DE4025564C1 - Impact damage registering appts. for laminated fibre components - uses piezoelectric foil pieces distributed over component and connected to monitor to ascertain changes in capacitative charge - Google Patents
Impact damage registering appts. for laminated fibre components - uses piezoelectric foil pieces distributed over component and connected to monitor to ascertain changes in capacitative chargeInfo
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Abstract
Description
Vorrichtung zur Feststellung von Schlagbeschädigungen an Faserverbundwerkstoff-Bauteilen, insbesondere von Fahr- und Flugzeugen.Device for determining impact damage Fiber composite material components, especially of driving and Airplanes.
Im Fahrzeug- und Flugzeugbau werden immer mehr Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen verwendet, insbesondere kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe. Die Bauteile werden im allgemeinen durch Laminieren kunststoffimprägnierter Faserschichten, sog. Prepregs, unter Druck und Wärme in einer Preßform hergestellt.In vehicle and aircraft construction, more and more components are being made Fiber composite materials used, in particular carbon fiber reinforced composites. The components are in generally by laminating plastic impregnated Layers of fibers, so-called prepregs, under pressure and heat in one Mold made.
Diesen Bauteilen ist damit die Gefahr eigen, zu delaminieren. Eine Delamination kann insbesondere bei Schlägen auf das Bauteil auftreten. Demgemäß kann eine Schlagbeschädigung eines Faserverbundwerkstoff-Bauteils durch Delamination zu einem hohen Verlust an mechanischer Festigkeit führen. Faserverbundwerkstoffe besitzen daher bei Schlagschädigungen eine relativ geringe Schadenstoleranz.These components therefore have the risk of delaminating. Delamination can occur particularly when the component is hit occur. Accordingly, impact damage to a Fiber composite component due to delamination to a high Loss of mechanical strength. Fiber composite materials therefore have impact damage a relatively low damage tolerance.
Im Betrieb ist ein Flugzeug stets der Gefahr von Schlägen ausgesetzt, beispielsweise im Flug durch Vögel, Hagel, Eisstücke, die bei Vereisungen abplatzen, oder beim Starten und Landen durch nach oben geschleuderte Steine.An aircraft is always at risk of impact during operation exposed, for example in flight by birds, hail, Pieces of ice that flake off during icing, or when starting and Land through stones thrown upwards.
Die Schlagschäden, die sich, wie gesagt, insbesondere in Form einer Delamination des Faserverbundwerkstoffs auswirken, sind von außen normalerweise nicht erkennbar. Um Schlagschäden an den Faserverbundwerkstoffbauteilen festzustellen, ist es bekannt, sie in Wartungsintervallen zerstörungsfreien Prüfmethoden, wie Röntgenuntersuchungen oder Ultraschalltests, zu unterwerfen. Diese Methoden sind aber nicht nur sehr zeitaufwendig, vielmehr haftet ihnen der wesentliche Nachteil an, daß ein Flugzeug, das durch Schlag äußerlich nicht erkennbar beschädigt worden ist, bis zur nächsten Wartung weiterfliegt und somit einem hohen Sicherheitsrisiko ausgesetzt ist.The impact damage, which, as I said, particularly in the form delamination of the fiber composite material normally not recognizable from the outside. To damage the Determine fiber composite material components, it is known they in non-destructive testing methods, such as X-ray examinations or ultrasound tests. However, these methods are not only very time-consuming, rather they have the main disadvantage that an aircraft that has not been visibly damaged by impact, flies on until the next maintenance and therefore a high one Security risk.
Es ist auch schon eine Reihe von Vorschlägen gemacht worden, um Beschädigungen an Flugzeugen sofort zu erfassen.A number of suggestions have also been made to Record damage to aircraft immediately.
So ist schon sehr früh vorgeschlagen worden, Dehnungsmeßstreifen zur Feststellung von Beschädigungen zu verwenden (vgl. DE-PS 8 32 689).So it was suggested very early on, strain gauges to be used to determine damage (cf. DE-PS 8 32 689).
Mit Dehnungsmeßstreifen können jedoch nur permanente Verformungen erfaßt werden, also beispielsweise Dullen oder andere Verbiegungen von Metallteilen, nicht jedoch die Delamination oder andere Schäden im Innern eines Faserverbundwerkstoffbauteils.With strain gauges, however, only permanent Deformations are detected, for example Dullen or other bending of metal parts, but not the Delamination or other damage inside a Composite fiber component.
Ferner ist es bekannt, z. B. Flug Revue 5/86, S. 83ff, Lichtleitfasern zur Überwachung und Kontrolle von Faserverbundwerkstoffbauteilen zu verwenden. Dabei ist aber der Aufwand an benötigten, teuren Lichtleitfasern groß. Ebenso ist die Bruchgefahr der Fasern durch noch zulässige Beanspruchung hoch. Schäden werden angezeigt, sobald ein Riß der Leitfaser erfolgt. Findet jedoch eine elastische Verformung statt, auch wenn sie noch gar keine Schadensnachwirkung hat, so führt auch dies zum Bruch der Leitfasern und damit zu einer Schadensmeldung. Es muß damit eine Untersuchung des betreffenden Bauteils vorgenommen werden, obwohl gar kein bleibender Schaden vorliegt. Nachteilig ist weiterhin, daß Lichtleitfasern in das Faserverbundwerkstoffbauteil eingebracht werden müssen, wodurch der Fertigungsprozeß des Faserverbundwerkstoffbauteils stark beeinträchtigt wird. Auch ist bei der Herstellung des Bauteils in der Preßform ein Bruch der Lichtleitfasern zu befürchten.It is also known, for. B. Flug Revue 5/86, p. 83ff, optical fibers for monitoring and Control of fiber composite components to use. Here however, the cost of expensive optical fibers required is great. Likewise, the risk of breakage of the fibers is still permissible Heavy duty. Damage will appear as soon as a crack in the Lead fiber is done. However, finds an elastic deformation instead, even if it has no after-effects, so this also leads to the breakage of the guide fibers and thus to one Damage notification. It must therefore be an examination of the person concerned Component, although no permanent damage at all is present. Another disadvantage is that optical fibers in the Fiber composite material component must be introduced, whereby the manufacturing process of the fiber composite component strong is affected. Also in the manufacture of the component There is a risk of a break in the optical fibers in the press mold.
Darüber hinaus ist es aus der DE-PS 36 22 656 bekannt, das Faserverbundwerkstoffbauteil flächendeckend mit einem Drahtnetz zu versehen und Schlagbeschädigungen durch Änderungen des ohm′schen Widerstandes des Drahtnetzes zu erfassen. Da das Drahtnetz an der Außenseite des Bauteils einer zu großen Beschädigungsgefahr ausgesetzt ist, andererseits Schläge mit einem an der Innenseite angeordneten Drahtnetz nicht mit der notwendigen Sicherheit erfaßt werden können, muß das Drahtnetz innerhalb des Faserverbundwerkstoffbauteils angeordnet werden, wodurch der Fertigungsprozeß des Faserverbundwerkstoffbauteils erheblich gestört wird.In addition, it is known from DE-PS 36 22 656 that Composite fiber component covering a whole area with a wire mesh to provide and impact damage through changes in the to detect ohmic resistance of the wire network. Since that Wire mesh on the outside of the component is too large Risk of damage is exposed, on the other hand blows with a wire mesh arranged on the inside not with the necessary security can be detected, the wire network be arranged within the fiber composite component, whereby the manufacturing process of the fiber composite component is significantly disturbed.
Weiterhin bedeutet das flächendeckend angeordnete Drahtnetz eine wesentliche Gewichtserhöhung des Bauteils. Auch ergeben sich Probleme bei der Verlegung eines solchen Drahtnetzes im Bereich von Kanten und Ecken, wie sie beispielsweise bei einem Flugzeug an den Spanten und Stringern auftreten. Zur Widerstandsmessung wird ferner eine Spannungsquelle benötigt, die das Drahtnetz ständig mit Strom versorgt.Furthermore, the wire mesh arranged area-wide means one significant increase in weight of the component. Also arise Problems with laying such a wire mesh in the area edges and corners, such as those found on an airplane occur on the frames and stringers. For resistance measurement a voltage source is also required, the wire network constantly powered.
Darüber hinaus ist es bekannt (vgl. GB 21 07 213), auf das Faserverbundwerkstoffbauteil außen eine Schicht aus Mikrohohlkügelchen aufzubringen, die mit einer Farbe o. dgl. Indikator gefüllt sind, so daß Schlagschäden am Flugzeug optisch erkennbar werden. Diese Methode hat allerdings den Nachteil, daß die Hohlkügelchen schon bei relativ geringen Schlägen platzen, zumal die Wandung der Hohlkügelchen aus Gewichtsgründen dünn ausgebildet werden muß. So ist beispielsweise bei Hagelschlag praktisch eine Zerstörung aller Hohlkügelchen des Bauteils zu erwarten.In addition, it is known (see GB 21 07 213) to which Fiber composite component on the outside of a layer To apply hollow microspheres which are coated with a paint or the like. Indicator are filled, so that visual damage to the aircraft become recognizable. However, this method has the disadvantage that the hollow spheres burst with relatively little impact, especially since the wall of the hollow spheres is thin for weight reasons must be trained. This is the case with hailstorms, for example practically destroy all hollow spheres of the component expect.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine zuverlässige und exakte Schlagerkennungsvorrichtung für Faserverbundwerkstoffbauteile bereitzustellen, die in einfacher Weise am fertigen Bauteil angebracht werden kann.The object of the invention is to provide a reliable and exact Impact detection device for fiber composite components provide that in a simple manner on the finished component can be attached.
Dies wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.This is according to the invention by the in claim 1 marked device reached. In the subclaims advantageous embodiments of the invention are shown.
Nach der Erfindung wird das Faserverbundwerkstoffbauteil, das auf Schlagschäden kontrolliert werden soll, also mit einer Vielzahl punktuell angeordneter piezoelektrischer Folienstücke versehen. Die piezoelektrische Folie, aus denen die Folienstücke hergestellt werden, besteht im allgemeinen aus einer beidseitig metallisierten piezoelektrischen Kunststoffschicht. Die piezoelektrische Kunsstoffschicht wird vorzugsweise durch Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder ein anderes aus polaren Molekülen bestehendes Polymer gebildet. Zwischen den beiden metallisierten Schichten bildet sich somit eine elektrische Ladung aus, die zu einer kapazitiven Ladungsänderung bei Druckeinwirkung führt. Die kapazitive Ladungsänderung ist zum Druck im wesentlichen proportional.According to the invention, the fiber composite component, the should be checked for impact damage, i.e. with a Large number of piezoelectric pieces of film arranged at certain points Mistake. The piezoelectric film from which the film pieces are generally made up of two-sided metallized piezoelectric plastic layer. The piezoelectric plastic layer is preferably by Polyvinylidene fluoride (PVDF) or another made of polar Molecules formed polymer. Between the two Metallized layers thus form an electrical one Charge that contributes to a capacitive charge change Leads to pressure. The capacitive charge change is at Pressure substantially proportional.
Piezoelektrische Folien sind sehr leicht. Sie stellen damit eine vernachlässigbare Gewichtskomponente dar, zumal sie nach der Erfindung nur punktuell am Bauteil angebracht werden.Piezoelectric foils are very light. You are making one negligible weight component, especially since after the Invention can only be attached to the component at certain points.
Die erfindungsgemäß verwendeten piezoelektrischen Folienstücke weisen vorzugsweise eine Dicke von 5 bis 500, insbesondere 20 bis 300 um auf. Da die Empfindlichkeit im allgemeinen um so größer ist, je dünner die Folie ist, kann über die Dicke der Folie die Empfindlichkeit der piezoelektrischen Folienstücke dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden.The piezoelectric film pieces used according to the invention preferably have a thickness of 5 to 500, in particular 20 up to 300 µm. Because the sensitivity in general is larger, the thinner the film can be about the thickness of the Foil the sensitivity of the piezoelectric foil pieces be adapted to the respective application.
Weiterhin besitzen die piezoelektrischen Folienstücke selbst ein Ladungspotential, stellen also keine elektrischen Verbraucher dar, so daß für den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine Spannungsquelle erforderlich ist.Furthermore, the piezoelectric film pieces themselves Charge potential, so do not represent electrical consumers represents so that for the operation of the device according to the invention no voltage source is required.
Um die Auslösung von Fehlsignalen zu verhindern, sind die piezoelektrischen Folienstücke der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise gegen elektromagnetische Störeinflüsse abgeschirmt. Eine besonders elegante Methode der elektromagnetischen Abschirmung besteht darin, die piezoelektrischen Folienstücke umzuschlagen, also einmal zu falten, und die in dem umgeschlagenen Folienstück innere metallisierte Schicht an die Überwachungseinrichtung anzuschließen, während die äußere metallisierte Schicht des umgeschlagenen Folienstücks geerdet, also an die Masse angeschlossen wird. Jedes piezoelektrische Folienstück kann natürlich auch durch eine separate, geerdete Metallschicht elektrisch abgeschirmt werden.To prevent false signals from being triggered, they are Piezoelectric film pieces of the device according to the invention preferably shielded against electromagnetic interference. A particularly elegant method of electromagnetic Shielding consists of the piezoelectric pieces of film to fold, that is to fold once, and that in the folded over piece of metal inner layer to the Connect monitor while the outside metallized layer of the folded piece of film grounded, is connected to ground. Any piezoelectric Foil piece can of course also by a separate, grounded Metal layer are electrically shielded.
Die piezoelektrischen Folienstücke werden vorzugsweise an der Innenseite oder Rückseite des Faserverbundwerkstoffbauteils angebracht, vorzugsweise durch Kleben, wodurch eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet wird. Gegenüber dem Einlaminieren in das Faserverbundwerkstoffbauteil bringt dies den weiteren Vorteil, daß die Verdrahtung problemlos nachträglich vorgenommen werden kann und der Prozeß bei der Herstellung des Faserverbundwerkstoffbauteils nicht gestört wird. Außerdem kann damit die erfindungsgemäße Vorrichtung nachträglich an bereits im Einsatz befindliche Faserverbundwerkstoffbauteile angebracht werden.The piezoelectric film pieces are preferably on the Inside or back of the fiber composite component attached, preferably by gluing, resulting in a high Operational safety is guaranteed. Compared to the Laminating this into the fiber composite component brings this about the further advantage that the wiring is easy can be done later and the process at Production of the fiber composite component not disturbed becomes. In addition, the device according to the invention retrospectively to those already in use Fiber composite material components are attached.
Die Größe der piezoelektrischen Folienstücke beträgt vorzugsweise zwischen 0,1 und 10 cm2, vorzugsweise 1 bis 5 cm2. Die Größe hängt dabei insbesondere von der Empfindlichkeit ab, also beispielsweise der Dicke der piezoelektrischen Folien.The size of the piezoelectric film pieces is preferably between 0.1 and 10 cm 2 , preferably 1 to 5 cm 2 . The size depends in particular on the sensitivity, for example the thickness of the piezoelectric foils.
Bei piezoelektrischen Folienstücken über etwa 10 cm2 ist im allgemeinen keine Zunahme der Empindlichkeit mehr festzustellen, sondern u. U. sogar eine Abnahme der Empfindlichkeit gegeben, da die kapazitive Ladungsänderung an dem Anschluß der Verdrahtung mit zunehmendem Abstand der Druckeinwirkung von dem Anschluß geringer wird.In the case of piezoelectric film pieces over approximately 10 cm 2, there is generally no longer an increase in sensitivity, but u. There may even be a decrease in sensitivity, since the capacitive charge change at the connection of the wiring decreases with increasing distance of the pressure from the connection.
Der Abstand zwischen den piezoelektrischen Folienstücken ist vorzugsweise so groß, das maximal drei um den Aufschlagort angeordnete piezoelektrische Folienstücke eine meßbare kapazitive Ladungsänderung erfahren, wenn der Schlag eine vorgegebene Mindestgröße erreicht, d. h. eine Größe, bei der beispielsweise ein Delaminieren des Bauteils eintreten kann. Beispielsweise können die Folienstücke mit einem Abstand von 0,5 bis 2 m voneinander angeordnet sein. The distance between the pieces of piezoelectric film is preferably as large as three around the point of impact arranged piezoelectric film pieces a measurable experience capacitive charge change when the blow hits a predetermined minimum size reached, d. H. a size at which for example, delamination of the component can occur. For example, the pieces of film can be spaced 0.5 apart be arranged up to 2 m apart.
Mit einem Netz von in einem solchen Abstand voneinander angeordneten piezoelektrischen Folienstücken ist damit eine eindeutige Lokalisierung der Impactstelle möglich. Die vorgegebene Mindestgröße eines Schlages kann dabei z. B. zwischen 1 und 10 je Millimeter Dicke des Faserverbundwerkstoffbauteils betragen. Bei einem herkömmlichen kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoffbauteil liegt sie beispielsweise bei 3 J/mm.With a network of at such a distance from each other arranged piezoelectric pieces of film is thus one clear location of the impact point possible. The predetermined minimum size of a blow can be z. B. between 1 and 10 per millimeter thickness of the fiber composite component. In a conventional carbon fiber reinforced Composite component, for example, is 3 J / mm.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:The invention is described in more detail below with reference to the drawing explained. Each shows schematically:
Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 1 shows an embodiment of the inventive apparatus;
Fig. 2 ein anderes Legemuster der piezoelektrischen Folienstücke; Fig. 2 shows another laying pattern of the piezoelectric film pieces;
Fig. 3 ein piezoelektrisches Folienstück in vergrößerter Wiedergabe und Fig. 3 is a piezoelectric film piece in an enlarged representation and
Fig. 4 bis 7 jeweils Diagramme von mit einer Versuchsanordnung gemessenen Impact-Signalen. Fig. 4 measured to 7 are diagrams of a test arrangement Impact signals.
Gemäß Fig. 1 ist die Rückseite eines Faserverbundwerkstoffbauteils 1 mit im Abstand von einander angeordneten piezoelektrischen Folienstücken 2, 3, 4, 5, 6 ... versehen.Referring to FIG. 1, the back side of a fiber composite component 1 with a distance of superimposed piezoelectric film pieces 2, 3, 4, 5, 6 ... provided.
Die piezoelektrischen Folienstücke 2, 3, 4, 5, 6 ... sind in Reihen 7 bis 15 angeordnet und auf Lücke ausgerichtet, d. h. das Folienstück der einen Reihe 10 liegt dem Folienstück 3 der übernächsten Reihe 12 gegenüber.The piezoelectric film pieces 2 , 3 , 4 , 5 , 6 ... are arranged in rows 7 to 15 and aligned with a gap, ie the film piece of one row 10 is opposite the film piece 3 of the next row 12 .
Die Folienstücke 2, 3, 4, 5, 6.. sind über Leitungen 16, 17, 18, 19, 20 ... an einen Meßstellenschalter oder Multiplexer 21 angeschlossen. Die Leitungen der übrigen Folienstücke des Bauteils 1 zu dem Meßstellenschalter 21 sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Der Meßstellenschalter 21 ist mit einem Ladungsverstärker 22 und einer Meßeinrichtung 23 versehen und an die Überwachungseinrichtung 24 angeschlossen.Foil pieces 2 , 3 , 4 , 5 , 6 .. are connected via lines 16 , 17 , 18 , 19 , 20 ... to a measuring point switch or multiplexer 21 . The lines of the remaining pieces of film of the component 1 to the measuring point switch 21 are not shown for the sake of clarity. The measuring point switch 21 is provided with a charge amplifier 22 and a measuring device 23 and connected to the monitoring device 24 .
Durch die netzförmige Anordnung der Folienstücke 2, 3, 4, 5, 6 ... ist eine eindeutige Lokalisierung der Aufschlagstelle möglich, beispielsweise eines Aufschlags an der Stelle 25 an der Vorderseite des Bauteils 1.The net-like arrangement of the film pieces 2 , 3 , 4 , 5 , 6 ... enables the impact point to be unambiguously localized, for example an impact at point 25 on the front of component 1 .
Der Abstand a zwischen den Folienstücken 2, 3, 4, 5, 6 ... ist so gewählt, daß bei einem Schlag von z. B. 10 J auf das beispielsweise 4 mm dicke Bauteil 1, also bei einem Schlag mit einer Stärke, ab der eine Delaminierung des Bauteils 1 zu befürchten ist, nur drei Folienstücke, d. h. bei der Aufschlagstelle 25, nur die Folienstücke 2, 3 und 5 eine kapazitive Ladungsänderung erfahren, die über den Ladungsverstärker 22 und den Meßstellenschalter 21 von der Überwachungseinrichtung 24 erfaßt wird.The distance a between the pieces of film 2 , 3 , 4 , 5 , 6 ... is chosen so that at a stroke of z. B. 10 J on, for example, 4 mm thick component 1 , that is to say in the case of a blow with a thickness from which delamination of component 1 is to be feared, only three pieces of film, ie at the impact point 25 , only the pieces of film 2 , 3 and 5 experience a capacitive charge change, which is detected by the monitoring device 24 via the charge amplifier 22 and the measuring point switch 21 .
Der Abstand a, mit dem die Folienstücke 2, 3, 4, 5, 6 ... voneinander angeordnet sind, beträgt beispielsweise 1 m. Eine Lokalisierung der Aufschlagstelle 25 kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die drei Signale der Folienstücke 2, 3 und 5, die von der Überwachungseinrichtung 24 erfaßt werden, anzeigen, daß die Aufschlagstelle 25 in dem Dreieck zwischen den drei Folienstücken 2, 3 und 5 liegt, wodurch eine Eingrenzung der Schadensstelle auf einen Bereich von ca. 0,3 m2 erfolgt.The distance a with which the film pieces 2 , 3 , 4 , 5 , 6 ... are arranged from one another is, for example, 1 m. The impact point 25 can be localized, for example, by the three signals of the film pieces 2 , 3 and 5 , which are detected by the monitoring device 24 , indicating that the impact point 25 lies in the triangle between the three film pieces 2 , 3 and 5 , whereby the damage location is limited to an area of approximately 0.3 m 2 .
Es ist jedoch eine noch exaktere Lokalisierung der Aufschlagstelle 25 mit einem solchen Legemuster möglich. Die Größe der Ladungsänderung der Folienstücke 2, 3 und 5 ist nämlich von ihrer Entfernung von der Aufschlagstelle 25 abhängig. Das heißt, das Folienstück 2, das von den drei Eckpunkten des aus den Folienstücken 2, 3 und 5 gebildeten Dreiecks der Aufschlagstelle 25 am nächsten liegt, wird die größte Ladungsänderung und das Folienstück 3 mit der größten Entfernung von der Aufschlagstelle 25 die geringste Ladungsänderung erfahren. Damit kann der Schadensort und die Größe des Schlages aus der Größe der kapazitiven Ladungsänderung der einzelnen Sensoren 2,3 und 5, die um den Aufschlagort 25 angeordnet sind, mit Hilfe einer Verknüpfung der Einzelsignale und einer entsprechenden vergleichenden Signalanalyse festgestellt werden. Denkbar ist auch eine Auswertung, die auf der unterschiedlichen Laufzeit der Sensorsignale aufgrund des unterschiedlichen Abstands der Folienstücke 2, 3, 4, 5 vom Aufschlagort 25 basiert.However, an even more precise localization of the impact point 25 with such a laying pattern is possible. The size of the change in charge of the film pieces 2 , 3 and 5 is dependent on their distance from the impact point 25 . That is, the film piece 2 , which is closest to the impact point 25 from the three corner points of the triangle formed from the film pieces 2 , 3 and 5 , will experience the greatest change in charge and the film piece 3 with the greatest distance from the impact point 25 will experience the smallest change in charge . The damage location and the size of the impact can thus be determined from the size of the capacitive charge change of the individual sensors 2 , 3 and 5 , which are arranged around the impact location 25 , with the aid of a link between the individual signals and a corresponding comparative signal analysis. An evaluation is also conceivable, which is based on the different transit times of the sensor signals due to the different distance of the film pieces 2 , 3 , 4 , 5 from the point of impact 25 .
Der Aufschlagort 25 kann dann z. B. durch Röntgen überprüft werden, um festzustellen, ob durch den Schlag tatsächlich eine Delaminierung oder sonstige Beschädigung des Bauteils 1 stattgefunden hat.The impact site 25 can then z. B. checked by X-ray to determine whether delamination or other damage to the component 1 has actually occurred through the impact.
Bauteile eines Flugzeuges werden heutzutage z. B. um ein Drittel überdimensioniert, um sicherzustellen, daß auch bei einer teilweisen Delaminierung des Bauteils noch eine hinreichende Festigkeit gegeben ist. Durch die hohe Meßgenauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann daher u. U. die Dimensionierung eines derart überwachten Bauteils günstiger gewählt werden.Components of an aircraft are nowadays, for. B. by a third oversized to ensure that even with a partial delamination of the component is still sufficient Strength is given. Due to the high measuring accuracy of The device according to the invention can therefore u. U. the Dimensioning of a component monitored in this way is cheaper to get voted.
Da die kapazitiven Ladungsänderungen an den piezoelektrischen Folienstücken 2, 3, ... im allgemeinen relativ gering sind, ist der Verstärker 22 erforderlich. Der Widerstand der piezoelektrischen Folienstücke 2, 3, ... ist jedoch in der Regel gering und beträgt im allgemeinen lediglich etwa 100 Kiloohm. Eine meßtechnische Verstärkung der Signale ist daher unproblematisch.Since the capacitive charge changes on the piezoelectric film pieces 2 , 3 ,... Are generally relatively small, the amplifier 22 is required. However, the resistance of the piezoelectric film pieces 2 , 3 , ... is generally low and is generally only about 100 kilohms. Metrological amplification of the signals is therefore not a problem.
Um zu verhindern, daß kapazitive Ladungsänderungen an den piezoelektrischen Folienstücken 2, 3, ..., die bei normalem Flugbetrieb durch Verformungen des Bauteils, beispielsweise aufgrund von Schwingungen, auftreten, nicht mit den kapazitiven Ladungsänderungen verwechselt werden, die durch einen Schlag hervorgerufen werden, wird die Meßvorrichtung 23 verwendet, welche die piezoelektrischen Folienstücke 2,3, ... permanent auf kapazitive Ladungsänderungen innerhalb eines bestimmten Zeitabstandes überprüft, der kleiner als die Dauer eines Aufschlags ist. Die Dauer eines Aufschlags liegt normalerweise in der Größenordnung von 10 Millisekunden. Der Zeitabstand, mit dem die Meßeinrichtung 23 die Folienstücke 2, 3, 4, 5, ... auf Ladungsänderungen überprüft, beträgt dabei beispielsweise die Hälfte dieses Zeitabstands.In order to prevent capacitive charge changes on the piezoelectric film pieces 2 , 3 , ..., which occur during normal flight operations due to deformation of the component, for example due to vibrations, not to be confused with the capacitive charge changes caused by a shock, the measuring device 23 is used, which permanently checks the piezoelectric film pieces 2, 3 ,... for capacitive changes in charge within a certain time interval which is less than the duration of an impact. The duration of a service is usually of the order of 10 milliseconds. The time interval with which the measuring device 23 checks the film pieces 2 , 3 , 4 , 5 , ... for changes in charge is, for example, half of this time interval.
Durch die Meßstellenumschalteinrichtung 21 werden die piezoelektrischen Folienstücke 2, 3, 4, ... in einem bestimmten Zeitraum abwechselnd mit der Überwachungseinrichtung 24 verbunden, wobei dieser Zeitraum kleiner ist als die Dauer eines Aufschlags. Das heißt, durch die Umschalteinrichtung 23 können mit einer einzigen Überwachungseinrichtung 24 die Ladungsänderungen der piezoelektrischen Folienstücke 2,3, ... in entsprechend kurzen Zeitabständen permanent abgefragt und beobachtet werden. Das System wird dabei durch die Umschalteinrichtung 21 sehr schnell getaktet, so daß ca. 30 piezoelektrische Folienstücke 2, 3, ... mit einer einzigen Überwachungseinrichtung 24 betrieben werden können. Das heißt, mit einer einzigen Überwachungseinrichtung 24 und dreißig piezoelektrischen Folienstücken 2, 3, ... kann bei einem Abstand a der Folienstücke 2, 3, ... voneinander von einem Meter ein Bauteil 1 mit einer Fläche von ca. 30 m2 überprüft werden.The measuring point switchover device 21 connects the piezoelectric film pieces 2 , 3 , 4 ,... To the monitoring device 24 alternately in a certain period of time, this period of time being less than the duration of an impact. That is to say, the changeover device 23 can be used to continuously query and observe the changes in charge of the piezoelectric film pieces 2, 3 ,... At a correspondingly short time interval with a single monitoring device 24 . The system is clocked very quickly by the switching device 21 , so that approximately 30 piezoelectric film pieces 2 , 3 , ... can be operated with a single monitoring device 24 . That is, with a single monitoring device 24 and thirty piezoelectric film pieces 2 , 3 , ..., at a distance a of the film pieces 2 , 3 , ... from one another, a component 1 with an area of approximately 30 m 2 can be checked will.
Durch entsprechende Abschirmung oder Impedanzwandlung bei den piezoelektrischen Folienstücken 2, 3, ... muß ausgeschlossen werden, daß Fehlanzeigen aufgrund von Wechselwirkungen zwischen äußeren elektromagnetischen Feldern und den Zuleitungen 16 bis 20 ausgelöst werden können. Dazu können beispielsweise abgeschirmte Kabel für die Leitungen 16 bis 20 verwendet werden.By appropriate shielding or impedance conversion in the piezoelectric film pieces 2 , 3 , ... it must be ruled out that false indications can be triggered due to interactions between external electromagnetic fields and the leads 16 to 20 . Shielded cables for lines 16 to 20 can be used for this purpose, for example.
In Fig. 2 ist ein Bauteil 26 aus Faserverbundwerkstoff dargestellt, das durch Rippen 27, 28, 29 verstärkt ist, beispielsweise durch Spanten oder Stringer, wie in der Luft- und Raumfahrt üblich. Die piezoelektrischen Folienstücke 30, 31, 32 ... sind dabei im Bereich dieser tragenden Rippen 27, 28, 29 angeordnet.In FIG. 2 shows a component of fiber composite material 26 which is reinforced by ribs 27, 28, 29, for example by ribs or stringers, such as in the aerospace industry usual. The piezoelectric film pieces 30 , 31 , 32 ... are arranged in the region of these supporting ribs 27 , 28 , 29 .
Wie anhand des piezoelektrischen Folienstücks 2 in Fig. 3 dargestellt, werden die piezoelektrischen Folienstücke an dem Bauteil 1 vorzugsweise im ungeschlagenen Zustand befestigt. Der umgeschlagene Zustand wird durch den Klebstoff 34 fixiert. Das piezoelektrische Folienstück 2 besteht aus der piezoelektrischen Kunststoffschicht 35, die an beiden Seiten unter Bildung der Metallschichten 36 und 37 metallisiert ist. Die innere Metallschicht 36 des Folienstücks 2 ist dabei an die Leitung 16 angeschlossen, die zur Überwachungseinrichtung 24 führt, während die äußere Metallschicht 37 über die Leitung 38 geerdet, also an Masse angeschlossen ist. Das Folienstück 2 ist mit einem Kleber 39 am Bauteil 1 befestigt.As shown with the aid of the piezoelectric film piece 2 in FIG. 3, the piezoelectric film pieces are preferably attached to the component 1 in the undefeated state. The folded state is fixed by the adhesive 34 . The piezoelectric film piece 2 consists of the piezoelectric plastic layer 35 , which is metallized on both sides to form the metal layers 36 and 37 . The inner metal layer 36 of the piece of film 2 is connected to the line 16 , which leads to the monitoring device 24 , while the outer metal layer 37 is grounded via the line 38 , that is to say connected to ground. The film piece 2 is attached to the component 1 with an adhesive 39 .
Das nachstehende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.The example below serves to further explain the Invention.
Auf ein plattenförmiges Bauteil aus kohlefaserverstärktem Kunststoff mit einer thermoplastischen Polyätherätherketon (PEEK)-matrix, das eine Größe von 400×400 mm und eine Dicke von 4 mm aufweist, wurde mit in einem Abstand von 1 m voneinander entfernten 2 cm2 großen piezoelektrischen Folienstücken durch Aufkleben versehen. Die piezoelektrischen Folienstücke wurden an einen Ladungsverstärker angeschlossen, der über einen Transientenrekorder und einen Speicher an einen Rechner angeschlossen war. Die Vorrichtung wurde so eingestellt, daß das Signal von zwei piezoelektrischen Folienstücken gleichzeitig erfaßt werden konnte.On a plate-shaped component made of carbon fiber-reinforced plastic with a thermoplastic polyether ketone (PEEK) matrix, which has a size of 400 × 400 mm and a thickness of 4 mm, was with 2 cm 2 large pieces of piezoelectric film spaced 1 m apart Stick on. The piezoelectric pieces of film were connected to a charge amplifier, which was connected to a computer via a transient recorder and a memory. The device was set so that the signal from two piezoelectric pieces of film could be detected simultaneously.
Mit einem Schlaghammer wurden zwei Energieniveaus von ca. 4 und 8 J, also 1 bzw. 2 J/mm auf das Bauteil aufgebracht. Die Fig. 4 und 5 geben die Meßstreifen des Transientenschreibers wieder. Fig. 4 zeigt dabei den Meßstreifen für das Signal eines piezoelektrischen Folienstücks, das in der Plattenmitte angeordnet ist, bei einem Schlag von ca. 1,0 J/mm. Fig. 5 zeigt den Meßstreifen für den gleichen Sensor bei einem Schlag von 2,0 J/mm.With a hammer, two energy levels of approx. 4 and 8 J, i.e. 1 and 2 J / mm, were applied to the component. FIGS. 4 and 5 enter the strain gauges of the Transientenschreibers again. Fig. 4 shows the measuring strip for the signal of a piezoelectric piece of film, which is arranged in the middle of the plate, at an impact of approximately 1.0 J / mm. Fig. 5 shows the measuring strip for the same sensor at a stroke of 2.0 J / mm.
Man erkennt, daß das Signal des piezoelektrischen Folienstücks bei höherer Schlagenergie deutlich stärker ist als bei kleinerer Schlagenergie. Das heißt, es kann eine eindeutige Korrelation zwischen den aufgebrachten Energieniveaus und der Höhe der Signale der Piezofolienstücke festgestellt werden. Um den Einfluß des Abstandes zwischen dem Aufschlagort und dem piezoelektrischen Folienstück auf die Höhe des Signals festzustellen, wurden die Signale zweier piezoelektrischer Folienstücke, die in einem Abstand von 300 bzw. 10 mm vom Aufschlagort angeordnet waren, aufgezeichnet. In Fig. 6 und 7 sind die Meßstreifen dieser Versuche wiedergegeben. In Fig. 6 ist der zeitliche Verlauf der Signale für einen Schlag von ca. 1 J/mm dargestellt. Die Höhe des Signals für das piezoelektrische Folienstück, das in einem Abstand von 300 mm von dem Aufschlagsort angeordnet ist, ist geringer als das des piezoelektrischen Folienstücks, das in einem Abstand von 10 mm vom Aufschlagsort angeordnet ist. Fig. 7 zeigt den Ladungsverlauf derselben Sensoren bei eine Schlag von ca. 2 J/mm.It can be seen that the signal of the piezoelectric film piece is significantly stronger at higher impact energy than at lower impact energy. This means that a clear correlation between the applied energy levels and the level of the signals of the piezo film pieces can be determined. In order to determine the influence of the distance between the site of impact and the piezoelectric film piece on the height of the signal, the signals of two piezoelectric film pieces which were arranged at a distance of 300 or 10 mm from the site of impact were recorded. In Fig. 6 and 7, the measurement strip of these experiments are reproduced. In Fig. 6 the timing of the signals is shown for a stroke of about 1 J / mm. The height of the signal for the piezoelectric film piece which is arranged at a distance of 300 mm from the site of impact is less than that of the piezoelectric film piece which is arranged at a distance of 10 mm from the site of impact. Fig. 7 shows the charge profile of the same sensors with an impact of approximately 2 J / mm.
Auch hier zeigt der Sensor, der näher am Aufschlagort angeordnet ist, das höhere Signal. Zusätzlich zeigen die Fig. 6 und 7 wiederum die Abhängigkeit der Signalhöhe von der Aufschlagenergie.Here, too, the sensor, which is closer to the point of impact, shows the higher signal. In addition, the Fig. 6 and 7 again show the dependence of the signal level of the impact energy.
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