DE19701405A1 - Überwachungssystem - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Überwachungssystem für den Scha
denszustand eines Bauteils, insbesondere eines Faserverbundbauteils, nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es ist bekannt, den Schadenszustand von Faserverbundbauteilen auf opti
schem Wege mit Hilfe von Lichtleitfasern, die in das Bauteil eingebettet
sind, zu überwachen. Diese Methode hat den Nachteil, daß eine Schadens
anzeige in starkem Maße von der Entfernung zwischen Schadensstelle und
Lichtleitfaser abhängig und zudem eine Lokalisierung des Schadens in
Faserlängsrichtung nicht möglich ist.
Weiterhin sind zur Schadenserkennung an Bauteilen Ultraschall-Prüfein
richtungen bekannt, bei denen das Bauteil mittels einer Ultraschall-Prüf
kopfanordnung durchschallt und aus dem Empfangssignal der Schadens
zustand des Bauteils ermittelt wird. Solche Prüfeinrichtungen sind jedoch
im allgemeinen für eine kontinuierliche Gesamtüberwachung des Bauteils
während des Betriebs, etwa von Flugzeugkomponenten im Flug, nicht ver
wendbar.
Schließlich ist aus der DE 195 07 177 A1 ein Überwachungssystem der
eingangs genannten Art mit einer Vielzahl von über das Bauteil verteilten,
piezoelektrischen Verformungssensoren bekannt, dem das Funktionsprin
zip zugrundeliegt, daß ein Belastungsstoß Körperschallwellen im Bauteil
erzeugt, deren Laufzeiten von der Entfernung des Stoßzentrums vom je
weils ansprechenden Verformungssensor abhängig sind, so daß aus den
zeitlichen Abständen der Sensorsignale die Lage des Stoßzentrums er
mittelt werden kann. Eine Aussage darüber, ob und in welchem Ausmaß
der Belastungsstoß bleibende Schäden im Bauteil hinterlassen hat, läßt
sich aber mit einem solchen Meßsystem nicht erhalten. Zwar besagt die
klassische Schallemissionsanalyse, daß die Höhe und die Anzahl der
Amplitudenspitzen von Schallwellen im Frequenzband zwischen 30 kHz
und 1 MHz in faserverstärkten Materialien eine Klassifizierung des Scha
densausmaßes gestattet, in der Praxis erweist sich diese Methode jedoch
wegen der benötigten hohen Abtastfrequenzen und der anfallenden Daten
mengen sowie im Hinblick auf die teilweise erhebliche Signaldämpfung in
faserverstärkten Materialien und insbesondere auch aufgrund der Ab
hängigkeit der Signalstärke von der Art der Stoßbelastung als für eine zu
verlässige Schadensquantifizierung ungeeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Überwachungssystem der eingangs ge
nannten Art so auszubilden, daß auf baulich einfache Weise eine schnelle
und zuverlässige, laufende Überwachung des Schadensausmaßes auch
ausgedehnterer Faserverbundstrukturen ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 ge
kennzeichnete Überwachungssystem gelöst.
Erfindungsgemäß wird aufgrund der besonderen Signalauswertung die je
weilige Gesamtenergie der hochpaßgefilterten Signalanteile ermittelt und
durch den sich ergebenden Effektivwert eine eindeutige Zuordnung zum
Ausmaß des durch einen Belastungsstoß verursachten Bauteilschadens er
halten, ohne daß das Meßergebnis durch nicht-schadensbezogene Fakto
ren, etwa die Bauteildämpfung, die Lage der Sensoren bezüglich des Stoß
zentrums oder die Art der Stoßbelastung verfälschend beeinflußt wird. Das
erfindungsgemäße Überwachungssystem benötigt einen geringen Bau- und
Rechenaufwand, verfügt über eine dementsprechend rasche Datenauswer
tung und erfordert im Vergleich zur klassischen Schallemissionsanalyse
eine deutlich reduzierte Abtastrate, so daß sich auch große Faserverbund
bauteile im eingebauten Zustand problemlos und mit hoher Genauigkeit
kontinuierlich auf quantifizierbare Schäden der Faserverbundstruktur
überwachen lassen.
Um die störenden Frequenzanteile der Sensorsignale wirksam von der
Effektivwertberechnung auszublenden, empfiehlt es sich nach Anspruch 2,
daß die untere Grenzfrequenz der Hochpaßfilter mindestens 30 kHz be
trägt. Bei einer getakteten Sensorabfrage sollte dabei die Abtastrate der
einzelnen Verformungssensoren aus Gründen einer präzisen Effektiv
wertermittlung mindestens doppelt so hoch wie die untere Grenzfrequenz
der Hochpaßfilter, und zwar nach Anspruch 3 bei mehr als 100 kHz lie
gen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Hochpaß
filter gemäß Anspruch 4 hardwaremäßig in die Verformungssensoren inte
griert, wodurch die Signalverarbeitung in der Auswerteeinheit weiter ver
einfacht und beschleunigt wird.
Gemäß einem weiteren, besonders bevorzugten Aspekt der Erfindung ent
hält die Auswerteeinheit nach Anspruch 5 einen der Integrationsstufe vor
geschalteten, die gefilterten Sensorsignale oberhalb einer vorgegebenen
Amplitudenhöhe zur Effektivwertermittlung an die Integrationsstufe frei
gebenden Schwellwertdetektor, womit eine weitere rechnerische Ent
lastung und bauliche Vereinfachung der Auswerteeinheit erreicht wird, da
die Sensorsignale geringer Amplitudenhöhe von vorneherein als nicht
schadenssignifikant ausgeschieden und somit nicht in die Effektiv
wertermittlung der Integrationsstufe einbezogen werden.
Um zusätzlich zur Schadenscharakterisierung auch die Schadensposition
bestimmen zu können, besitzt die Auswerteeinheit nach Anspruch 6 vor
zugsweise eine Rechenstufe zur laufzeitabhängigen Lokalisierung des
Stoß- bzw. Schadenszentrums. In besonders bevorzugter Weise ist die
Rechenstufe nach Anspruch 7 wiederum aus Gründen einer baulichen
Vereinfachung, vor allem aber im Hinblick auf eine rasche Datenauswer
tung als Logikschaltung in der Weise ausgebildet, daß sie einen die drei
Verformungssensoren mit den kürzesten Laufzeiten auswählenden Kompa
rator und eine aus dem von den drei Sensoren aufgespannten Dreieck
durch Laufzeitvergleich eine von den Dreiecks-Mittelsenkrechten be
grenzte Teilfläche als Schadensgebiet ermittelnde Selektionsstufe enthält.
Nach Anspruch 8 schließlich sind als Verformungssensoren zweck
mäßigerweise piezoelektrische Keramiksensoren vorgesehen, die bezüglich
der schadenssignifikanten Schallwellen eine sehr hohe Ansprechempfind
lichkeit besitzen.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Ver
bindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schema
tisierter Darstellung:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Überwachungssystems nach der Er
findung; und
Fig. 2 eine von vier Sensoren begrenzte Bauteil-Teilzone zur Veran
schaulichung der Lokalisierungslogik.
In Fig. 1 ist ausschnittsweise ein Faserverbundbauteil 2 gezeigt, das mit
einer Vielzahl von regelmäßig verteilten, piezoelektrischen Keramiksen
soren 4 belegt ist, welche jeweils ausgangsseitig an einen Hochpaßfilter 6
angeschlossen sind, dessen untere Grenzfrequenz bei etwa 60 kHz liegt.
Jeder Hochpaßfilter 6 ist mit dem zugehörigen Piezosensor 4 zu einer in
tegralen Baueinheit verbunden.
Die Ausgangssignale der Hochpaßfilter 6 werden über Signalübertra
gungsleitungen 8, welche z. B. als auf das Bauteil 2 aufgedampfte Leiter
bahnen ausgebildet sind, einer zentralen, insgesamt mit 10 bezeichneten
Auswerteeinheit zugeführt, wo sie zunächst in einem Schwellwertdetektor
12 in der Weise klassifiziert werden, daß die Sensorsignale ohne Scha
densbefund, deren Amplitude unterhalb eines vorgegebenen Niedrigpegels
liegt, ausgesondert werden, während die schadenssignifikanten Sensor
signale zur weiteren Schadensanalyse an eine Integrationsstufe 14 gelan
gen, in welcher ihr Effektivwert nach der Formel
berechnet wird, wobei
E = Effektivwert
T = Signaldauer
U = Signalspannung.
E = Effektivwert
T = Signaldauer
U = Signalspannung.
Der auf diese Weise ermittelte Effektivwert E steht in direktem Zusam
menhang mit dem Schadensausmaß und wird in einer Ausgangsstufe 16 in
die dem Effektivwert entsprechende, quantitative Schadenscharakterisie
rung umgesetzt, um so plastische Verformungen von Matrix und Fasern,
Delaminationen nach Flächengröße und Faserlagenanzahl sowie Faser
brüche, Matrixrisse, Interphaseschäden und Faser-Ausschäleffekte zu
identifizieren.
Zusätzlich enthält die Auswerteeinheit 10 eine dem Schwellwertdetektor
12 nachgeordnete Rechenstufe 18 zur Lokalisierung der Schadensstelle,
bestehend aus einem Komparator 20, einer Selektionsstufe 22 und einer
Anzeigeeinrichtung 24. Im Komparator 20 werden nach jedem Abfrage
zyklus der Verformungssensoren 4 die drei Verformungssensoren mit den
kürzesten Laufzeiten ausgewählt und, geordnet nach Laufzeiten, an die
Selektionsstufe 22 übermittelt, deren Arbeitsweise anhand der Fig. 2
erläutert wird. Das von den drei ausgewählten Sensoren aufgespannte
Dreieck abc besitzt die Mittel senkrechten Mab, Mbc und Mac. Hat der Sen
sor a früher als der Sensor b angesprochen, so befindet sich das Scha
denszentrum auf der durch die Mittel senkrechte Mab begrenzten, auf seiten
des Sensors a gelegenen Dreiecks-Teilfläche (in Fig. 2 gestrichelt gezeich
net). War die Ansprechzeit des Sensors a kürzer als die des Sensors c, so
befindet sich das Schadenszentrum auf der durch die Mittel senkrechte Mac
begrenzten, ebenfalls auf seiten des Sensors a gelegenen Dreiecks-Teil
fläche (in Fig. 2 schräg schraffiert). Hat schließlich auch der Sensor b vor
dem Sensor c angesprochen, so liegt das Stoßzentrum auf der durch die
Mittelsenkrechte Mbc abgetrennten, den Sensor b als Eckpunkt enthalten
den Dreiecks-Teilfläche (in Fig. 2 punktiert gezeichnet). Als Schnittfläche
dieser drei Dreiecks-Teilflächen ergibt sich somit die gemäß Fig. 2 von
den Mittelsenkrechten Mab, Mbc und der Dreieckseite ab begrenzte Teil
fläche S, in der das Schadenszentrum liegt. Die Lagekoordinaten der Teil
fläche S werden der Anzeigeeinrichtung 24 übermittelt und dort als Scha
densgebiet angezeigt. Im Hinblick auf die relativ hohen Schallgeschwin
digkeitsschwankungen in Faserverbundmaterialien liefert die beschrie
bene, binäre Lokalisierungslogik eine hinreichend genaue Schadensortung
und erfordert einen wesentlich geringeren Bau- und Rechenaufwand als
ein mathematisches Gleichungssystem zur laufzeitabhängigen Koordina
tenbestimmung des Schadenszentrums.
Die Auswerteeinheit 10 kann zumindest teilweise aus einem in das Bauteil
2 einbezogenen Mikroprozessor bestehen, der mit einer getakteten Sensor
abfrage arbeitet. Dabei sollte die Taktfrequenz mehr als doppelt so hoch
wie die untere Grenzfrequenz der gefilterten Sensorsignale liegen, also
mindestens 100 kHz betragen.
Claims (8)
1. Überwachungssystem für den Schadenszustand eines Bauteils, ins
besondere eines Faserverbundbauteils, mit einer Vielzahl von über
das Bauteil verteilten, elektrischen Verformungssensoren, die aus
gangsseitig jeweils über Hochpaßfilter signalübertragend an eine
zentrale Auswerteeinheit angeschlossen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Auswerteeinheit (10) einen die Effektivwerte (E) der gefilterten
Sensorsignale zur quantitativen Schadensbestimmung ermittelnde
Integrationsstufe (14) enthält.
2. Überwachungssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Hochpaßfilter (6) eine untere Grenzfrequenz von mindestens
30 kHz aufweisen.
3. Überwachungssystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Abtastrate der Verformungssensoren (4) mindestens 100 kHz be
trägt.
4. Überwachungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verformungssensoren (4) und die Hochpaßfilter (6) jeweils eine
integrale Baueinheit bilden.
5. Überwachungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Auswerteeinheit (10) einen der Integrationsstufe (14) vorge
schalteten, die gefilterten Sensorsignale oberhalb einer vorgegebe
nen Amplitudenhöhe zur Effektivwertermittlung an die Integrations
stufe frei gebenden Schwellwertdetektor (12) enthält.
6. Überwachungssystem, nach einem der vorhergehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, daß
die Auswerteeinheit (10) zusätzlich eine Rechenstufe (18) zur lauf
zeitabhängigen Lokalisierung einer Schadensstelle besitzt.
7. Überwachungssystem nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Rechenstufe (18) einen die drei Verformungssensoren (a, b, c)
mit den kürzesten Laufzeit auswählenden Komparator (20) und eine
aus dem von den drei Sensoren aufgespannten Dreieck durch Lauf
zeitvergleich eine von den Dreiecks-Mittelsenkrechten (M) be
grenzte Teilfläche (S) als Schadensgebiet bestimmende Selektions
stufe (22) enthält.
8. Überwachungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Verformungssensoren piezoelektrische Keramiksensoren (4) vor
gesehen sind.
Priority Applications (1)
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DE1997101405 DE19701405C2 (de) | 1997-01-17 | 1997-01-17 | Überwachungssystem |
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ID=7817576
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DE1997101405 Expired - Fee Related DE19701405C2 (de) | 1997-01-17 | 1997-01-17 | Überwachungssystem |
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