EP1412737A1 - Fehlererkennung in körpern aus spröden materialien - Google Patents

Fehlererkennung in körpern aus spröden materialien

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EP1412737A1
EP1412737A1 EP02754343A EP02754343A EP1412737A1 EP 1412737 A1 EP1412737 A1 EP 1412737A1 EP 02754343 A EP02754343 A EP 02754343A EP 02754343 A EP02754343 A EP 02754343A EP 1412737 A1 EP1412737 A1 EP 1412737A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
vibration
determined
response
oscillation
value
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02754343A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Maetschke
Thomas Völkel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1412737A1 publication Critical patent/EP1412737A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/30—Arrangements for calibrating or comparing, e.g. with standard objects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/12—Analysing solids by measuring frequency or resonance of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/36—Detecting the response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/38—Detecting the response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor by time filtering, e.g. using time gates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/50—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor using auto-correlation techniques or cross-correlation techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/023—Solids
    • G01N2291/0232—Glass, ceramics, concrete or stone

Definitions

  • the invention relates to a method for the detection of
  • vibroacoustic methods are also used to detect defects in bodies made of brittle materials, in particular for crack detection in roof tiles.
  • a roof tile is vibrated using a mechanism, the vibration is recorded and then evaluated.
  • the evaluation can be carried out using two different methods.
  • linear methods generally have to be specially adapted for each type of brick (shape, color) (characteristic, threshold values) in order to correctly recognize defective ones
  • the invention has for its object to provide a non-linear method which allows simple, fast and accurate error detection in a body made of brittle materials.
  • This object is achieved by a method for the detection of defects in a body made of brittle materials, in which method the body in at least two temporally staggered processes
  • a vibration response of the body is recorded in the time domain
  • the method according to the invention is based on the non-linear method mentioned above, but is characterized by greater simplicity, greater accuracy and faster calculation.
  • Velocity determined The method according to the invention works directly in the time domain on a short section of the vibration response and determines the correlation between the vibration responses of two or more stroke processes. The inaccuracies in determining the
  • the beginning of the oscillation is determined in a simple manner, starting from the beginning of the recording of the oscillation response, determining the point in time at which the value of the oscillation response exceeds a certain threshold value (for example twice the standard deviation) for the first time.
  • a certain threshold value for example twice the standard deviation
  • Time is determined in which the body is vibrated.
  • the trigger mechanism is less precise than the computational method.
  • the detection of an error in the body advantageously takes place in that the feature value for the error detection is compared with a feature value of an error-free body previously determined in the same way, a feature value which is lower in comparison to the feature value of the error-free body indicating an error in the body.
  • Excerpts of the vibration response are determined, the beginning of which is shifted relative to the beginning of the previously determined excerpt and which have a certain length, an average value being formed from correlation coefficients of the further excerpts of the respective vibration responses of the at least two processes as a feature value for error detection. For example, four further correlation coefficients are calculated, which result from the virtual shift of the starting points by one or two measured values to the left and to the right. The final characteristic value, which is used to identify defective bodies, is then calculated from the mean of the five correlation coefficients.
  • the proposed method can also be carried out if the body is vibrated at different frequencies instead of with different strengths in at least two temporally staggered processes.
  • the body's vibration response is typically recorded acoustically or with acceleration sensors.
  • Bodies made of brittle materials are bodies made of glass, made of ceramic materials, and the like. ⁇ . Typical errors that are recognized by the process are cracks and irregularities in the structure of the material. The method for crack detection in bricks is particularly suitable.
  • FIG. 1 shows a flowchart of the method for detecting defects in a body made of brittle materials with two staggered stop processes
  • FIG. 1 shows, by way of example, a flow chart of the method for detecting defects in a body made of brittle materials with two time-delayed stop processes A, B.
  • a vertical time axis 10 is shown, on which a first time t1 indicates the start of a first process A and a second time t2 the start of a second process B.
  • the process A comprises five steps, which are identified in their chronological order by the reference numerals la to 5a, the process B accordingly comprises five steps lb to 5b at different times.
  • Both processes A, B merge into a common path, the steps of which are identified by reference numerals 6 and 7.
  • the sequence of the proposed method is described and explained in the following using FIG. 1 as an example.
  • the method is suitable for the detection of defects on bodies made of brittle materials, in the example it is to be used for the detection of cracks in roof tiles.
  • the first process A of the method begins at time t1 with the first
  • Step la the second process B correspondingly at time t2 with the first step lb.
  • both processes A, B are described together, since they have equivalent steps, albeit at different times.
  • step la, lb the roof tile is vibrated using a suitable mechanism. He is z. B. struck by a stop mechanism with a certain strength.
  • the vibrations that the brick then executes, that is to say its vibration response, are recorded in the second step 2a, 2b via acoustic sensors or via acceleration sensors.
  • a short part typically a sequence with five hundred to two thousand measured values
  • the Signals - ie the recording of the vibration response - cut out After the fifth step 5a, 5b has been completed, a section of the vibration response of the first process A or the second process B is thus available in the exemplary embodiment.
  • the two processes A, B differ not only in terms of their starting time but also in terms of the strength with which the striking mechanism vibrates the brick.
  • the brick is chipped hard in the first step la, in the subsequent first step 1b of the second process B the same brick is chipped comparatively softly.
  • the time difference between the times t1 and t2 is chosen so that the beginning of the first vibration response can be recorded before the second vibration excitation takes place. It is not necessary to wait at the start of the second process B until the first vibration has completely subsided.
  • the two present sections of the standardized vibration responses are now correlated with one another in the sixth step 6 of the method.
  • the calculated result of the correlation is a correlation coefficient, which is a measure of the agreement between the two vibration responses.
  • the correlation coefficient serves as a characteristic value for error detection. Flawless, intact roof tiles have a higher correlation coefficient value than faulty roof tiles, e.g. B. roof tiles with a crack.
  • Step 7 of the method This check for errors is carried out in the seventh step 7 of the method.
  • the Steps 3a, 3b to 7 are processed in a computer to which the recorded vibration responses are fed as signals.
  • the bricks assessed as defective with the aid of the described method are subjected to an additional visual inspection in further steps, which are not shown graphically here, or are immediately sorted out as unusable.
  • FIG. 2 shows typical vibration responses S2 of the brick when the brick is struck twice.
  • the diagram D2 shown in FIG. 2 shows the amplitude of the signal of the vibration responses S2 against the vertical axis 11 and the time against the horizontal axis 12.
  • the times t1, t2 already shown in the flowchart in FIG. 1 are on the horizontal axis 12 with the same
  • the brick is set into vibration, the amplitude of which has almost completely decayed at the second point in time t2 when the brick is set into vibration for the second time. Since the brick is hit harder the first time than the second time, the maximum amplitude of the vibration response S2 is visibly larger the first time.
  • FIG. 3 shows an example of a normalized vibration response S3 with the threshold value 15 shown in a diagram D3.
  • the normalized amplitude of the vibration response S3 is plotted against the vertical axis 13, the time against the horizontal axis 14.
  • the start of the vibration response S3 is determined, for example, by determining the point in time at which the normalized value of the vibration response S3 exceeds the previously defined threshold value 15 for the first time.
  • the threshold value 15 is fixed at the value of twice the standard deviation.
  • FIG. 4 and FIG. 5 show sections 24, 25 from vibration responses of an error-free brick, FIG. 4 for a hard stop, FIG. 5 for a subsequent soft stop.
  • FIGS. 4 to 7 show corresponding sections 26, 27 from vibration responses of a defective brick, again for a hard stop (FIG. 6) and for a soft stop (FIG. 7).
  • the normalized amplitude of the vibration responses is plotted against the vertical axis 16 and the time against the horizontal axis 17 in FIGS. 4 to 7.
  • the excerpts 24 to 27 of vibration responses graphically reproduced in FIG. 4 to FIG. 7 are the result of the fifth step 5a, 5b of the method.
  • the excerpts are available as data sets, e.g. B. in the form of tables. These data sets are correlated with one another in sixth step 6. It can be seen with the naked eye that the
  • Cutouts 24, 25 of the vibration responses of the faultless brick correlate more strongly than the corresponding cutouts 26, 27 of the faulty brick. This is also the result of the calculation of the respective correlation coefficients with the data quantities on which the graphical representations are based.
  • the correlation coefficient of the vibration responses of the faultless brick has the value 0.67
  • the correlation coefficient of the vibration responses of the faulty brick is only 0.36, which is significantly lower.
  • the measurement signal of the vibration response is sampled at discrete points in time, ie there are measured values that are equidistant in time.
  • the final feature value 20, 22, which is used to identify defective bricks, is calculated in this case from the mean of the five calculated correlation coefficients. These characteristic values 20, 22 are plotted graphically in FIG.
  • the averaged correlation coefficient of the respective feature value 20, 22 is plotted against the vertical axis 18, and the number of the tested brick is plotted against the horizontal axis 19.
  • the feature values 20, 22 of sixty different bricks are shown.
  • the characteristic values 20 of thirty-three defective bricks can be found in the area designated by reference numeral 21, whereas the characteristic values 22 of twenty-seven defect-free bricks are found in the area designated by reference numeral 23. It can be clearly seen that the averaged correlation coefficient of the vibration responses of the flawless bricks has significantly higher values than the corresponding correlation coefficient of the faulty bricks.
  • the feature values 20, 22 determined using the described method can therefore be used to distinguish between faultless and faulty bricks.
  • the invention thus relates to a nonlinear method which allows simple, fast and accurate error detection in a body made of brittle materials.
  • the body is set into vibration with different strength in at least two time-shifted processes A, B la, 2b, if a vibration response of the body is recorded in the time domain 2a, 2b, if the vibration response is normalized 3a, 3b, the start of the Vibration determines 4a, 4b and a section of the vibration response is determined 5a, 5b, the beginning of which forms the previously determined start of the vibration and which has a specific length, a correlation coefficient of the sections of the respective vibration responses of the at least two processes being formed as a feature value for the error detection turns 6.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein nicht-lineares Verfahren, welches eine einfache, schnelle und genaue Fehlererkennung in einem Körper aus spröden Materialien erlaubt. Bei dem Verfahren wird der Körper in mindestens zwei zeitlich versetzten Vorgängen (A, B) mit unterschiedlicher Stärke in eine akustische Schwingung versetzt (1a, 2b), wird eine Schwingungsantwort des Körpers im Zeitbereich aufgenommen (2a, 2b), wird die Schwingungsantwort normiert (3a, 3b), wird der Beginn der Schwingung bestimmt (4a, 4b) und wird ein Ausschnitt der Schwingungsantwort bestimmt (5a, 5b), dessen Anfang der zuvor bestimmte Beginn der Schwingung bildet und der eine bestimmte Länge aufweist, wobei ein Korrelationskoeffizient der Ausschnitte der jeweiligen Schwingungsantworten der mindestens zwei Vorgänge als Merkmalswert für die Fehlererkennung gebildet wird (6).

Description

Beschreibung
Fehlererkennung in Körpern aus spröden Materialien
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von
Fehlern in Körpern aus spröden Materialien, z. B. aus Glas oder Keramik.
Zur Fehlererkennung in Körpern aus spröden Materialien, insbesondere zur Risserkennung in Dachziegeln werden neben visuellen auch vibroakustische Methoden eingesetzt. Dazu wird ein Dachziegel mit Hilfe eines Mechanismus in Schwingung versetzt, die Schwingung aufgenommen und anschließend ausgewertet. Die Auswertung kann hierbei prinzipiell mit zwei verschiedenen Verfahren erfolgen. Bei den nicht-linearen
Verfahren, beschrieben im Fachartikel Johnson, P., The new wave in Acoustic Testing, Materials World, September 1999, wird ein Ziegel mindestens zweimal mit unterschiedlicher Stärke oder unterschiedlichen Frequenzen angeregt. Ist der Ziegel defekt, so kann eine nicht-lineare Verschiebung der Resonanzfrequenzen in Abhängigkeit von der Anregung beobachtet werden, während die Resonanzfrequenzen beim einwandfreien Ziegel keine Verschiebung zeigen. Bei den linearen Verfahren (z. B. mittels Effektivwertmessung des Schwingungssignals) bleibt dieser Effekt unberücksichtigt.
Vorteilhaft bei den linearen Verfahren ist hingegen, dass ein einfacher Anschlag des Ziegels ausreicht. Nachteilig ist, dass lineare Verfahren im Regelfall für jeden Ziegeltyp (Form, Farbe) speziell angepasst werden müssen (Merkmal, Schwellwerte) , um eine korrekte Erkennung von defekten
Ziegeln zu gewährleisten. Verwendet man das oben genannte nicht-lineare Verfahren für die Ziegelprüfung, so muss der Ziegel mehrfach angeschlagen werden. Für jeden Anschlag muss die Schwingung des Ziegels aufgenommen, die Fast Fourier Transformation (FFT) berechnet, die Resonanzf equenzen identifiziert und die Verschiebung der Resonanzfrequenzen bestimmt werden. Insbesondere die Berechnung der FFT und die Identifikation der Resonanzfrequenzen sind hierbei aufwendig und mit Ungenauigkeiten behaftet, was sich in der Güte der Risserkennung niederschlägt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein nicht-lineares Verfahren anzugeben, welches eine einfache, schnelle und genaue Fehlererkennung in einem Körper aus spröden Materialien erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erkennung von Fehlern in einem Körper aus spröden Materialien, bei welchem Verfahren der Körper in mindestens zwei zeitlich versetzten Vorgängen
• mit unterschiedlicher Stärke in eine Schwingung versetzt wird,
• eine Schwingungsantwort des Körpers im Zeitbereich aufgenommen wird,
• die Schwingungsantwort normiert wird,
• der Beginn der Schwingung bestimmt wird und • ein Ausschnitt der Schwingungsantwort bestimmt wird, dessen Anfang der zuvor bestimmte Beginn der Schwingung bildet und der eine bestimmte Länge aufweist, wobei ein Korrelationskoeffizient der Ausschnitte der jeweiligen Schwingungsantworten der mindestens zwei Vorgänge als Merkmalswert für die Fehlererkennung gebildet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem oben genannten nicht-linearen Verfahren, zeichnet sich aber durch größere Einfachheit, höhere Genauigkeit und schnellere Berechnung aus. Der Körper aus sprödem Material wird in (mindestens) zwei zeitlich versetzten Vorgängen, im Folgenden auch als Anschlagvorgänge bezeichnet, mit unterschiedlicher Stärke in Schwingung versetzt und die Schwingungsantworten des Körpers werden aufgenommen. Anschließend werden die beiden Schwingungsantworten normiert (z. B. mit Mittelwert = 0, Standardabweichung = 1) und jeweils der Beginn (der Startpunkt) der eigentlichen Schwingung bestimmt. Ausgehend vom gefundenen Startpunkt wird ein kurzer Teil (typischerweise 500 bis 2000 Messwerte) des Signals - der Aufnahme der Schwingungsantwort - ausgeschnitten und der Korrelationskoeffizient zwischen dem Ausschnitt aus dem ersten Anschlagvorgang und dem Ausschnitt aus dem zweiten
Anschlagvorgang bestimmt. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet direkt im Zeitbereich auf einem kurzen Ausschnitt der Schwingungsantwort und bestimmt die Korrelation zwischen den Schwingungsantworten von zwei oder mehr Anschlag- Vorgängen. Die Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der
Verschiebung der Resonanzfrequenzen und der Berechnung der FFT beim oben genannten nicht-linearen Verfahren werden somit vermieden. Da nur ein Teil der Schwingungsantwort für die Auswertung benötigt wird, können die zwei Anschläge sehr schnell hintereinander erfolgen und die Analysezeit kann im Vergleich zu bisher bekannten Verfahren verkürzt werden.
Der Beginn der Schwingung wird in einfacher Weise bestimmt indem ausgehend vom Anfang der Aufnahme der Schwingungs- antwort derjenige Zeitpunkt bestimmt wird, bei dem der Wert der Schwingungsantwort einen bestimmten Schwellwert (z. B. die zweifache Standardabweichung) zum ersten Mal überschreitet. Bei exakter Triggerung kann auf die rechnerische Bestimmung der Startzeitpunkte verzichtet werden und der Beginn der Schwingung automatisch anhand des
Zeitpunkts bestimmt wird, in welchem der Körper in Schwingung versetzt wird. Im Regelfall ist der Triggermechanismus jedoch ungenauer als das rechnerische Verfahren.
Die Erkennung eines Fehlers im Körper erfolgt vorteilhafterweise dadurch, dass der Merkmalswert für die Fehlererkennung mit einem zuvor auf die gleiche Art bestimmten Merkmalswert eines fehlerfreien Körpers verglichen wird, wobei ein im Vergleich zum Merkmalswert des fehlerfreien Körpers niedrigerer Merkmalswert auf einen Fehler des Körpers hinweist. Bei einem defekten Körper ist dieser Merkmalswert niedriger (z. B. r = 0.36) als bei einem fehlerfreien Körper (r = 0.67), da hier die Korrelation zwischen erstem und zweitem Anschlagvorgang geringer ist.
Weil die Bestimmung des Startpunktes mit einem gewissen Fehler behaftet ist, wird vorgeschlagen, dass weitere
Ausschnitte der Schwingungsantwort bestimmt werden, deren Anfang jeweils gegenüber dem Anfang des zuvor bestimmten Ausschnitts verschoben ist und die eine bestimmte Länge aufweisen, wobei ein Mittelwert aus Korrelationskoeffizienten der weiteren Ausschnitte der jeweiligen Schwingungsantworten der mindestens zwei Vorgänge als Merkmalswert für die Fehlererkennung gebildet wird. So werden beispielsweise noch vier weitere Korrelationskoeffizienten berechnet, die sich aus der virtuellen Verschiebung der Startpunkte um einen bzw. zwei Messwerte nach links und nach rechts ergeben. Der endgültige Merkmalswert, welcher zur Erkennung fehlerhafter Körper herangezogen wird, berechnet sich dann aus dem Mittelwert der fünf Korrelationskoeffizienten.
Das vorgeschlagene Verfahren kann auch durchgeführt werden, wenn der Körper anstatt mit unterschiedlicher Stärke in mindestens zwei zeitlich versetzten Vorgängen mit unterschiedlicher Frequenz in Schwingung versetzt wird. Die Schwingungsantwort des Körpers wird typischerweise akustisch oder mit Beschleunigungssensoren aufgenommen. Körper aus spröden Materialien sind Körper aus Glas, aus keramischen Werkstoffen, u. Ä. Typische Fehler, die durch das Verfahren erkannt werden, sind Risse und Unregelmäßigkeiten in der Struktur des Werkstoffs. Insbesondere eignet sich das Verfahren zur Risserkennung bei Ziegeln.
Vorteilhaft am vorgeschlagenen Verfahren ist, dass die zwei Anschläge sehr kurz hintereinander erfolgen können, da jeweils nur ein kurzer Ausschnitt der Schwingungsantwort für die Auswertung benötigt wird. Das vollständige Ausklingen des Signals muss nicht abgewartet werden. Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert .
Es zeigen:
FIG 1 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Erkennung von Fehlern in einem Körper aus spröden Materialien mit zwei zeitlich versetzten Anschlagvorgängen,
FIG 2 typische Schwingungsantworten eines Körpers bei zweifachem Anschlag des Körpers,
FIG 3 ein Beispiel einer normierten Schwingungsantwort mit eingezeichnetem Schwellwert,
FIG 4 einen Ausschnitt der Schwingungsantwort eines fehlerfreien Körpers nach einem harten Anschlag,
FIG 5 einen Ausschnitt der Schwingungsantwort des fehlerfreien Körpers nach einem weichen Anschlag,
FIG 6 einen Ausschnitt der Schwingungsantwort eines fehlerhaften Körpers nach einem harten Anschlag,
FIG 7 einen Ausschnitt der Schwingungsantwort eines fehlerhaften Körpers nach einem weichen Anschlag und
FIG 8 eine grafische Darstellung der Werte von mit dem beschriebenen Verfahren ermittelten mittleren Korrelationskoeffizienten für fehlerfreie und fehlerhafte Körper.
FIG 1 zeigt beispielhaft ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Erkennung von Fehlern in einem Körper aus spröden Materialien mit zwei zeitlich versetzten Anschlagvorgängen A, B. Dargestellt ist eine senkrechte Zeitachse 10, auf welcher ein erster Zeitpunkt tl den Beginn eines ersten Vorgangs A und ein zweiter Zeitpunkt t2 den Beginn eines zweiten Vorgangs B kennzeichnet. Der Vorgang A umfasst fünf Schritte, die in ihrer zeitlichen Abfolge mit den Bezugszeichen la bis 5a gekennzeichnet sind, der Vorgang B umfasst entsprechend fünf zeitlich versetzte Schritte lb bis 5b. Beide Vorgänge A, B gehen über in einen gemeinsamen Pfad, dessen Schritte durch die Bezugszeichen 6 und 7 gekennzeichnet sind.
Anhand FIG 1 wird im Folgenden der Ablauf des vorgeschlagenen Verfahrens beispielhaft beschrieben und erläutert. Das Verfahren ist zur Erkennung von Fehlern an Körpern aus spröden Materialien geeignet, im Beispielsfall soll es zur Erkennung von Rissen in Dachziegeln Anwendung finden. Der
Dachziegel dient somit als typisches Beispiel eines Körpers aus spröden Materialien, die Aussagen zum Dachziegel sind aber durchaus auf andere spröde Körper, etwa aus Glas oder weiteren Keramikwerkstoffen, übertragbar. Der erste Vorgang A des Verfahrens beginnt zum Zeitpunkt tl mit dem ersten
Schritt la, der zweite Vorgang B entsprechend im Zeitpunkt t2 mit dem ersten Schritt lb. Im Folgenden werden beide Vorgänge A, B zusammen beschrieben, da sie - allerdings zeitlich versetzt - äquivalente Schritte aufweisen. Im Schritt la, lb wird der Dachziegel mit einem geeigneten Mechanismus in Schwingung versetzt. Er wird z. B. durch einen Anschlagmechanismus mit einer bestimmten Stärke angeschlagen. Die Schwingungen, die der Ziegel daraufhin ausführt, also seine Schwingungsantwort, werden im zweiten Schritt 2a, 2b über akustische Aufnehmer oder über Beschleunigungssensoren aufgenommen. Im folgenden dritten Schritt 3a, 3b wird die Schwingungsantwort normiert (z. B. mit Mittelwert = 0, Standardabweichung = 1), im vierten Schritt 4a, 4b wird jeweils der Beginn (der Startpunkt) der eigentlichen Schwingung bestimmt. Ausgehend vom gefundenen Startpunkt wird im fünften Schritt 5a, 5b ein kurzer Teil (typischerweise eine Sequenz mit fünfhundert bis zweitausend Messwerten) des Signals - d. h. der Aufnahme der Schwingungsantwort - ausgeschnitten. Nach Ablauf des fünften Schrittes 5a, 5b liegt somit im Ausführungsbeispiel jeweils ein Ausschnitt aus der Schwingungsantwort des ersten Vorgangs A bzw. des zweiten Vorgangs B vor. Die beiden Vorgänge A, B unterscheiden sich nicht nur hinsichtlich ihres Anfangszeitpunktes sondern auch in Bezug auf die Stärke, mit der der Anschlagmechanismus den Ziegel jeweils in Schwingung versetzt. Im ersten Vorgang A wird der Ziegel im ersten Schritt la hart angeschlagen, im zeitlich nachfolgenden ersten Schritt lb des zweiten Vorgangs B wird derselbe Ziegel vergleichsweise weich angeschlagen. Die zeitliche Differenz zwischen den Zeitpunkten tl und t2 wird so gewählt, dass der Beginn der ersten Schwingungsantwort aufgezeichnet werden kann, bevor die zweite Schwingungsanregung erfolgt. Es ist nicht nötig, mit dem Beginn des zweiten Vorgangs B zu warten bis die erste Schwingung vollständig abgeklungen ist. Die beiden vorliegenden Ausschnitte der normierten Schwingungsantworten werden nun im sechsten Schritt 6 des Verfahrens miteinander korreliert. Das berechnete Ergebnis der Korrelation ist ein Korrelationskoeffizient, der ein Maß für die Übereinstimmung zwischen beiden Schwingungsantworten ist. Der Korrelationskoeffizient dient als Merkmalswert für die Fehlererkennung. Fehlerfreie, intakte Dachziegel weisen einen höheren Wert des Korrelationskoeffizienten auf als fehlerhafte Dachziegel, z. B. Dachziegel mit einem Riss. Kennt man den typischen Wertebereich, in welchem der durch das vorgeschlagene Verfahren ermittelbare Korrelationskoeffizient bei fehlerfreien Ziegeln liegt, so kann ein weiterer ermittelter Korrelationskoeffizient mit diesem typischen Wertebereich verglichen werden und so eine Aussage getroffen werden, ob der mit dem Verfahren geprüfte Ziegel fehlerfrei (Wert des Korrelationskoeffizienten innerhalb des typischen Wertebereichs) oder fehlerhaft (Wert des Korrelationskoeffizienten unterhalb des typischen
Wertebereichs) ist. Diese Prüfung auf Fehlerhaftigkeit wird im siebten Schritt 7 des Verfahrens durchgeführt. Die Bearbeitung der Schritte 3a, 3b bis 7 erfolgt in einem Rechner, welchem die aufgenommenen Schwingungsantworten als Signale zugeführt werden. Die mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens als fehlerhaft beurteilten Ziegel werden in weiteren, hier grafisch nicht dargestellten Schritten einer zusätzlichen Sichtkontrolle unterzogen oder direkt als unbrauchbar aussortiert.
FIG 2 zeigt typische Schwingungsantworten S2 des Ziegels bei zweifachem Anschlag des Ziegels. In dem in FIG 2 dargestellten Diagramm D2 ist die Amplitude des Signals der Schwingungsantworten S2 gegen die senkrechte Achse 11, die Zeit gegen die waagerechte Achse 12 aufgetragen. Die bereits im Ablaufdiagramm in FIG 1 dargestellten Zeitpunkte tl, t2 sind auf der waagerechten Achse 12 mit denselben
Bezugszeichen bezeichnet. Zum ersten Zeitpunkt tl wird der Ziegel in eine Schwingung versetzt, deren Amplitude im Beispielsfall zum zweiten Zeitpunkt t2 fast vollständig abgeklungen ist, wenn der Ziegel zum zweiten Mal in eine Schwingung versetzt wird. Da der Ziegel beim ersten Mal härter angeschlagen wird als beim zweiten Mal, ist die maximal erreichte Amplitude der Schwingungsantwort S2 beim ersten Mal sichtbar größer.
In FIG 3 ist ein Beispiel einer normierten Schwingungsantwort S3 mit eingezeichnetem Schwellwert 15 in einem Diagramm D3 dargestellt. Die normierte Amplitude der Schwingungsantwort S3 ist gegen die senkrechte Achse 13, die Zeit gegen die waagerechte Achse 14 aufgetragen. Im vierten Schritt 4a, 4b des Verfahrens wird der Beginn der Schwingungsantwort S3 beispielsweise dadurch bestimmt, dass der Zeitpunkt bestimmt wird, bei dem der normierte Wert der Schwingungsantwort S3 den zuvor festgelegten Schwellwert 15 zum ersten Mal überschreitet. Der Schwellwert 15 ist im Ausführungsbeispiel auf den Wert der doppelten Standardabweichung festgelegt. FIG 4 und FIG 5 zeigen Ausschnitte 24, 25 aus Schwingungsantworten eines fehlerfreien Ziegels, FIG 4 für einen harten Anschlag, FIG 5 für einen nachfolgenden weichen Anschlag. FIG 6 und FIG 7 zeigen entsprechende Ausschnitte 26, 27 aus Schwingungsantworten eines fehlerhaften Ziegel, wiederum für einen harten Anschlag (FIG 6) und für einen weichen Anschlag (FIG 7) . In FIG 4 bis FIG 7 ist die normierte Amplitude der Schwingungsantworten jeweils gegen die senkrechte Achse 16 und die Zeit gegen die waagerechte Achse 17 aufgetragen. Die in FIG 4 bis FIG 7 grafisch wiedergegebenen Ausschnitte 24 bis 27 aus Schwingungsantworten sind das Ergebnis des fünften Schrittes 5a, 5b des Verfahrens. Im Verfahren liegen die Ausschnitte als Datenmengen vor, z. B. in Form von Tabellen. Diese Datenmengen werden im sechsten Schritt 6 miteinander korreliert. Mit bloßem Auge ist erkennbar, dass die
Ausschnitte 24, 25 der Schwingungsantworten des fehlerfreien Ziegels stärker miteinander korrelieren als die entsprechenden Ausschnitte 26, 27 des fehlerhaften Ziegels. Das ist auch das Ergebnis der Berechnung der jeweiligen Korrelationskoeffizienten mit den den grafischen Darstellungen zugrundeliegenden Datenmengen. Der Korrelationskoeffizient der Schwingungsantworten des fehlerfreien Ziegels hat im Beispiel den Wert 0.67, der Korrelationskoeffizient der Schwingungsantworten des fehlerhaften Ziegels beträgt hingegen nur 0.36, ist also deutlich niedriger.
Weil die Bestimmung des Startpunkts der Schwingung in den Schwingungsantworten mit einem gewissen Fehler behaftet ist, werden im Ausführungsbeispiel noch vier weitere Korrelationskoeffizienten berechnet, die sich aus der virtuellen Verschiebung der Startpunkte um einen bzw. zwei Messwerte nach links und nach rechts ergeben. Im Beispiel wird das Messsignal der Schwingungsantwort in diskreten Zeitpunkten abgetastet, d. h. es liegen zeitlich äquidistante Messwerte vor. Der endgültige Merkmalswert 20, 22, welcher zur Erkennung fehlerhafter Ziegel herangezogen wird, berechnet sich in diesem Fall aus dem Mittelwert der fünf berechneten Korrelationskoeffizienten. Diese Merkmalswerte 20, 22 sind in FIG 8 grafisch aufgetragen. Gegen die senkrechte Achse 18 ist der gemittelte Korrelationskoeffizient des jeweiligen Merkmalswerts 20, 22 aufgetragen, gegen die waagerechte Achse 19 die Nummer des geprüften Ziegels. Insgesamt sind die Merkmalswerte 20, 22 von sechzig verschiedenen Ziegeln dargestellt. Im mit dem Bezugszeichen 21 bezeichneten Bereich finden sich die Merkmalswerte 20 von dreiunddreißig fehlerhaften Ziegeln, im mit dem Bezugszeichen 23 bezeichneten Bereich finden sich hingegen die Merkmalswerte 22 von siebenundzwanzig fehlerfreien Ziegeln. Deutlich erkennbar ist, dass der gemittelte Korrelationskoeffizient der Schwingungsantworten der fehlerfreien Ziegel deutlich höhere Werte hat als der entsprechende Korrelationskoeffizient der fehlerhaften Ziegel. Die mit dem beschriebenen Verfahren ermittelten Merkmalswerte 20, 22 können also zur Unterscheidung zwischen fehlerfreien und fehlerhaften Ziegeln eingesetzt werden.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung somit ein nichtlineares Verfahren, welches eine einfache, schnelle und genaue Fehlererkennung in einem Körper aus spröden Materialien erlaubt. Bei dem Verfahren wird der Körper in mindestens zwei zeitlich versetzten Vorgängen A, B mit unterschiedlicher Stärke in eine Schwingung versetzt la, 2b, wird eine Schwingungsantwort des Körpers im Zeitbereich aufgenommen 2a, 2b, wird die Schwingungsantwort normiert 3a, 3b, wird der Beginn der Schwingung bestimmt 4a, 4b und wird ein Ausschnitt der Schwingungsantwort bestimmt 5a, 5b, dessen Anfang der zuvor bestimmte Beginn der Schwingung bildet und der eine bestimmte Länge aufweist, wobei ein Korrelationskoeffizient der Ausschnitte der jeweiligen Schwingungsantworten der mindestens zwei Vorgänge als Merkmalswert für die Fehlererkennung gebildet wird 6.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erkennung von Fehlern in einem Körper aus spröden Materialien, bei welchem Verfahren der Körper in mindestens zwei zeitlich versetzten Vorgängen (A, B)
• mit unterschiedlicher Stärke in eine Schwingung versetzt wird (la, lb) ,
• eine Schwingungsantwort des Körpers im Zeitbereich aufgenommen wird (2a, 2b) , • die Schwingungsantwort normiert wird (3a, 3b) ,
• der Beginn der Schwingung bestimmt wird (4a, 4b) und
• ein Ausschnitt der Schwingungsantwort bestimmt wird (5a, 5b) , dessen Anfang der zuvor bestimmte Beginn der Schwingung bildet und der eine bestimmte Länge aufweist, wobei ein Korrelationskoeffizient der Ausschnitte der jeweiligen Schwingungsantworten der mindestens zwei Vorgänge als Merkmalswert für die Fehlererkennung gebildet wird (6) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Beginn der Schwingung bestimmt wird indem ausgehend vom Anfang der Aufnahme der Schwingungsantwort ein Zeitpunkt bestimmt wird, bei dem ein Wert der Schwingungsantwort einen bestimmten Schwellwert (15) zum ersten Mal überschreitet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Merkmalswert für die Fehlererkennung mit einem zuvor auf die gleiche Art bestimmten Merkmalswert eines fehlerfreien Körpers verglichen wird, wobei ein im Vergleich zum Merkmalswert des fehlerfreien Körpers niedrigerer Merkmalswert auf einen Fehler des Körpers hinweist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass weitere Ausschnitte der Schwingungsantwort bestimmt werden, deren Anfang jeweils gegenüber dem Anfang des zuvor bestimmten Ausschnitts verschoben ist und die eine bestimmte Länge aufweisen, wobei ein Mittelwert aus Korrelationskoeffizienten der weiteren Ausschnitte der jeweiligen Schwingungsantworten der mindestens zwei Vorgänge als Merkmalswert für die Fehlererkennung gebildet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schwingungsantwort des Körpers akustisch aufgenommen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schwingungsantwort des Körpers mit Beschleunigungs- Sensoren aufgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Verfahren zur Erkennung von Fehlern in einem Körper aus Glas dient.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Verfahren zur Erkennung von Fehlern in einem Körper aus keramischen Materialien dient.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Beginn der Schwingung automatisch anhand des Zeitpunkts bestimmt wird, in welchem der Körper in Schwingung versetzt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Körper in mindestens zwei zeitlich versetzten
Vorgängen mit unterschiedlicher Frequenz in eine Schwingung versetzt wird.
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