EP4337928A1 - Device for monitoring the structure of a surface - Google Patents

Device for monitoring the structure of a surface

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Publication number
EP4337928A1
EP4337928A1 EP22729464.2A EP22729464A EP4337928A1 EP 4337928 A1 EP4337928 A1 EP 4337928A1 EP 22729464 A EP22729464 A EP 22729464A EP 4337928 A1 EP4337928 A1 EP 4337928A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
carrier layer
incisions
group
electrical conductor
conductor tracks
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP22729464.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Patrick Tichelmann
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.)
Technische Hochschule Koeln
Original Assignee
Technische Hochschule Koeln
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 Technische Hochschule Koeln filed Critical Technische Hochschule Koeln
Publication of EP4337928A1 publication Critical patent/EP4337928A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0083—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by measuring variation of impedance, e.g. resistance, capacitance, induction

Definitions

  • the invention relates to a device for structural monitoring of a surface that can be acted upon by the device, comprising a carrier layer and a signal processing means, the carrier layer being acted upon by electrical conductor tracks and the signal processing means for monitoring an electrical property of the conductor tracks being electrically connected to them.
  • Structural monitoring of surfaces is used in many areas, e.g. in automobile construction as well as in mechanical and plant engineering. Structural monitoring is understood to mean monitoring in which changes in the structure of a surface, such as cracks, dents and the like, can be recognized and displayed. This should make it possible to display even the smallest changes that would otherwise remain undetected or would only be discovered at a later point in time, for example during maintenance.
  • the structure monitoring systems known from the prior art typically require the integration of the structure monitoring systems into the material to be monitored.
  • electrical conductors are incorporated into the material. Changes in the electrical properties of the conductors and breaks in the conductors indicate damage to the material to be monitored.
  • EP 3 430 364 B1 as an example.
  • US 2017/0048 965 A1 describes a flexible substrate for detecting deformations using a pattern formed from a conductive material.
  • the deformation-detecting flexible substrate using the pattern formed from the conductive material comprises a flexible substrate and conductive patterns in which conductors containing a conductive material are arranged and formed so as to be based on the deformation of the flexible Substrate can come into contact with each other and not come into contact.
  • US 2020/0 240 763 A1 describes a sensor for detecting a bend in a flexible display device.
  • the sensor includes a first flexible base substrate and a first electrode layer on one side of the first flexible base substrate.
  • the first electrode layer includes an array of a plurality of first electrodes configured so that they detect a first bending in a first bending direction relative to a surface of the first flexible base substrate.
  • CN 1 11 722 723 A describes a bidirectional flexible bending sensor, a sign language recognition system and a sign language recognition method, the bidirectional flexible bending sensor comprising a flexible substrate, array-type micropillars and a conductive layer and the flexible substrate comprising the lower layer of the bidirectional flexible bending sensor forms.
  • DE 10 2013 006 809 A1 describes a battery for a motor vehicle with at least one housing in which at least one storage element for storing electrical energy is accommodated, with at least one detection device for detecting a deformation of at least a partial area of the housing being provided.
  • an integrated structure monitoring system that has detected damage due to damage or breaks in the electrical conductors cannot be reused. However, this is of great importance, for example, in the case of elastic deformations of the surface to be monitored. Rather, if the electrical conductors are damaged once, the structure monitoring system must be at least partially replaced. However, because the electrical conductors are integrated into the material, it is not readily possible to exchange the electrical conductors for reusing the structure monitoring system.
  • the structure monitoring systems known from the prior art have so far not made it possible to provide a structure monitoring option that is simple to install, inexpensive and reusable.
  • a device for monitoring the structure of a surface that can be acted upon by the device which comprises a carrier layer and a signal processing means.
  • the carrier layer is acted upon by electrical conductor tracks and the signal processing means for monitoring an electrical property of the conductor tracks is electrically connected to them.
  • the carrier layer loaded with the electrical conductor tracks is slotted so that the carrier layer has incisions that can be opened and the electrical conductor tracks have contact points that can be opened above them, so that when the incisions are closed the contact points are also closed and when the incisions are open the contact points are also open and so that the electrical conductor tracks are reversibly interrupted.
  • the electrical property of the conductor tracks monitored by the signal processing means is selected in such a way that it has a different value when the contact points are closed than when the contact points are open.
  • the term “incision” is also understood to mean a slit or an elongate, narrow opening in the carrier layer.
  • the incisions are arranged in the carrier layer in such a way that they open when the carrier layer is deformed and are closed in the non-deformed state.
  • the electrical conductor tracks have contact points that can be opened”.
  • the electrical conductor tracks are arranged flat and in layers on the carrier layer and each contact point of the electrical conductor track is above an incision or in the immediate vicinity is positioned close to the side of the incision.
  • the incisions are oriented transversely or almost perpendicularly to the longitudinal axis of the carrier layer.
  • the carrier layer is designed in such a way that it can assume a normal state and a deformed state, the incisions being closed in the normal state and the incisions being open in the deformed state.
  • the arrangement of the carrier layer and electrical conductor tracks is selected in such a way that the incisions open when the carrier layer is deformed, thereby interrupting the electrical conductor tracks. If the carrier layer is not deformed or has returned from the deformation to its original undeformed state, ie in the normal state, the incisions are closed or closed again, so that the electrical conductor tracks are also closed (again).
  • the structure monitoring device can thus continue to be used as a sensor device after a reversible deformation, because the interruptions in the electrical conductors can be closed again via the contact points.
  • the carrier layer comprises a carrier plate or a carrier film.
  • the carrier layer ie in this case the carrier plate or carrier foil, includes the conductor tracks and the incisions.
  • the carrier plate or carrier foil is preferably designed such that it can be cut to size, so that it can be cut to fit the respective application and the surface to be monitored.
  • the carrier plate or carrier foil can be arranged on almost any surface, in particular on large-area structures. This enables versatile use of the device for structure monitoring.
  • the electrical conductor tracks are arranged in a first group and in a second group that differs from the first group, the electrical conductor tracks of the first group run in a first direction, the electrical conductor tracks of the second group run in a direction different from the first direction and intersect the electrical conductor tracks of the first group and thus, together with the conductor tracks of the first group, form a network of n row conductors and m Form column conductors, and a diode is arranged in each crossing region of an electrical conductor track of the first group with an electrical conductor track of the second group, the connection between row conductor and column conductor being established by means of the diode, so that a network in the form of a diode matrix is formed.
  • the individual electrical conductor tracks are therefore arranged in a matrix connection. In this way it can be ensured that the reliability of the structure monitoring is not reduced even if the surface to be monitored is damaged or deformed.
  • An open incision or an open contact point can be localized by step-by-step scanning of the conductor paths via the row and column conductors of the diode matrix.
  • the matrix connection is only to be understood as a circuit arrangement. It is not necessary for row and column conductors to be arranged in a regular grid distribution. They also do not have to run in a straight line and parallel or perpendicular to one another. It is only necessary that the contact points of the row and column conductors are arranged over the incisions. Consequently, the arrangement of the row and column conductors depends on the positioning of the incisions in the carrier layer.
  • the diode matrix mentioned above is also referred to in electrical engineering as a passive matrix, which can be wired using a large number of available integrated components.
  • each crossing point of the matrix can be driven individually by activating a corresponding column driver in conjunction with activating a corresponding row driver. Therefore, in a preferred embodiment, each crossing area is sform by the signal processing means using line and Column driver controlled.
  • the task of the row and column drivers is to cyclically drive the electrodes of the diodes with different voltages of different polarity.
  • the row and column drivers are preferably designed as shift registers. Shift registers are part of the logic components and enable the parallel output of a serial data stream. A resulting benefit is that microcontrollers can be used with far fewer inputs/outputs than there are rows and columns.
  • the signal processing means is preferably designed as an application-specific integrated circuit.
  • the incisions are arranged in the carrier layer at varying distances from one another in the first direction and/or in the second direction.
  • the positioning of the incisions, in particular the spacing of the incisions from one another, can be adapted in particular to the shape and structure of the surface to be monitored.
  • the fact that the position of the electrical conductor tracks is dependent on the position of the incisions predetermines that the distance between the row conductors or the distance between the column conductors or the distance both between the row conductors and between the column conductors varies across the surface of the backing.
  • the density of the incisions, and thus the density of the control points, can be tuned depending on the structure to be monitored, so that areas in which the deformation is to be monitored more precisely can also have a higher density of incisions.
  • the incisions have various lengths.
  • the incisions have a length of ⁇ 1 cm, preferably ⁇ 0.5 cm, very particularly preferably ⁇ 0.1 cm.
  • the length of the incisions designates the depth of the incisions in the carrier layer.
  • the sensitivity of the device can be controlled via the length of the incisions. je
  • the incision can open with greater or lesser deformation, so that the opening of the contact points of the electrical conductors depends, among other things, on the length of the incisions in combination with the degree of damage or deformation.
  • an arrangement for structure monitoring is also provided with the device described above, comprising a carrier layer, signal processing means and a surface to be monitored, the carrier layer being applied to the surface to be monitored.
  • the deformability is preferably adapted to the surface to be monitored.
  • the deformability of the carrier layer is firmly defined by a predetermined limit deformation. Depending on the deformability of the carrier layer, the structural monitoring can be made more sensitive or more robust. If even the smallest damage to the surface to be monitored is to be detected, the carrier layer has a high degree of deformability, so that it deforms even with the smallest damage. However, if only major damage to the surface to be monitored is to be detected, the carrier layer has low deformability, so that it only deforms when the damage is severe. Provision is preferably made for the deformability to vary over the entire surface of the carrier layer, so that there are areas in which the deformability is low and there are areas in which the deformability is high.
  • the carrier layer is arranged flat on the surface to be monitored.
  • the carrier layer is fixed to the surface to be monitored by gluing, for example, so that contact between the carrier layer and the surface to be monitored is ensured over the entire surface of the carrier layer and reliable structure monitoring can thus be provided.
  • the intended use of the device described above provides for the implementation of a monitoring of the structure of a surface to be monitored.
  • a voltage is applied to the electrical conductor tracks by means of the signal processing means.
  • the current flow is then measured by the signal processing means via the electrical conductor tracks. Damage - if present - can then be detected due to an interruption in the flow of current through an open contact point of an electrical conductor track.
  • the damage can be damage, deformation or stretching if the cuts in the carrier layer are opened as a result.
  • the damage can be localized using a diode matrix.
  • the diode matrix is subjected to a voltage in such a form by means of the signal processing means via the electrical conductor tracks of a first group and the electrical conductor tracks of a second group that the voltage in the crossing area of the electrical conductor tracks of a first group and the electrical conductor tracks of a second group of switched diodes of the diode matrix are reverse-biased.
  • the polarity of the voltage for an electrical trace of a first group and an electrical trace of a second group is reversed, as a result of which the diode connected in the crossing region of the electrical trace of a first group and an electrical trace of a second group is forward-biased.
  • the current flow is measured by means of the signal processing means via the electrical conductor track of a first group, the diode connected in the forward direction at the crossing point and the electrical conductor tracks of a second group.
  • the previous steps are repeated to scan the individual matrix areas, with the electrical conductor track of the first and/or second group being different from the previous measurement when the current flow is measured again using the signal processing means.
  • the diode matrix is loaded in such a way that the diodes are operated in the reverse direction, while the diode matrix is used to check the integrity of a special conductor path and thus the integrity of the surface to be monitored for one row and one column is applied in the opposite direction, ie in the conducting direction of the diodes, so that a continuity test can be carried out.
  • a diode matrix with up to n by m crossing points can be queried with this sensor arrangement for structure monitoring, with damage being able to be precisely localized by stepwise testing of the conductor paths via the row conductors and column conductors of the diode matrix.
  • the total power consumption of the sensor arrangement for structural monitoring of the surface to be monitored is preferably measured. Since the power consumption of the electronics is very low compared to the sensor, damage to the surface to be monitored or an open contact point can be registered very quickly.
  • FIG. 1 schematically shows a device for structure monitoring according to a preferred exemplary embodiment in a normal state in a sectional view
  • FIG. 2 schematically shows the device for structure monitoring according to a preferred embodiment in a deformed state in a sectional view
  • FIG. 3 schematically shows a device for structure monitoring according to a further preferred exemplary embodiment in a normal state in a plan view.
  • 1 shows a structure monitoring device 1 according to a preferred embodiment.
  • the device 1 is shown in FIG. 1 in an undeformed normal state. In this state, the device 1 is applied to the surface 2 to be monitored.
  • the surface 2 to be monitored shows no damage, deformation or stretching. It is therefore in a target state.
  • the carrier layer 3 is arranged on the surface 2 to be monitored. Electrical conductor tracks 4 are arranged on the carrier layer 3 .
  • the carrier layer 3 comprises a plurality of incisions 5. In the exemplary embodiment shown here, the incisions 5 are arranged at a regular distance from one another. However, the spacing of the incisions 5 from one another can also vary.
  • the electrical conductor tracks 4 have contact points 6 . These contact points make it possible for the respective electrical conductor track 4 to be opened from a closed state and then closed again.
  • the electrical conductor tracks 4 are arranged on the carrier layer 3 in such a way that a respective contact point 6 is positioned over an incision 5 .
  • FIG. 2 shows the structure monitoring device 1 from FIG. 1 in a deformed state.
  • the surface 2 to be monitored is deformed by an outwardly oriented bulge. Due to the deformation of the surface 2 to be monitored, the carrier layer 3 is also deformed, so that an incision 5 opens. Due to the opened incision 5, the overlying contact point 6 of the respective electrical conductor 4 also opens, so that a current flow through this electrical conductor 4 is interrupted. If the deformation of the surface 2 to be monitored is eliminated, the surface 2 and the carrier layer 3 return to the normal state shown in FIG.
  • FIG. 3 shows a structure monitoring device 1 according to a further exemplary embodiment in the form of a diode matrix.
  • the electrical conductor tracks 4A, 4B are arranged on the carrier layer 3 in such a way that they form a network of column conductors 4A and row conductors form 4B.
  • a diode 8 is arranged at each crossing point, the diode 8 producing the connection between column conductors 4A and row conductors 4B, so that a network in the form of a diode matrix is formed.
  • Several contact points 6 are provided along the electrical conductor tracks 4A, 4B. These contact points 6 are arranged over incisions not shown in FIG. FIG.

Landscapes

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  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

The invention relates to a device for monitoring the structure (1) of a surface (2) which can be acted upon by the device, comprising a support layer (3) and a signal processing means (7A, 7B). Electric conductor paths (4) are applied onto the support layer (3), and the signal processing means (7A, 7B) is electrically connected to the electric conductor paths (4) in order to monitor an electric property thereof. The support layer (3) with the electric conductor paths (4) applied thereon is slotted in such a manner that the support layer (3) has cuts (5) which can be opened and the electric conductor paths (4) have contact points (6) which can be opened over the cuts such that when the cuts (5) are closed, the contact points (6) are also closed and when the cuts (5) are open, the contact point (6) are also open, said electric conductor paths (4) thus being reversibly interruptible. The conductor path (4) electric property which is monitored by the signal processing means (7A, 7B) is selected such that the electric property has a different value when the contact points (6) are closed than when the contact points (6) are open. In this manner, a device for monitoring structures (1) is provided which can be produced inexpensively and which can be used in a flexible manner and is reusable.

Description

Vorrichtung zur Strukturüberwachung einer Oberfläche Device for monitoring the structure of a surface
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strukturüberwachung einer mit der Vorrichtung beaufschlagbaren Oberfläche, umfassend eine Trägerschicht und ein Signalverarbeitungsmittel, wobei die Trägerschicht mit elektrischen Leiterbahnen beaufschlagt ist und das Signalverarbei- tungsmittel zur Überwachung einer elektrischen Eigenschaft der Leiterbahnen mit diesen elektrisch verbunden ist. The invention relates to a device for structural monitoring of a surface that can be acted upon by the device, comprising a carrier layer and a signal processing means, the carrier layer being acted upon by electrical conductor tracks and the signal processing means for monitoring an electrical property of the conductor tracks being electrically connected to them.
Strukturüberwachungen von Oberflächen finden in vielen Bereichen Anwendung, z.B. im Au- tomobilbau sowie im Maschinen- und Anlagenbau. Dabei wird unter Strukturüberwachung eine Überwachung verstanden, bei der Veränderungen an der Struktur einer Oberfläche, wie Risse, Beulen und Ähnliches, erkannt und angezeigt werden können. Damit soll es ermöglicht werden, auch kleinste Veränderungen anzuzeigen, die ansonsten unentdeckt blieben oder erst zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise im Rahmen einer Wartung, entdeckt werden würden. Structural monitoring of surfaces is used in many areas, e.g. in automobile construction as well as in mechanical and plant engineering. Structural monitoring is understood to mean monitoring in which changes in the structure of a surface, such as cracks, dents and the like, can be recognized and displayed. This should make it possible to display even the smallest changes that would otherwise remain undetected or would only be discovered at a later point in time, for example during maintenance.
Im Bereich der Automobilbranche wurden im Jahr 2020 in der Bundesrepublik Deutschland ca. 447.000 Neuzulassungen von Personenkraftwagen mit einem Hybrid-Antrieb registriert. Es wird erwartet, dass die Nachfrage nach Personenkraftwagen mit einem rein elektrischen oder einem Hybrid-Antrieb auch in Zukunft steigen wird. Dabei gelten gerade bei PKWs mit einem rein-elektrischen oder teil-elektrischen Antrieb hinsichtlich der Batterie besondere Sicherheits- bestimmungen. Die Batterie eines PKWs wird in einem Gehäuse gelagert, das auch als „Casing“ bezeichnet wird. Es ist von besonderem Interesse, Beschädigungen an den Batterie- gehäusen detektieren zu können, um eine Warnung an den Fahrer ausgeben zu können, da ein beschädigtes Batteriegehäuse ein hohes Sicherheitsrisiko darstellt. Bodenwellen oder andere Unebenheiten des Fahrbahnbelags können dafür sorgen, dass ein PKW „aufsetzt“, also mit ein- zelnen Bauteilen den Boden berührt. Dabei kann es insbesondere zu Verformungen des Batte- riegehäuses kommen. Ist die Verformung zu groß, stößt das Batteriegehäuse gegen die Batterie und kann einen späteren Brand verursachen. Folglich ist es von besonderem Interesse, die Ober- fläche des Batteriegehäuses überwachen und beim Überschreiten einer Grenzverformung eine Meldung ausgeben zu können. Verfahren aus der Materialprüfung zur zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen, wie Ultra- schall, Röntgen und Thermografie, stoßen bei der Beurteilung von Schädigungen schnell an ihre Grenzen. Ein Nachteil dieser Verfahren ist, dass sie nicht während des Betriebs durchge- führt werden können oder teure Prüfgeräte und aufwendige Prüfverfahren bedürfen. Die damit verbundenen hohen Kosten für derartige Strukturüberwachungssysteme sind der Grund, warum eine derartige Strukturüberwachung im Alltag keine Anwendung findet. Daher besteht ein ho- her Bedarf an Systemen zur Überwachung des Zustandes einer zu überwachenden Oberfläche, welche Systeme kostengünstig bereitgestellt werden können. In the automotive industry, around 447,000 new passenger cars with a hybrid drive were registered in Germany in 2020. It is expected that the demand for passenger cars with a purely electric or hybrid drive will continue to increase in the future. Special safety regulations apply to cars with a purely electric or partially electric drive with regard to the battery. The battery of a car is stored in a housing, which is also known as a "casing". It is of particular interest to be able to detect damage to the battery housing in order to be able to issue a warning to the driver, since a damaged battery housing represents a high safety risk. Bumps in the road or other bumps in the road surface can cause a car to "land", i.e. individual components touching the ground. In particular, this can lead to deformation of the battery housing. If the deformation is too large, the battery case will hit the battery and may cause a fire later. Consequently, it is of particular interest to be able to monitor the surface of the battery housing and to issue a message when a limit deformation is exceeded. Methods from materials testing for non-destructive testing of components, such as ultrasound, X-ray and thermography, quickly reach their limits when assessing damage. A disadvantage of these methods is that they cannot be carried out during operation or they require expensive test equipment and complex test methods. The associated high costs for such structure monitoring systems are the reason why such structure monitoring is not used in everyday life. There is therefore a high demand for systems for monitoring the state of a surface to be monitored, which systems can be provided at low cost.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Strukturüberwachungssysteme erfordern typischer- weise die Integration der Strukturüberwachungssysteme in den zu überwachenden Werkstoff. Beispielsweise werden elektrische Leiter in den Werkstoff eingearbeitet. Veränderungen in den elektrischen Eigenschaften der Leiter sowie Brüche der Leiter lassen dabei auf eine Schädigung des zu überwachenden Werkstoffs schließen. Diesbezüglich sei exemplarisch auf die EP 3 430 364 Bl verwiesen. The structure monitoring systems known from the prior art typically require the integration of the structure monitoring systems into the material to be monitored. For example, electrical conductors are incorporated into the material. Changes in the electrical properties of the conductors and breaks in the conductors indicate damage to the material to be monitored. In this regard, reference is made to EP 3 430 364 B1 as an example.
Die US 2017 / 0048 965 Al beschreibt ein flexibles Substrat zum Erfassen von Verformungen unter Verwendung eines aus einem leitfähigen Material gebildeten Musters. Das deformations- erfassende flexible Substrat, das das aus dem leitfähigen Material gebildete Muster verwendet, umfasst ein flexibles Substrat und leitfähige Muster, in denen Leiter, die ein leitfähiges Material enthalten, so angeordnet und ausgebildet sind, dass sie auf der Grundlage der Verformung des flexiblen Substrats miteinander in Kontakt treten können und nicht in Kontakt treten. US 2017/0048 965 A1 describes a flexible substrate for detecting deformations using a pattern formed from a conductive material. The deformation-detecting flexible substrate using the pattern formed from the conductive material comprises a flexible substrate and conductive patterns in which conductors containing a conductive material are arranged and formed so as to be based on the deformation of the flexible Substrate can come into contact with each other and not come into contact.
Die US 2020 / 0 240 763 Al beschreibt einen Sensor zur Erkennung einer Biegung in einer flexiblen Anzeigevorrichtung. Der Sensor umfasst ein erstes flexibles Basissubstrat und eine erste Elektrodenschicht auf einer Seite des ersten flexiblen Basissubstrats. Die erste Elektro- denschicht umfasst ein Array aus einer Vielzahl von ersten Elektroden, die so konfiguriert sind, dass sie eine erste Biegung in eine erste Biegerichtung relativ zu einer Oberfläche des ersten flexiblen Basissubstrats erfassen. US 2020/0 240 763 A1 describes a sensor for detecting a bend in a flexible display device. The sensor includes a first flexible base substrate and a first electrode layer on one side of the first flexible base substrate. The first electrode layer includes an array of a plurality of first electrodes configured so that they detect a first bending in a first bending direction relative to a surface of the first flexible base substrate.
Die CN 1 11 722 723 A beschreibt einen bidirektionalen flexiblen Biegesensor, ein Zeichen- spracherkennungssystem und ein Zeichenspracherkennungsverfahren, wobei der bidirektionale flexible Biegesensor ein flexibles Substrat, Mikrosäulen vom Array-Typ und eine leitende Schicht umfasst und das flexible Substrat die untere Schicht des bidirektionalen flexiblen Bie- gesensors bildet. CN 1 11 722 723 A describes a bidirectional flexible bending sensor, a sign language recognition system and a sign language recognition method, the bidirectional flexible bending sensor comprising a flexible substrate, array-type micropillars and a conductive layer and the flexible substrate comprising the lower layer of the bidirectional flexible bending sensor forms.
Die DE 10 2013 006 809 Al beschreibt eine Batterie für einen Kraftwagen, mit wenigstens einem Gehäuse, in welchem zumindest ein Speicherelement zum Speichern von elektrischer Energie aufgenommen ist, wobei wenigstens eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Deformation zumindest eines Teilbereichs des Gehäuses vorgesehen ist. DE 10 2013 006 809 A1 describes a battery for a motor vehicle with at least one housing in which at least one storage element for storing electrical energy is accommodated, with at least one detection device for detecting a deformation of at least a partial area of the housing being provided.
Diese integrierten Strukturüberwachungssysteme haben den Nachteil, dass die Integration des Strukturüberwachungssystems in den zu überwachenden Werkstoff kostenintensiv und aufwen- dig ist. Daher sind sie nicht für den breiten Einsatz bei beispielsweise Batteriegehäusen in PKWs mit rein- oder teil-elektrischem Antrieb geeignet, da die hohen Kosten dieser Struktu- rüberwachungssysteme für den Endverbraucher des PKWs nicht tragbar wären. These integrated structure monitoring systems have the disadvantage that the integration of the structure monitoring system into the material to be monitored is expensive and complex. They are therefore not suitable for widespread use, for example in battery housings in cars with purely or partially electric drives, since the high costs of these structure monitoring systems would not be affordable for the end user of the car.
Ferner kann ein integriertes Strukturüberwachungssystem, das durch Beschädigung oder Brü- che der elektrischen Leiter einen Schaden detektiert hat, nicht wiederverwendet werden. Dies ist aber beispielsweise bei elastischen Deformationen der zu überwachenden Oberfläche von großer Wichtigkeit. Vielmehr muss bei einmaliger Beschädigung der elektrischen Leiter das Strukturüberwachungssystem zumindest teilweise ausgetauscht werden. Dadurch, dass die elektrischen Leiter jedoch in dem Werkstoff integriert sind, ist ein Austausch der elektrischen Leiter zur Wiederverwendung des Strukturüberwachungssystems nicht ohne weiteres möglich. Die aus dem Stand der Technik bekannten Strukturüberwachungssystemen erlauben es bisher nicht, eine in der Montage simple, kostengünstige sowie wiederverwendbare Möglichkeit zur S trukturüberwachung bereitzu stellen . Furthermore, an integrated structure monitoring system that has detected damage due to damage or breaks in the electrical conductors cannot be reused. However, this is of great importance, for example, in the case of elastic deformations of the surface to be monitored. Rather, if the electrical conductors are damaged once, the structure monitoring system must be at least partially replaced. However, because the electrical conductors are integrated into the material, it is not readily possible to exchange the electrical conductors for reusing the structure monitoring system. The structure monitoring systems known from the prior art have so far not made it possible to provide a structure monitoring option that is simple to install, inexpensive and reusable.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Strukturüberwachung bereitzustellen, die einfach zu montieren und kostengünstig herstellbar ist sowie auch im Falle einer elastischen oder reparierbaren (Ausbeulen) plastischen Deformation der zu überwachen- den Oberfläche wiederverwendet werden kann. Proceeding from this, it is the object of the invention to provide a device for structure monitoring that is easy to assemble and inexpensive to produce and can also be reused in the event of an elastic or repairable (buckling) plastic deformation of the surface to be monitored.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiter- bildungen finden sich in den Unteransprüchen. This object is solved by the subject matter of patent claim 1. Preferred developments can be found in the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird damit eine Vorrichtung zur Strukturüberwachung einer mit der Vorrich- tung beaufschlagbaren Oberfläche bereitgestellt, die eine Trägerschicht und ein Signalverarbei- tungsmittel umfasst. Dabei ist die Trägerschicht mit elektrischen Leiterbahnen beaufschlagt und das Signalverarbeitungsmittel zur Überwachung einer elektrischen Eigenschaft der Leiterbah- nen mit diesen elektrisch verbunden. Die mit den elektrischen Leiterbahnen beaufschlagte Trä- gerschicht ist geschlitzt, so dass die Trägerschicht öffenbare Einschnitte und die elektrischen Leiterbahnen darüber öffenbare Kontaktstellen aufweisen, so dass bei geschlossenen Einschnit- ten auch die Kontaktstellen geschlossen sind und bei geöffneten Einschnitten auch die Kontakt- stellen geöffnet und damit die elektrischen Leiterbahnen reversibel unterbrochen sind. Die von dem Signalverarbeitungsmittel überwachte elektrische Eigenschaft der Leiterbahnen ist so ge- wählt, dass diese für den Fall geschlossener Kontaktstellen einen anderen Wert aufweist als bei geöffneten Kontaktstellen. According to the invention, a device for monitoring the structure of a surface that can be acted upon by the device is thus provided, which comprises a carrier layer and a signal processing means. In this case, the carrier layer is acted upon by electrical conductor tracks and the signal processing means for monitoring an electrical property of the conductor tracks is electrically connected to them. The carrier layer loaded with the electrical conductor tracks is slotted so that the carrier layer has incisions that can be opened and the electrical conductor tracks have contact points that can be opened above them, so that when the incisions are closed the contact points are also closed and when the incisions are open the contact points are also open and so that the electrical conductor tracks are reversibly interrupted. The electrical property of the conductor tracks monitored by the signal processing means is selected in such a way that it has a different value when the contact points are closed than when the contact points are open.
Es ist somit ein maßgeblicher Punkt der Erfindung, dass aufgrund der öffenbaren Einschnitte und den darüber liegenden öffenbaren Kontaktstellen der Leiterbahnen, welche Kontaktstellen sich bei einer Verformung der Trägerschicht öffnen, über die veränderte elektrische Eigenschaft der Leiterbahnen eine Beschädigung bzw. Verformung der zu überwachenden Oberfläche de- tektiert werden kann, vorzugsweise orts- und zeitaufgelöst. Wenn die Beschädigung, Verfor- mung oder Dehnung der zu überwachenden Oberfläche behoben werden kann, können sich die Einschnitte und Kontaktstellen der Leiterbahnen wieder schließen. Somit ist die Wieder- bzw. Weiterverwendung der Vorrichtung zur Strukturüberwachung gewährleistet. Die zur Überwa- chung wesentlichen Bestandteile, wie Leiterbahnen und Einschnitte, sind in bzw. auf der Trä- gerschicht angeordnet und nicht in die zu überwachenden Oberfläche integriert. Somit wird eine simple Montage ermöglicht, indem die Trägerschicht einfach auf die zu überwachende Oberfläche beaufschlagt werden kann, ohne dass eine Integration des Strukturüberwachungs- systems erforderlich ist. Dies ermöglich einen vielfältigen Einsatz, da nahezu jede Oberfläche, bei der eine Strukturüberwachung erwünscht ist, mit der Vorrichtung zur Strukturüberwachung beaufschlagt werden kann. It is therefore a crucial point of the invention that due to the openable incisions and the overlying openable contact points of the conductor tracks, which contact points open when the carrier layer is deformed, via the changed electrical property of the conductor tracks, damage or deformation of the surface to be monitored can be detected, preferably with spatial and temporal resolution. If the damage, deformation or stretching of the surface to be monitored can be repaired, the cuts and contact points of the conductor tracks can close again. This ensures that the structure monitoring device can be reused or reused. The essential components for monitoring, such as conductor tracks and incisions, are arranged in or on the carrier layer and are not integrated into the surface to be monitored. This enables simple assembly, in that the carrier layer can simply be applied to the surface to be monitored without the need for integration of the structure monitoring system. This enables a wide range of uses, since almost any surface for which structure monitoring is desired can be acted upon by the device for structure monitoring.
Vorliegend wird unter dem Begriff „Einschnitt“ auch ein Schlitz bzw. eine längliche schmale Öffnung in der Trägerschicht verstanden. Die Einschnitte sind in der Trägerschicht derart an- geordnet, dass sie sich bei einer Verformung der Trägerschicht öffnen und im unverformten Zustand geschlossen sind. In the present case, the term “incision” is also understood to mean a slit or an elongate, narrow opening in the carrier layer. The incisions are arranged in the carrier layer in such a way that they open when the carrier layer is deformed and are closed in the non-deformed state.
Ist vorliegend die Rede davon, dass „die elektrischen Leiterbahnen darüber öffenbare Kontakt- stellen aufweisen“, ist damit gemeint, dass die elektrischen Leiterbahnen flächig und schicht- weise auf der Trägerschicht angeordnet sind und jeweils eine Kontaktstelle der elektrischen Leiterbahn über einem Einschnitt oder in unmittelbarer Nähe seitlich des Einschnitts positio- niert ist. Dadurch kommt der Effekt zustande, bei dem ein Öffnen des Einschnittes das Öffnen der Kontaktstelle und somit das Öffnen der elektrischen Leiterbahn begründet. Die Einschnitte sind dabei quer bzw. nahezu senkrecht zur Längsachse der Trägerschicht orientiert. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Trägerschicht so ausgestaltet, dass sie einen Normalzustand und einen verformten Zustand annehmen kann, wobei im Nor- malzustand die Einschnitte geschlossen und im verformten Zustand die Einschnitte geöffnet sind. Die Anordnung aus Trägerschicht und elektrischen Leiterbahnen ist so gewählt, dass sich bei einer Verformung der Trägerschicht die Einschnitte öffnen und dadurch die elektrischen Leiterbahnen unterbrechen. Ist die Trägerschicht nicht verformt oder aus der Verformung in ihren ursprünglichen unverformten Zustand zurückgekehrt, also im Normalzustand, sind die Einschnitte geschlossen bzw. wieder geschlossen, so dass die elektrischen Leiterbahnen eben- falls (wieder) geschlossen sind. Somit kann die Vorrichtung zur Strukturüberwachung nach einer reversiblen Verformung als Sensoreinrichtung weiterverwendet werden, weil die Unter- brechungen der elektrischen Leiter über die Kontaktstellen wieder geschlossen werden können. If we are talking about “the electrical conductor tracks have contact points that can be opened”, this means that the electrical conductor tracks are arranged flat and in layers on the carrier layer and each contact point of the electrical conductor track is above an incision or in the immediate vicinity is positioned close to the side of the incision. This results in the effect that opening the incision causes the opening of the contact point and thus the opening of the electrical conductor track. The incisions are oriented transversely or almost perpendicularly to the longitudinal axis of the carrier layer. According to a preferred development of the invention, the carrier layer is designed in such a way that it can assume a normal state and a deformed state, the incisions being closed in the normal state and the incisions being open in the deformed state. The arrangement of the carrier layer and electrical conductor tracks is selected in such a way that the incisions open when the carrier layer is deformed, thereby interrupting the electrical conductor tracks. If the carrier layer is not deformed or has returned from the deformation to its original undeformed state, ie in the normal state, the incisions are closed or closed again, so that the electrical conductor tracks are also closed (again). The structure monitoring device can thus continue to be used as a sensor device after a reversible deformation, because the interruptions in the electrical conductors can be closed again via the contact points.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Trägerschicht eine Träger- platte oder eine Trägerfolie. Wie bereits erläutert, umfasst die Träger Schicht, also in diesem Fall die Trägerplatte oder Trägerfolie, die Leiterbahnen sowie die Einschnitte. Dadurch wird es ermöglicht, dass die Vorrichtung kostengünstig hergestellt und durch Beaufschlagen der zu überwachenden Oberfläche mit der Trägerfolie oder Trägerschicht in einfacher Weise auf der zu überwachenden Oberfläche angeordnet werden kann. Insbesondere ist die Trägerplatte oder Trägerfolie vorzugsweise zuschneidbar ausgestaltet, so dass sie für die jeweilige Anwendung und für die zu überwachende Oberfläche passend zugeschnitten werden kann. Ferner kann die Trägerplatte oder Trägerfolie auf nahezu jeder beliebigen Oberfläche, insbesondere auf groß- flächigen Strukturen, angeordnet werden. Damit wird ein vielseitiger Einsatz der Vorrichtung zur Strukturüberwachung ermöglicht. According to a preferred development of the invention, the carrier layer comprises a carrier plate or a carrier film. As already explained, the carrier layer, ie in this case the carrier plate or carrier foil, includes the conductor tracks and the incisions. This makes it possible for the device to be produced inexpensively and to be arranged in a simple manner on the surface to be monitored by applying the carrier foil or carrier layer to the surface to be monitored. In particular, the carrier plate or carrier foil is preferably designed such that it can be cut to size, so that it can be cut to fit the respective application and the surface to be monitored. Furthermore, the carrier plate or carrier foil can be arranged on almost any surface, in particular on large-area structures. This enables versatile use of the device for structure monitoring.
Grundsätzlich ist es möglich, einzelne Leiterbahnen in verschiedenen Ausrichtungen auf der Trägerschicht anzuordnen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die elektrischen Leiterbahnen in einer ersten Gruppe und in einer zweiten, von der ersten Gruppe verschiedene Gruppe angeordnet sind, wobei die elektrischen Leiterbahnen der ersten Gruppe in eine erste Richtung verlaufen, die elektrischen Leiterbahnen der zweiten Gruppe in eine von der ersten Richtung verschiedenen Richtung verlaufen und die elektrischen Leiterbahnen der ersten Gruppe schneiden und somit zusammen mit den Leiterbahnen der ers- ten Gruppe ein Netz aus n Zeilenleitem und m Spaltenleiter bilden, und in jedem Kreuzungs- bereich einer elektrischen Leiterbahn der ersten Gruppe mit einer elektrischen Leiterbahn der zweiten Gruppe eine Diode angeordnet ist, wobei mittels der Diode die Verbindung zwischen Zeilenleiter und Spaltenleiter herstellt ist, so dass ein Netzwerk in Form einer Dioden-Matrix gebildet ist. In principle, it is possible to arrange individual conductor tracks in different orientations on the carrier layer. According to a preferred development of the invention, however, it is provided that the electrical conductor tracks are arranged in a first group and in a second group that differs from the first group, the electrical conductor tracks of the first group run in a first direction, the electrical conductor tracks of the second group run in a direction different from the first direction and intersect the electrical conductor tracks of the first group and thus, together with the conductor tracks of the first group, form a network of n row conductors and m Form column conductors, and a diode is arranged in each crossing region of an electrical conductor track of the first group with an electrical conductor track of the second group, the connection between row conductor and column conductor being established by means of the diode, so that a network in the form of a diode matrix is formed.
Die einzelnen elektrischen Leiterbahnen werden also in einer Matrix- Verschaltung angeordnet. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass auch bei Beschädigung bzw. Verformung der zu überwachenden Oberfläche die Zuverlässigkeit der Strukturüberwachung nicht vermindert wird. Über das schrittweise Abtasten der Leiterwege über die Zeilen- und Spaltenleiter der Di- oden-Matrix wird ein geöffneter Einschnitt bzw. eine geöffnete Kontaktstelle lokalisierbar. Zu erwähnen ist, dass die Matrix- Verschaltung hier nur als schaltungstechnische Anordnung zu verstehen ist. Es ist nicht erforderlich, dass Zeilen- und Spaltenleiter in einer regelmäßigen Git- terverteilung angeordnet sind. Auch müssen sie nicht geradlinig und parallel bzw. senkrecht zueinander verlaufen. Notwendig ist es nur, dass die Kontaktstellen der Zeilen- und Spaltenlei- ter über den Einschnitten angeordnet sind. Folglich richtet sich die Anordnung der Zeilen- und Spaltenleiter nach der Positionierung der Einschnitte in der Trägerschicht. The individual electrical conductor tracks are therefore arranged in a matrix connection. In this way it can be ensured that the reliability of the structure monitoring is not reduced even if the surface to be monitored is damaged or deformed. An open incision or an open contact point can be localized by step-by-step scanning of the conductor paths via the row and column conductors of the diode matrix. It should be mentioned that the matrix connection is only to be understood as a circuit arrangement. It is not necessary for row and column conductors to be arranged in a regular grid distribution. They also do not have to run in a straight line and parallel or perpendicular to one another. It is only necessary that the contact points of the row and column conductors are arranged over the incisions. Consequently, the arrangement of the row and column conductors depends on the positioning of the incisions in the carrier layer.
Die oben erwähnte Dioden-Matrix wird in der Elektrotechnik auch als Passivmatrix bezeichnet, deren Beschaltung durch eine Vielzahl von zur Verfügung stehenden integrierten Bausteinen erfolgen kann. In einer Matrix-Konfiguration kann jeder Kreuzungspunkt der Matrix durch Ak- tivierung eines entsprechenden Spaltentreibers in Verbindung mit der Aktivierung eines ent- sprechenden Zeilentreibers einzeln angesteuert werden. Daher wird in einer bevorzugten Aus- führung sform jeder Kreuzungsbereich durch das Signalverarbeitungsmittel mittels Zeilen- und Spaltentreiber angesteuert. Die Aufgabe der Zeilen- und Spaltentreiber besteht in der zykli- schen Ansteuerung der Elektroden der Dioden mit unterschiedlichen Spannungen unterschied- licher Polarität. Vorzugsweise sind die Zeilen- und Spaltentreiber als Schieberegister ausgebil- det. Schieberegister gehören zu den Logikbausteinen und ermöglichen die parallele Ausgabe eines seriellen Datenstroms. Ein sich daraus ergebender Vorteil ist, dass Mikrocontroller mit deutlich weniger Ein-/Ausgängen verwendet werden können als Zeilen und Spalten vorhanden sind. Vorzugsweise ist das Signalverarbeitungsmittel als anwendungsspezifische integrierte Schaltung ausgebildet. The diode matrix mentioned above is also referred to in electrical engineering as a passive matrix, which can be wired using a large number of available integrated components. In a matrix configuration, each crossing point of the matrix can be driven individually by activating a corresponding column driver in conjunction with activating a corresponding row driver. Therefore, in a preferred embodiment, each crossing area is sform by the signal processing means using line and Column driver controlled. The task of the row and column drivers is to cyclically drive the electrodes of the diodes with different voltages of different polarity. The row and column drivers are preferably designed as shift registers. Shift registers are part of the logic components and enable the parallel output of a serial data stream. A resulting benefit is that microcontrollers can be used with far fewer inputs/outputs than there are rows and columns. The signal processing means is preferably designed as an application-specific integrated circuit.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Einschnitte in der ersten Rich- tung und/oder in der zweiten Richtung in variierenden Abständen zueinander in der Träger- schicht angeordnet. Die Positionierung der Einschnitte, insbesondere die Abstände der Ein- schnitte zueinander, kann insbesondere der Form und den Gegebenheiten der Struktur der zu überwachenden Oberfläche angepasst werden. According to a preferred development of the invention, the incisions are arranged in the carrier layer at varying distances from one another in the first direction and/or in the second direction. The positioning of the incisions, in particular the spacing of the incisions from one another, can be adapted in particular to the shape and structure of the surface to be monitored.
Dadurch dass die Position der elektrischen Leiterbahnen abhängig von der Position der Ein- schnitte ist, wird vorgegeben, dass auch der Abstand zwischen den Zeilenleitem oder der Ab- stand zwischen den Spaltenleitem oder der Abstand sowohl zwischen den Zeilen- als auch zwi- schen den Spaltenleitem über die Oberfläche der Trägerschicht hinweg variiert. Die Dichte der Einschnitte und somit die Dichte der Kontrollpunkte kann je nach zu überwachender Struktur abgestimmt werden, so dass Bereiche, in denen die Verformung präziser überwacht werden soll, auch eine höhere Dichte an Einschnitten aufweisen kann. The fact that the position of the electrical conductor tracks is dependent on the position of the incisions predetermines that the distance between the row conductors or the distance between the column conductors or the distance both between the row conductors and between the column conductors varies across the surface of the backing. The density of the incisions, and thus the density of the control points, can be tuned depending on the structure to be monitored, so that areas in which the deformation is to be monitored more precisely can also have a higher density of incisions.
Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass die Einschnitte diverse Längen aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen die Einschnitte eine Länge von < 1cm, bevorzugt < 0,5 cm, ganz besonders bevorzugt < 0,1cm auf. Die Länge der Einschnitte bezeichnet vorliegend die Tiefe der Einschnitte in die Trägerschicht. Grundsätzlich kann über die Länge der Einschnitte die Empfindlichkeit der Vorrichtung gesteuert werden. Je nach Länge der Einschnitte kann sich der Einschnitt bei einer stärkeren oder schwächeren Ver- formung öffnen, so dass das Öffnen der Kontaktstellen der elektrischen Leiter unter anderem von der Länge der Einschnitte in Kombination mit dem Grad der Beschädigung bzw. Verfor- mung abhängig ist. In principle, it is possible within the scope of the invention for the incisions to have various lengths. According to a preferred development of the invention, the incisions have a length of <1 cm, preferably <0.5 cm, very particularly preferably <0.1 cm. In the present case, the length of the incisions designates the depth of the incisions in the carrier layer. In principle, the sensitivity of the device can be controlled via the length of the incisions. je Depending on the length of the incisions, the incision can open with greater or lesser deformation, so that the opening of the contact points of the electrical conductors depends, among other things, on the length of the incisions in combination with the degree of damage or deformation.
Erfindungsgemäß ist ferner eine Anordnung zur Strukturüberwachung mit der oben beschrie- benen Vorrichtung vorgesehen, umfassend eine Trägerschicht ein, Signalverarbeitungsmittel und eine zu überwachenden Oberfläche, wobei die zu überwachende Oberfläche mit der Trä- gerschicht beaufschlagt ist. According to the invention, an arrangement for structure monitoring is also provided with the device described above, comprising a carrier layer, signal processing means and a surface to be monitored, the carrier layer being applied to the surface to be monitored.
Vorzugsweise ist die Verformbarkeit an die zu überwachende Oberfläche angepasst. Die Ver- formbarkeit der Trägerschicht ist durch eine vorbestimmte Grenzverformung fest definiert. Ab- hängig von der Verformbarkeit der Trägerschicht kann die Strukturüberwachung sensibler oder robuster gestaltet werden. Sollen schon kleinste Beschädigungen der zu überwachenden Ober- fläche detektiert werden, weist die Trägerschicht eine hohe Verformbarkeit auf, so dass sie sich schon bei kleinsten Beschädigungen verformt. Sollen jedoch lediglich große Beschädigungen der zu überwachenden Oberfläche detektiert werden, weist die Trägerschicht eine niedrige Ver- formbarkeit auf, so dass sie sich erst bei stärkeren Beschädigungen verformt. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Verformbarkeit über die gesamte Fläche der Trägerschicht variiert, so dass es Bereiche gibt, in denen die Verformbarkeit niedrig ist und es Bereiche gibt, in denen die Verformbarkeit hoch ist. The deformability is preferably adapted to the surface to be monitored. The deformability of the carrier layer is firmly defined by a predetermined limit deformation. Depending on the deformability of the carrier layer, the structural monitoring can be made more sensitive or more robust. If even the smallest damage to the surface to be monitored is to be detected, the carrier layer has a high degree of deformability, so that it deforms even with the smallest damage. However, if only major damage to the surface to be monitored is to be detected, the carrier layer has low deformability, so that it only deforms when the damage is severe. Provision is preferably made for the deformability to vary over the entire surface of the carrier layer, so that there are areas in which the deformability is low and there are areas in which the deformability is high.
Die Trägerschicht wird flächig auf der zu überwachenden Oberfläche angeordnet. Die Fixie- rung der Trägerschicht auf der zu überwachenden Oberfläche erfolgt beispielsweise durch eine Verklebung, so dass der Kontakt zwischen der Trägerschicht und der zu überwachenden Ober- fläche vollständig über die gesamte Fläche der Trägerschicht gewährleistet ist und somit eine zuverlässige Strukturüberwachung bereitgestellt werden kann. Die bestimmungsgemäße Verwendung der zuvor beschriebenen Vorrichtung sieht die Durch- führung einer Überwachung der Struktur einer zu überwachenden Oberfläche vor. Dazu werden in einem ersten Schritt, nachdem die Vorrichtung auf der zu überwachenden Oberfläche ange- ordnet wurde, die elektrischen Leiterbahnen mittels des Signalverarbeitungsmittels mit einer Spannung beaufschlagt. Anschließend wird der Stromfluss mittels des Signalverarbeitungsmit- tels über die elektrischen Leiterbahnen gemessen. Daraufhin kann ein Schaden - sofern vor- handen - auf Grund einer Unterbrechung des Stromflusses durch eine geöffnete Kontaktstelle einer elektrischen Leiterbahn erfasst werden. Der Schaden kann dabei eine Beschädigung, Ver- formung oder Dehnung sein, sofern dadurch die Einschnitte der Trägerschicht geöffnet werden. The carrier layer is arranged flat on the surface to be monitored. The carrier layer is fixed to the surface to be monitored by gluing, for example, so that contact between the carrier layer and the surface to be monitored is ensured over the entire surface of the carrier layer and reliable structure monitoring can thus be provided. The intended use of the device described above provides for the implementation of a monitoring of the structure of a surface to be monitored. For this purpose, in a first step, after the device has been arranged on the surface to be monitored, a voltage is applied to the electrical conductor tracks by means of the signal processing means. The current flow is then measured by the signal processing means via the electrical conductor tracks. Damage - if present - can then be detected due to an interruption in the flow of current through an open contact point of an electrical conductor track. The damage can be damage, deformation or stretching if the cuts in the carrier layer are opened as a result.
Das Lokalisieren des Schadens kann über eine Dioden-Matrix erfolgen. Dazu wird die Dioden- Matrix in einem ersten Schritt mittels des Signalverarbeitungsmittels über die elektrischen Lei- terbahnen einer ersten Gruppe und den elektrischen Leiterbahnen einer zweiten Gruppe mit einer Spannung in einer solchen Form beaufschlagt, dass die im Kreuzungsbereich der elektri- schen Leiterbahnen einer ersten Gruppe und der elektrischen Leiterbahnen einer zweiten Gruppe geschalteten Dioden der Dioden-Matrix in Sperrrichtung betrieben werden. Danach wird die Polarität der Spannung für eine elektrische Leiterbahn einer ersten Gruppe und einer elektrischen Leiterbahnen einer zweiten Gruppe umgekehrt, wodurch die im Kreuzungsbereich der elektrischen Leiterbahn einer ersten Gruppe und einer elektrischen Leiterbahnen einer zwei- ten Gruppe geschaltete Diode in Durchlassrichtung betrieben wird. Parallel erfolgt die Messung des Stromflusses mittels des Signalverarbeitungsmittels über die elektrische Leiterbahn einer ersten Gruppe, der im Kreuzungspunkt in Durchlassrichtung geschalteten Diode und der elektrischen Leiterbahnen einer zweiten Gruppe. Zum Abtasten der einzelnen Matrix-Bereich werden die vorherigen Schritte wiederholt, wobei bei einer erneuten Messung des Stromflusses mittels des Signalverarbeitungsmittels die elektrische Leiterbahn der ersten und/oder zweiten Gruppe verschieden ist von der vorherigen Messung. Folglich wird zur Durchgangsprüfung eines Leiterwegs über die Zeilenleiter und Spaltenleiter der Dioden-Matrix diese derart beaufschlagt, dass die Dioden in Sperrrichtung betrieben wer- den, während die Dioden-Matrix zur Überprüfung der Intaktheit eines speziellen Leiterweges und damit der Intaktheit der zu überwachenden Oberfläche für jeweils eine Zeile und eine Spalte in umgekehrter Richtung beaufschlagt wird, d.h. in Durchlassrichtung der Dioden, so dass eine Durchgangsprüfung erfolgen kann. Mit dieser Sensoranordnung zur Strukturüberwa- chung kann eine Dioden-Matrix mit bis zu n mal m Kreuzungspunkten abgefragt werden, wobei durch das schrittweise Testen der Leiterwege über die Zeilenleiter und Spaltenleiter der Dio- den-Matrix ein Schaden genau lokalisiert werden kann. The damage can be localized using a diode matrix. For this purpose, in a first step, the diode matrix is subjected to a voltage in such a form by means of the signal processing means via the electrical conductor tracks of a first group and the electrical conductor tracks of a second group that the voltage in the crossing area of the electrical conductor tracks of a first group and the electrical conductor tracks of a second group of switched diodes of the diode matrix are reverse-biased. Thereafter, the polarity of the voltage for an electrical trace of a first group and an electrical trace of a second group is reversed, as a result of which the diode connected in the crossing region of the electrical trace of a first group and an electrical trace of a second group is forward-biased. In parallel, the current flow is measured by means of the signal processing means via the electrical conductor track of a first group, the diode connected in the forward direction at the crossing point and the electrical conductor tracks of a second group. The previous steps are repeated to scan the individual matrix areas, with the electrical conductor track of the first and/or second group being different from the previous measurement when the current flow is measured again using the signal processing means. Consequently, to check the continuity of a conductor path via the row conductors and column conductors of the diode matrix, the diode matrix is loaded in such a way that the diodes are operated in the reverse direction, while the diode matrix is used to check the integrity of a special conductor path and thus the integrity of the surface to be monitored for one row and one column is applied in the opposite direction, ie in the conducting direction of the diodes, so that a continuity test can be carried out. A diode matrix with up to n by m crossing points can be queried with this sensor arrangement for structure monitoring, with damage being able to be precisely localized by stepwise testing of the conductor paths via the row conductors and column conductors of the diode matrix.
Vorzugsweise wird der gesamte Stromverbrauch der Sensoranordnung zur Strukturüberwa- chung der zu überwachenden Oberfläche gemessen. Da der Stromverbrauch der Elektronik im Vergleich zum Sensor sehr gering ist, kann eine Schädigung der zu überwachenden Oberfläche bzw. eine geöffnete Kontaktstelle sehr schnell registriert werden. The total power consumption of the sensor arrangement for structural monitoring of the surface to be monitored is preferably measured. Since the power consumption of the electronics is very low compared to the sensor, damage to the surface to be monitored or an open contact point can be registered very quickly.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfin- dung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter erläutert. The invention is explained in more detail below using a preferred exemplary embodiment of the invention with reference to the drawings.
In den Zeichnungen zeigen Show in the drawings
Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Strukturüberwachung gemäß einem bevorzug- tem Ausführungsbeispiel in einem Normalzustand in einer Schnittansicht, 1 schematically shows a device for structure monitoring according to a preferred exemplary embodiment in a normal state in a sectional view,
Fig. 2 schematisch die Vorrichtung zur Strukturüberwachung gemäß einem bevorzug- ten Ausführungsbeispiel in einem verformten Zustand in einer Schnittansicht, 2 schematically shows the device for structure monitoring according to a preferred embodiment in a deformed state in a sectional view,
Fig. 3 schematisch eine Vorrichtung zur Strukturüberwachung gemäß einem weiteren bevorzugtem Ausführungsbeispiel in einem Normalzustand in einer Draufsicht. Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Strukturüberwachung 1 gemäß einem bevorzugten Ausfüh- rung sbeispiel. Die Vorrichtung 1 wird in Fig. 1 in einem unverformten Normalzustand gezeigt. In diesem Zustand wird die Vorrichtung 1 auf die zu überwachenden Oberfläche 2 beaufschlagt. Die zu überwachende Oberfläche 2 weist keine Beschädigungen, Verformungen oder Dehnung auf. Sie liegt folglich in einem Soll-Zustand vor. Auf der zu überwachenden Oberfläche 2 ist die Trägerschicht 3 angeordnet. Auf der Trägerschicht 3 sind elektrische Leiterbahnen 4 ange- ordnet. Die Trägerschicht 3 umfasst mehrere Einschnitte 5. Die Einschnitte 5 sind in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel in einem regelmäßigen Abstand zueinander angeordnet. Der Abstand der Einschnitte 5 zueinander kann jedoch auch variieren. Die elektrischen Leiterbah- nen 4 weisen Kontaktstellen 6 auf. Diese Kontaktstellen ermöglichen es, dass die jeweilige elektrische Leiterbahn 4 aus einem geschlossenen Zustand heraus geöffnet und danach wieder geschlossen werden kann. Die elektrischen Leiterbahnen 4 sind derart auf der Trägerschicht 3 angeordnet, dass je eine Kontaktstelle 6 über einem Einschnitt 5 positioniert ist. 3 schematically shows a device for structure monitoring according to a further preferred exemplary embodiment in a normal state in a plan view. 1 shows a structure monitoring device 1 according to a preferred embodiment. The device 1 is shown in FIG. 1 in an undeformed normal state. In this state, the device 1 is applied to the surface 2 to be monitored. The surface 2 to be monitored shows no damage, deformation or stretching. It is therefore in a target state. The carrier layer 3 is arranged on the surface 2 to be monitored. Electrical conductor tracks 4 are arranged on the carrier layer 3 . The carrier layer 3 comprises a plurality of incisions 5. In the exemplary embodiment shown here, the incisions 5 are arranged at a regular distance from one another. However, the spacing of the incisions 5 from one another can also vary. The electrical conductor tracks 4 have contact points 6 . These contact points make it possible for the respective electrical conductor track 4 to be opened from a closed state and then closed again. The electrical conductor tracks 4 are arranged on the carrier layer 3 in such a way that a respective contact point 6 is positioned over an incision 5 .
Fig. 2 zeigt die Vorrichtung zur Strukturüberwachung 1 aus Fig. 1 in einem verformten Zustand. Die zu überwachende Oberfläche 2 ist durch eine nach außen orientierte Beule verformt. Durch die Verformung der zu überwachenden Oberfläche 2 verformt sich auch die Trägerschicht 3, so dass sich ein Einschnitt 5 öffnet. Auf Grund des geöffneten Einschnitts 5 öffnet sich auch die darüberliegende Kontaktstelle 6 der jeweiligen elektrischen Leiterbahn 4, so dass ein Strom- fluss durch diese elektrische Leiterbahn 4 unterbrochen wird. Wird die Verformung der zu überwachenden Oberfläche 2 behoben, kehrt die Oberfläche 2 und die Trägerschicht 3 in den in Fig. 1 gezeigten Normalzustand zurück. FIG. 2 shows the structure monitoring device 1 from FIG. 1 in a deformed state. The surface 2 to be monitored is deformed by an outwardly oriented bulge. Due to the deformation of the surface 2 to be monitored, the carrier layer 3 is also deformed, so that an incision 5 opens. Due to the opened incision 5, the overlying contact point 6 of the respective electrical conductor 4 also opens, so that a current flow through this electrical conductor 4 is interrupted. If the deformation of the surface 2 to be monitored is eliminated, the surface 2 and the carrier layer 3 return to the normal state shown in FIG.
Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Strukturüberwachung 1 gemäß einem weiteren Ausführungs- beispiel in Form einer Dioden-Matrix. Die elektrischen Leiterbahnen 4A, 4B sind auf der Trä- gerschicht 3 derart angeordnet, dass sie ein Netzwerk aus Spaltenleitem 4A und Zeilenleitern 4B bilden. An jedem Kreuzungspunkt ist eine Diode 8 angeordnet, wobei die Diode 8 die Ver- bindung zwischen Spaltenleitem 4A und Zeilenleitem 4B herstellt, so dass ein Netzwerk in Form einer Dioden-Matrix gebildet wird. Entlang der elektrischen Leiterbahnen 4A, 4B sind mehrere Kontaktstellen 6 vorgesehen. Diese Kontaktstellen 6 sind über in der Fig. 3 nicht ge- zeigten Einschnitten angeordnet. In der Fig. 3 wird verdeutlicht, dass die Einschnitte und die darüberliegenden Kontaktstellen 6 nicht in einem regelmäßigen Abstand zueinander angeord- net sein müssen. Um den Überwachungsbereich von besonderem Interesse A möglichst präzise überwachen zu können, sind in diesem Überwachungsbereich A die Einschnitte und Kontakt- stellen 6 dichter angeordnet. Wird die zu überwachende Oberfläche derart beschädigt, dass sich die Einschnitte öffnen, öffnen sich auch die darüberliegenden Kontaktstellen 6. Ein Schaden ist jetzt dadurch erkennbar, dass jede in den Kreuzungspunkten befindliche Diode 8 durch das Signalverarbeitungsmittel mittels Zeilentreiber 7B und Spaltentreiber 7A angesteuert werden kann, und Veränderungen des Stromflusses durch die Zeilenleiter 4B und Spaltenleiter 4A ge- messen werden können. 3 shows a structure monitoring device 1 according to a further exemplary embodiment in the form of a diode matrix. The electrical conductor tracks 4A, 4B are arranged on the carrier layer 3 in such a way that they form a network of column conductors 4A and row conductors form 4B. A diode 8 is arranged at each crossing point, the diode 8 producing the connection between column conductors 4A and row conductors 4B, so that a network in the form of a diode matrix is formed. Several contact points 6 are provided along the electrical conductor tracks 4A, 4B. These contact points 6 are arranged over incisions not shown in FIG. FIG. 3 makes it clear that the incisions and the contact points 6 above them do not have to be arranged at a regular distance from one another. In order to be able to monitor the monitored area of particular interest A as precisely as possible, the incisions and contact points 6 in this monitored area A are arranged more densely. If the surface to be monitored is damaged in such a way that the incisions open, the overlying contact points 6 also open. Damage can now be recognized by the fact that each diode 8 located at the crossing points can be controlled by the signal processing means using row drivers 7B and column drivers 7A. and changes in the current flow through the row conductors 4B and column conductors 4A can be measured.
Bezugszeichenliste Reference List
1 Vorrichtung zur Strukturüberwachung 1 structure monitoring device
2 zu überwachende Oberfläche 3 Trägerschicht 2 surface to be monitored 3 carrier layer
4 elektrische Leiterbahn 4 electrical conductor track
4A elektrische Leiterbahn der ersten Gruppe 4A electrical trace of the first group
4B elektrische Leiterbahn der zweiten Gruppe 4B electrical trace of the second group
5 Einschnitt 6 Kontaktstelle 7A Signalverarbeitungsmittel als Spaltentreiber 7B Signalverarbeitungsmittel als Zeilentreiber 8 Diode A Überwachungsbereich von besonderem Interesse 5 notch 6 pad 7A signal processing means as column driver 7B signal processing means as row driver 8 diode A monitor area of particular interest

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Vorrichtung zur Strukturüberwachung (1) einer mit der Vorrichtung beaufschlagbaren Oberfläche (2), umfassend eine Trägerschicht (3) und ein Signalverarbeitungsmittel (7A, 7B), wobei die Trägerschicht (3) mit elektrischen Leiterbahnen (4) beaufschlagt ist, das Signalverarbeitungsmittel (7A,7B) zur Überwachung einer elektrischen Eigenschaft der Leiterbahnen (4) mit diesen elektrisch verbunden ist, die mit den elektrischen Leiterbahnen (4) beaufschlagte Trägerschicht (3) geschlitzt ist, so dass die Trägerschicht (3) öffenbare Einschnitte (5) und die elektrischen Leiterbahnen (4) darüber öffenbare Kontaktstellen (6) aufweisen, so dass bei geschlossenen Einschnitten (5) auch die Kontaktstellen (6) geschlossen sind und bei geöffneten Einschnitten (5) auch die Kon- taktstellen (6) geöffnet und damit die elektrischen Leiterbahnen (4) reversibel unterbrochen sind, und die von dem Signalverarbeitungsmittel (7A, 7B) überwachte elektrische Eigenschaft der Leiterbahnen (4) so gewählt ist, dass diese für den Fall geschlossener Kontaktstellen (6) einen anderen Wert aufweist als bei geöffneten Kontaktstellen (6). 1. Device for structural monitoring (1) of a surface (2) that can be acted upon by the device, comprising a carrier layer (3) and a signal processing means (7A, 7B), wherein the carrier layer (3) has electrical conductor tracks (4) applied to it, the signal processing means (7A, 7B) is electrically connected to the conductor tracks (4) to monitor an electrical property of the latter, the carrier layer (3) loaded with the electrical conductor tracks (4) is slotted, so that the carrier layer (3) has openable incisions (5) and the electrical conductor tracks (4) have contact points (6) that can be opened, so that when the incisions (5) are closed, the contact points (6) are also closed and when the incisions (5) are open, the contact points (6) are also open and thus the electrical Conductor tracks (4) are reversibly interrupted, and the electrical property of the conductor tracks (4) monitored by the signal processing means (7A, 7B) is selected such that d This has a different value for the case of closed contact points (6) than for open contact points (6).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Trägerschicht (3) so ausgestaltet ist, dass sie einen Normalzustand und einen verformten Zustand annehmen kann, wobei im Normalzustand die Einschnitte (5) geschlossen und im verformten Zustand die Einschnitte (5) geöffnet sind. 2. Device according to claim 1, wherein the carrier layer (3) is designed such that it can assume a normal state and a deformed state, the incisions (5) being closed in the normal state and the incisions (5) being open in the deformed state.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Trägerschicht (3) eine Trägerplatte oder eine Trägerfolie umfasst. 3. Device according to claim 1 or 2, wherein the carrier layer (3) comprises a carrier plate or a carrier film.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die elektrischen Leiterbah- nen (4) in einer ersten Gruppe und in einer zweiten, von der ersten Gruppe verschiedene Gruppe angeordnet sind, wobei die elektrischen Leiterbahnen der ersten Gruppe (4A) in eine erste Richtung verlaufen, die elektrischen Leiterbahnen der zweiten Gruppe (4B) in eine von der ersten Richtung verschiedenen Richtung verlaufen und die elektrischen Leiterbahnen der ersten Gruppe (4A) schneiden und somit zusammen mit den Leiterbahnen der ersten Gruppe (4A) ein Netz aus n Zeilenleitern und m Spaltenleiter bilden, und in jedem Kreuzungsbereich einer elektrischen Leiterbahn der ersten Gruppe (4A) mit einer elektrischen Leiterbahn der zweiten Gruppe (4B) eine Diode (8) angeordnet ist, wobei mittels der Diode (8) die Verbindung zwischen Zeilenleiter und Spaltenleiter herstellt ist, so dass ein Netzwerk in Form einer Dioden-Matrix gebildet ist. 4. Device according to one of the preceding claims, wherein the electrical conductor tracks (4) are arranged in a first group and in a second group different from the first group, wherein the electrical tracks of the first group (4A) run in a first direction, the electrical tracks of the second group (4B) run in a direction different from the first direction and intersect the electrical tracks of the first group (4A) and thus together with the tracks of the first group (4A) form a network of n row conductors and m column conductors, and a diode (8) is arranged in each crossing region of an electrical conductor track of the first group (4A) and an electrical conductor track of the second group (4B), with the Diode (8) is the connection between row conductors and column conductors, so that a network is formed in the form of a diode matrix.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei jeder Kreuzungsbereich durch das Signalverarbei- tungsmittel mittels Zeilentreiber (7B) und Spaltentreiber (7A) ansteuerbar ist. 5. Device according to claim 4, wherein each crossing area can be controlled by the signal processing means by means of row drivers (7B) and column drivers (7A).
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Einschnitte (5) in der ersten Richtung und/oder in der zweiten Richtung in variierenden Abständen zueinander in der Trägerschicht (3) angeordnet sind. 6. Device according to one of the preceding claims, wherein the incisions (5) are arranged in the first direction and/or in the second direction at varying distances from one another in the carrier layer (3).
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Einschnitte (5) eine Länge von < 1cm, bevorzugt < 0,5 cm, ganz besonders bevorzugt < 0,1 cm aufweisen. 7. Device according to one of the preceding claims, wherein the incisions (5) have a length of <1 cm, preferably <0.5 cm, very particularly preferably <0.1 cm.
8. Anordnung zur Strukturüberwachung mit einer Vorrichtung (1) nach den Ansprüchen 1 bis 7, umfassend eine Trägerschicht (3) ein Signalverarbeitungsmittel (7A, 7B), und einer zu überwachenden Oberfläche (2), wobei die zu überwachende Oberfläche (2) mit der Träger- schicht (3) beaufschlagt ist. 8. Arrangement for structure monitoring with a device (1) according to claims 1 to 7, comprising a carrier layer (3), a signal processing means (7A, 7B), and a surface to be monitored (2), wherein the surface to be monitored (2) with the carrier layer (3) is applied.
9. Anordnung nach Anspruch 8, wobei die Oberfläche (2) wenigstens von einem Teil der Oberfläche eines Batteriegehäuses gebildet ist. 9. Arrangement according to claim 8, wherein the surface (2) is formed by at least a part of the surface of a battery housing.
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