonders einfache Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Meßanordnung besteht gemäß Anspruch 2 darin, daß als Signalkodierungen jeweils unterschiedliche Meßsonden-Sendefrequenzen vorgesehen sind und die Auswerteeinheit eine Filteranordnung enthält, durch die die einzelnen Meßsondensignale zur Ermittlung der zugeordneten Meßsondenposition frequenzabhängig getrennt werden. Als Meßsonden zur Detektion mecha­ nischer und/oder thermischer Zustandsänderungen sind gemäß Anspruch 3 vorzugsweise Piezoelemente mit jeweils unterschiedlichen Eigenfrequenzen vorgesehen.A structurally particularly simple embodiment of the invention Measuring arrangement according to claim 2 is that as signal encodings different measuring probe transmission frequencies are provided and  the evaluation unit contains a filter arrangement through which the individual Probe signals to determine the assigned probe position be separated depending on the frequency. As measuring probes for detection mecha African and / or thermal changes in state are according to claim 3 preferably piezo elements each with different natural frequencies intended.

Um die Bandbreite der Signalübertragung und damit die maximale Anzahl der an eine gemeinsame Signalleitung ohne Beeinträchtigung der. Signal­ trennschärfe anschließbaren Meßsonden zu erhöhen, ist gemäß Anspruch 4 in besonders bevorzugter Weise eine optische Signalübertragung vorgesehen derart, daß die Meßsonden jeweils mit einem optoelektronischen, beim Ansprechen der Meßsonde ein Lichtsignal vorgegebener Frequenz in einen die gemeinsame Signalübertragungsleitung bildenden Lichtwellenleiter einkoppelnden Oszillator versehen sind. In diesem Fall unterscheiden sich die einzelnen Meßsonden durch die unterschiedliche Eigenfrequenz ihres jeweiligen Oszillators, und auf Seiten der Auswerteeinheit werden die opti­ schen in elektrische Signale umgewandelt und frequenzabhängig separiert, so daß sie den entsprechenden Meßsondenpositionen zugeordnet werden können. Die Lokalisierung der Zustandsänderung erfolgt dann wieder an­ hand der gemessenen Signalabstandszeiten.The bandwidth of the signal transmission and thus the maximum number to a common signal line without affecting the. Signal Increasing selectivity of connectable measuring probes is according to claim 4 an optical signal transmission is provided in a particularly preferred manner such that the measuring probes each with an optoelectronic, at Response of the measuring probe into a light signal of a predetermined frequency optical fiber forming the common signal transmission line coupling oscillator are provided. In this case, they differ the individual probes by the different natural frequency of their respective oscillator, and on the side of the evaluation unit, the opti converted into electrical signals and separated depending on frequency, so that they are assigned to the corresponding probe positions can. The status change is then localized again hand of the measured signal interval times.

In vielen Fällen genügt es, den Ursprungsort einer Zustandsänderung vor­ gegebener Mindeststärke, nicht aber auch noch die genaue Amplitudenhöhe der Zustandsänderung festzustellen. Demgemäß ist den Meßsonden nach Anspruch 5 vorzugsweise jeweils ein Schwellenwertdetektor zugeordnet, durch den das Meßsondensignal oberhalb einer vorgegebenen Signalhöhe zur gemeinsamen Signalübertragungsleitung durchgeschaltet wird. In many cases it is sufficient to indicate the place of origin of a change of state given minimum strength, but not the exact amplitude determine the change of state. Accordingly, the measuring probes Claim 5 preferably each assigned a threshold detector, through which the probe signal is above a predetermined signal level is switched through to the common signal transmission line.  

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbin­ dung mit den Zeichnungen näher erläutert.The invention is now based on an embodiment in Verbin dung explained in more detail with the drawings.

Es zeigen in stark schematisier­ ter Darstellung:It show in highly schematic representation:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Meßanordnung nach der Erfindung; und Fig. 1 is a block diagram of a measuring arrangement according to the invention; and

Fig. 2 eine einzelne Meßsonde in einer gegenüber Fig. 1 modifizierten Ausführungsform. Fig. 2 shows a single measuring probe in a modified embodiment compared to Fig. 1.

Die in den Fig. gezeigte Meßanordnung dient zur Detektion und Lokalisie­ rung einer Zustandsänderung eines - nicht gezeigten - Bauteils, beispiels­ weise eines Stoßzentrums Z und enthält eine Vielzahl von in diesem Fall stoßempfindlichen Meßsonden 2.1, 2.2, 2.3 . . . 2.i, die am und im Bauteil in fest vorgegebenen Positionen räumlich verteilt angeordnet und jeweils mit einem Stoßsensor in Form eines Piezoelements 4 versehen sind. Die Meß­ anordnung arbeitet nach dem Prinzip, daß sich eine Stoßwelle oder eine andere Zustandsänderung vom Ursprungsort Z gleichmäßig im Bauteil aus­ breitet, d. h. daß diejenige Meßsonde 2 als erste anspricht, die dem Ur­ sprungsort Z am nächsten liegt, während die übrigen Meßsonden 2 umso weiter vom Ursprungsort Z entfernt sind, je später sie die Zustandsänderung melden. Demgemäß läßt sich in einer mit den Meßsonden Z signalübertra­ gend verbundenen Auswerteeinheit 6 aus den Ansprechzeitunterschieden und den jeweiligen Positionen der einzelnen Meßsonden 2 die räumliche Lage des Ursprungsortes Z im Bauteil ermitteln.The measuring arrangement shown in the figure serves for the detection and localization of a change in state of a component (not shown), for example an impact center Z, and contains a plurality of in this case shock-sensitive measuring probes 2.1 , 2.2 , 2.3 . . . 2. i, which are spatially distributed on and in the component in predetermined positions and are each provided with a shock sensor in the form of a piezo element 4 . The measuring arrangement works on the principle that a shock wave or another change of state from the point of origin Z spreads evenly in the component, ie that the probe 2 responds as the first one, which is the original source Z closest, while the other probes 2 all the more are away from the place of origin Z, the later they report the change of state. Accordingly, the spatial position of the origin Z in the component can be determined in an evaluation unit 6 which is connected to the measuring probes Z in a signal-transmitting manner from the response time differences and the respective positions of the individual measuring probes 2 .

Zur Übertragung der Meßsondensignale an die Auswerteeinheit 6 ist ledig­ lich eine einzige Signalleitung 8 vorgesehen, an die die einzelnen Meßson­ den 2 nacheinander angeschlossen sind. Die Signalleitung 8 kann zugleich auch die Stromversorgung von evtl. erforderlichen Meßsonden-Vorver­ stärkern oder -treibern übernehmen. Die Piezoelemente 4 der Meßsonden 2.1 . . . 2.i besitzen jeweils unterschiedliche Eigenschwingungsfrequenzen, und auf Seiten der Auswerteeinheit 6 werden die über die Signalleitung 8 ankommenden Meßsondensignale über entsprechende, jeweils auf eine Eigen­ schwingungsfrequenz der Piezoelemente 4 abgestimmte Filter 10.1 . . . 10.i getrennt und in einer nachgeschalteten Rechenstufe 12 jedem Filter-Aus­ gangssignal die Ortskoordinaten der entsprechenden Meßsonde 2 im Bauteil zugeordnet. Aus den so erhaltenen Meßsonden-Positionsangaben und den zeitlichen Signalabständen zwischen den einzelnen Filter-Aus­ gangssignalen wird dann der Ursprungsort Z der Zustandsänderung loka­ lisiert.To transmit the measuring probe signals to the evaluation unit 6 , only a single signal line 8 is provided, to which the individual measuring probes 2 are connected one after the other. The signal line 8 can also take over the power supply of any necessary probe amplifiers or drivers. The piezo elements 4 of the measuring probes 2.1 . . . 2. i each have different natural oscillation frequencies, and on the side of the evaluation unit 6 , the measuring probe signals arriving via the signal line 8 are matched by filters 10.1 matched to a natural oscillation frequency of the piezo elements 4 . . . 10. i separately and in a downstream computing stage 12 each filter output signal assigned the location coordinates of the corresponding measuring probe 2 in the component. The origin Z of the change in state is then localized from the measuring probe position information thus obtained and the time signal intervals between the individual filter output signals.

In Fig. 2 ist eine modifizierte Meßsondengestaltung und Signalübertragung dargestellt. Die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Baukompo­ nenten sind durch ein jeweils um 100 erhöhtes Bezugszeichen gekennzeich­ net. Gemäß Fig. 2 wird die Bandbreite der Signalübertragung und damit die maximale Anzahl der an eine einzige Signalleitung trennscharf ankoppel­ baren Meßsonden dadurch signifikant erhöht, daß die Signalerzeugung und -übertragung auf optischem Wege erfolgt. Zu diesem Zweck enthält jede Meßsonde 102 einen höchstfrequenten, elektrischen Oszillator 14, der über ein Schalttor 16 an eine lichtemittierende Diode 18 angeschlossen ist. Über­ steigt das Meßsignal des Sensors 104 einen vorgegebenen Signalpegel, so wird das Gate 16 durch einen dem Sensor 104 nachgeschalteten Schwellen­ wertdetektor 20 geschlossen, woraufhin die LED 18 einen der Schwingungs­ frequenz des Oszillators 14 entsprechend hochfrequenten Lichtimpuls er­ zeugt, der in die in diesem Fall als Lichtwellenleiter ausgebildete Signal­ leitung 108 eingekoppelt wird. An den Lichtwellenleiter 108 sind wiederum sämtliche Meßsonden 102 angeschlossen, und die einzelnen Meßsonden-Oszil­ latoren 14 besitzen jeweils unterschiedliche Eigenfrequenzen. Auf Seiten der (in Fig. 2 nicht gezeigten) Auswerteeinheit werden dann die opti­ schen in elektrische Signale umgewandelt und wiederum über Filter fre­ quenzabhängig separiert, so daß sie in gleicher Weise wie bei dem Aus­ führungsbeispiel gemäß Fig. 1 nach Maßgabe der zeitlichen Signalabstände und der Positionsangaben der zugeordneten Meßsonden 102 zur Lokalisie­ rung des Ursprungsortes Z der Zustandsänderung ausgewertet werden können.In Fig. 2 a modified probe design and signal transmission is shown. The construction components corresponding to the first exemplary embodiment are identified by a reference symbol increased by 100 in each case. According to FIG. 2, the bandwidth of the signal transmission and thus the maximum number of measuring probes that can be coupled to a single signal line is increased significantly in that the signal generation and transmission takes place optically. For this purpose, each measuring probe 102 contains a high-frequency electrical oscillator 14 which is connected to a light-emitting diode 18 via a switching gate 16 . Above the measurement signal from the sensor 104 rises to a predetermined signal level, the gate 16 is closed by a sensor 104 connected downstream of the threshold value detector 20 , whereupon the LED 18 generates one of the oscillation frequencies of the oscillator 14 corresponding to the high-frequency light pulse, which in this case formed as an optical fiber signal line 108 is coupled. All measuring probes 102 are in turn connected to the optical waveguide 108 , and the individual measuring probe oscillators 14 each have different natural frequencies. On the part of the evaluation unit (not shown in FIG. 2), the optical signals are then converted into electrical signals and, in turn, separated frequency-dependent via filters, so that they function in the same way as in the exemplary embodiment according to FIG. 1 in accordance with the time signal intervals and the position information of the assigned measuring probes 102 for localizing the origin Z of the change in state can be evaluated.

Jede Meßsonde 102 besitzt eine separate Stromversorgung, die aus einer Induktivität 22, einem Gleichrichter 24 und als Energiespeicher aus einem Kondensator 26 hoher Kapazität und geringer Selbstentladung, etwa einem Goldfolien-Kondensator besteht. Durch eine berührungslos ankoppelnde Spule eines Ladegerätes, welches bei der Erstinstallation der Meßanordnung und in bestimmten Wartungsabständen an den einzelnen Meßsondenposi­ tionen des Bauteils entlanggeführt wird, wird der Kondensator 26 über die Induktivität 22 in kurzer Zeit aufgeladen. Wahlweise kann die Strom­ versorgung einen anderen Energiespeicher, z. B. einen NMH-Akku anstelle des Kondensators 26 oder eine andere Batterie enthalten. Gemäß einer wei­ teren Variante kommt die Stromversorgung vom piezoelektrischen Sensor 104, dessen Spannung auf die notwendige Versorgungsspannung für den Oszillator 14, den Schalter 16, die Leuchtdiode 18 und den Trigger 20 transformiert wird. Eine weitere Modifikation des in Fig. 2 gezeigten Aus­ führungsbeispieles besteht darin, daß der Schalter 16 durch einen Modulator ersetzt wird und der Trigger 20 entfällt. Der Oszillator 14 erzeugt ein Trägerfrequenzsignal, das mit dem Ausgangssignal des Sensors 104, welches eine wesentlich niedrigere Frequenz besitzt, moduliert und an die Sendediode 18 geleitet wird. Da alle Meßsonden 2 bzw. 102 unter­ schiedliche Trägerfrequenzen besitzen, sind sie eindeutig unterscheidbar. Am Empfänger 6 werden die Signale demoduliert, und zur weiteren Signalverarbeitung steht, getrennt nach den einzelnen Meßsondenpositionen, die volle Sensorinformation zur Verfügung.Each measuring probe 102 has a separate power supply, which consists of an inductor 22 , a rectifier 24 and, as an energy store, a capacitor 26 of high capacitance and low self-discharge, such as a gold foil capacitor. Through a non-contact coupling coil of a charger, which is guided along the individual measuring probe positions of the component during the initial installation of the measuring arrangement and at certain maintenance intervals, the capacitor 26 is charged via the inductor 22 in a short time. Optionally, the power supply another energy storage, for. B. contain an NMH battery instead of the capacitor 26 or another battery. According to a further variant, the power supply comes from the piezoelectric sensor 104 , the voltage of which is transformed to the necessary supply voltage for the oscillator 14 , the switch 16 , the light-emitting diode 18 and the trigger 20 . A further modification of the exemplary embodiment shown in FIG. 2 is that the switch 16 is replaced by a modulator and the trigger 20 is omitted. The oscillator 14 generates a carrier frequency signal which modulates with the output signal of the sensor 104 , which has a much lower frequency, and is sent to the transmitter diode 18 . Since all measuring probes 2 and 102 have different carrier frequencies, they can be clearly distinguished. The signals are demodulated at the receiver 6 , and the full sensor information is available for further signal processing, separated according to the individual probe positions.

Anstelle von Stoßzentren können natürlich auch z. B. mit Hilfe von Be­ schleunigungs-, Spannungs- oder Temperatursensoren andere Zustandsän­ derungen des Bauteils detektiert werden.Instead of shock centers, of course, B. with the help of Be acceleration, voltage or temperature sensors other status changes changes in the component are detected.

Claims (5)

1. Meßanordnung zur Ortung einer lokalen, induzierten Zustandsände­ rung eines Bauteils, insbesondere eines Stoßzentrums, mit einer Viel­ zahl von über das Bauteil verteilten Meßsonden, die signalübertra­ gend mit einer aus den Ansprechzeiten und der Position der einzelnen Meßsonden die Zustandsänderung des Bauteils lokalisierenden Aus­ werteeinheit verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonden (2, 102) eine für jede Sondenposition des Bauteils unterschiedliche Signalkennung aufweisen und über eine gemeinsame Signalübertragungsleitung (8, 108) an eine die örtliche Lage der Zu­ standsänderung in Abhängigkeit von den Signalkennungen der zuge­ führten Meßsondensignale bestimmende Auswerteeinheit (6, 10, 12) angeschlossen sind.1. Measuring arrangement for locating a local, induced state change tion of a component, in particular a shock center, with a large number of measuring probes distributed over the component, which transmit signals with an evaluation unit that locates the state of the component from the response times and the position of the individual measuring probes are connected, characterized in that the measuring probes ( 2 , 102 ) have a different signal identifier for each probe position of the component and via a common signal transmission line ( 8 , 108 ) to the local position of the change in state depending on the signal identifiers of the supplied probe signals determining evaluation unit ( 6 , 10 , 12 ) are connected. 2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Signalkennungen jeweils unterschiedliche Sendefrequenzen vorge­ sehen sind und die Auswerteeinheit (6, 10, 12) eine Filteranordnung (10) zur frequenzabhängigen Trennung der einzelnen Meßsonden­ signale enthält. 2. Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that different transmission frequencies are provided as signal identifiers and the evaluation unit ( 6 , 10 , 12 ) contains a filter arrangement ( 10 ) for frequency-dependent separation of the individual measuring probes. 3. Meßanordnung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßsonden (2, 102) Piezoelemente (4) mit jeweils unterschied­ lichen Eigenfrequenzen vorgesehen sind.3. Measuring arrangement according to claim I or 2, characterized in that as measuring probes ( 2 , 102 ) piezo elements ( 4 ) are provided, each with different natural frequencies. 4. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonden (102) jeweils mit einem optoelektronischen, beim Ansprechen der Meßsonde ein Lichtsignal vorgegebener Frequenz in einen die gemeinsame Signalübertragungsleitung bildenden Licht­ wellenleiter (108) einkoppelnden Oszillator (14, 18) versehen sind.4. Measuring arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring probes ( 102 ) each with an optoelectronic, when the measuring probe responds a light signal predetermined frequency in a common signal transmission line forming light waveguide ( 108 ) coupling oscillator ( 14 , 18 ) are. 5. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Meßsonden (102) jeweils ein das Meßsondensignal oberhalb einer vorgegebenen Signalhöhe zur gemeinsamen Signalübertragungs­ leitung (108) durchschaltender Schwellenwertdetektor (20) zugeord­ net ist.5. Measuring arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring probes ( 102 ) each have a measuring probe signal above a predetermined signal level to the common signal transmission line ( 108 ) switching threshold detector ( 20 ) is assigned net.
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