DE19701405A1 - Überwachungssystem - Google Patents

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.

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 M_ab, M_bc und M_ac. Hat der Sen­ sor a früher als der Sensor b angesprochen, so befindet sich das Scha­ denszentrum auf der durch die Mittel senkrechte M_ab 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 M_ac 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 M_bc 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 M_ab, M_bc 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.