WO2006024263A1 - Sensoranordnung und verfahren zur detektion des einflusses von auf konstruktionselementen wirkenden statischen und dynamischen belastungen - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement and a method using this sensor arrangement for the detection of static and dynamic loads acting on construction elements.
  • it can be advantageously used for investigations on constructional elements configured in many different ways, wherein a complex evaluation with regard to the strength of the respective construction elements and the materials used for the production is possible.
  • a long-term use of the invention on construction elements is also possible.
  • the invention can also be used in extreme examinations of construction elements, in which forces acting on the construction elements up to above the Breakage limit can occur.
  • strain gauges and deformations on construction elements with strain gauges are recorded and evaluated. Strain gauges are able to detect especially low-frequency Mess ⁇ signals with high accuracy.
  • acceleration sensors are also used on construction elements which can detect measurement signals in the frequency range, starting from approximately 10 Hz up to 10 kHz.
  • sound emission analyzes are carried out on construction elements, in which case measurement signals having further increased frequencies in the frequency band between approximately 20 kHz and 2 MHz must be recorded and evaluated as ultrasound in the form of structure-borne noise.
  • the designated sensors can detect measurement signals in the respective frequency ranges and correspondingly provide specific information about the respective state of a design element.
  • these different sensors would have to be used on a respective construction element, whereby separate detection and evaluation of the respective measurement signals of the different sensors must be carried out.
  • the time reference of measured signals recorded with the different sensors and subsequently evaluated is likewise not possible without further ado, since the respective measuring signals in the case of the known solutions each have to be supplied to an electronic evaluation via separate measuring channels.
  • the cost factor for acoustic emission sensors and acceleration sensors has a negative effect and, as already mentioned, sound emission sensors and acceleration sensors have a corresponding increased volume and accordingly a larger mass, which can lead to erroneous detection of measurement signals.
  • the sensor arrangement according to the invention is designed such that at least one piezo fiber sensor and strain gauges are fi xed on a common carrier. Both piezo fiber sensor and strain gauges are connected to a common electronic evaluation unit.
  • the carrier can be firmly, but preferably detachably, attached to the respective constructional element.
  • the support is designed in the form of a flexible film which, due to its flexibility, can be adapted to different surface contours of construction elements and thus full-surface attachment of such a support, at least for the surface regions where the piezo fiber sensor and Strain gauges are connected to the carrier is possible.
  • the attachment of the carrier can preferably be carried out in a substance-tight manner, for which purpose a suitable adhesion promoter can be used in particular.
  • a surface of such a flexible carrier is then coated with the adhesion promoter so that the adhesion promoter realizes the material-locking connection of the carrier with the piezo fiber sensor and strain gauges.
  • Piezo fiber sensor and strain gauges can be connected to the electronic evaluation unit via thin strip conductors, which are likewise arranged on the surface of the carrier and connected thereto.
  • the printed conductors can be printed or wet-chemically produced, as in the case of conventional printed circuit boards, and the detected measurement signals fed to at least one semiconductor component which can fulfill the function of the electronic evaluation unit.
  • a time-related detection and subsequent evaluation of the different measurement signals should also be carried out.
  • the measurement signals acquired simultaneously with the different sensors, namely the piezo fiber sensor and the strain gauges should also be evaluated with corresponding time-resolved resolution.
  • a corresponding assignment of the different measuring signals can then take place, so that with knowledge of the load acting on the constructional element at the respective time, a corresponding reference to this load can also be produced.
  • the corresponding measuring signals can also be compressed and subsequently transmitted to an electronic data processing system in compressed form.
  • piezo-fiber sensors can also damage such as e.g. Cracks or breaks in construction elements can be detected, since they can be detected via structure-borne sound waves and optionally also localized.
  • Sensors can almost be limited to a single one Position, so that compared to known Lösun ⁇ conditions an improved location reference can be achieved.
  • Figure 1 in schematic form an example of a inventive sensor arrangement.
  • an electronic evaluation unit 4 has been glued on a thin plastic film with a thickness of ⁇ 1 mm. Be about connecting lines
  • strain gauges 3 and the fibers of the piezo fiber sensor 2 may coincide or deviate from one another.
  • At the electronic evaluation unit 4 is a standardized interface for a possible Koch ⁇ transmission of measurement signals of the piezo fiber sensor 2 and the strain gauges 3, which may have already been preprocessed and compressed in the electronic evaluation unit 4, provided to an electronic data processing system not shown here dar ⁇ .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Detektion des Einflusses von auf Konstruktionselementen wirkenden statischen und dynamischen Belastungen. Sie kann vorteilhaft an unterschiedlichst konfigurierten Konstruktionselementen eingesetzt werden und Untersuchungen gestatten, die eine komplexe Auswertung ihrer Festigkeit und der bei der Herstellung eingesetzten Werkstoffe ermöglichen. Es ist Aufgabe der Erfindung, den Einfluss von solchen Belastungen mit erhöhter Messgenauigkeit zu erfassen und mit geringem Aufwand auszuwerten. Dafür ist die erfindungsgemäße Sensoranordnung so ausgebildet, dass auf einem gemeinsamen an einem Konstruktionselement befestigbaren Träger (1) mindestens ein Piezofasersensor (2) und Dehnmessstreifen (3) fixiert sind. Piezofasersensor und Dehnmessstreifen sind außerdem an eine elektronische Auswerteeinheit (4) angeschlossen.

Description

Sensoranordnung und Verfahren zur Detektion des Ein¬ flusses von auf Konstruktionselementen wirkenden sta¬ tischen und dynamischen Belastungen
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung sowie ein Verfahren unter Verwendung dieser Sensoranordnung zur Detektion von auf Konstruktionselementen wirkenden statischen und dynamischen Belastungen. Sie kann ins¬ besondere vorteilhaft für Untersuchungen an unter- schiedlichst konfigurierten Konstruktionselementen eingesetzt werden, wobei eine komplexe Auswertung be¬ züglich der Festigkeit der jeweiligen Konstruktions- elemente und der für die Herstellung eingesetzten Werkstoffe möglich ist.
Es ist auch ein Langzeiteinsatz der Erfindung an Kon¬ struktionselementen möglich. Die Erfindung kann aber auch bei extremen Untersuchungen von Konstruktions- elementen eingesetzt werden, bei denen auf die Kon- struktionselemente wirkenden Kräfte bis oberhalb der Bruchgrenze auftreten können.
Für die in Rede stehenden Anwendungen sind für sich gesehen unterschiedliche Messsensoren und Messprinzi- pien bekannt. So werden beispielsweise Dehnungen und Verformungen an Konstruktionselementen mit Dehnmess- streifen erfasst und ausgewertet. Dehnmessstreifen sind in der Lage insbesondere niederfrequente Mess¬ signale mit hoher Messgenauigkeit zu erfassen.
Häufig werden an Konstruktionselementen auch Be¬ schleunigungssensoren eingesetzt, die Messsignale im Frequenzbereich, ausgehend von ca. 10 Hz bis hin zu 10 kHz erfassen können.
Daneben ist es auch üblich, dass Schallemissionsana¬ lysen an Konstruktionselementen durchgeführt werden, wobei hier Messsignale mit weiter erhöhten Frequenzen im Frequenzband zwischen ca. 20 kHz bis 2 MHz, die als Ultraschall in Form von Körperschall erfasst und ausgewertet werden müssen.
Die bezeichneten Sensoren können in den jeweiligen Frequenzbereichen Messsignale erfassen und entspre- chend spezifische Informationen über den jeweiligen Zustand eines Konstruktionselementes liefern.
Für komplexe Untersuchungen an Konstruktionselementen müssten dementsprechend diese unterschiedlichen Sen- soren an einem jeweiligen Konstruktionselement einge¬ setzt werden, wobei eine getrennte Erfassung und Aus¬ wertung der jeweiligen Messsignale der unterschiedli¬ chen Sensoren durchgeführt werden muss .
Da insbesondere für die Schallemissionsanalyse her¬ kömmliche geeignete Sensoren und auch Beschleuni- gungssensoren nicht beliebig miniaturisiert werden können, ist auch eine lokal getrennte Anordnung und Befestigung am jeweiligen Konstruktionselement erfor¬ derlich, so dass die entsprechend erfassten Messsig- nale nicht ohne weiteres vergleich- und reproduzier¬ bar sind.
Auch der Zeitbezug von mit den unterschiedlichen Sen¬ soren erfassten und nachfolgend auszuwertenden Mess- Signale ist nicht ohne weiters möglich, da die jewei¬ ligen Messsignale bei den bekannten Lösungen jeweils über getrennte Messkanäle einer elektronischen Aus¬ wertung zugeführt werden müssen.
Hierfür ist ein erhöhter Auswerteaufwand erforderlich und für die jeweiligen Messkanäle sind jeweils ge¬ trennte Verbindungsleitungen für die Übertragung der Messsignale erforderlich.
Insbesondere der Kostenfaktor für Schallemissionssen¬ soren und Beschleunigungssensoren wirkt sich nachtei¬ lig aus und, wie bereits angesprochen, weisen Schall- emissionssenoren und Beschleunigungssensoren ein ent¬ sprechendes vergrößertes Volumen und dementsprechend eine größere Masse auf, die zu einer fehlerbehafteten Erfassung von Messsignalen führen kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Lösung vorzu¬ schlagen, mit der der Einfluss auf unterschiedlichst ausgebildete und dimensionierte Konstruktionselemente wirkender statischer und dynamischer Belastungen mit erhöhter Messgenauigkeit erfasst und mit geringem Aufwand ausgewertet werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Sensor¬ anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst . Ein entsprechendes Verfahren unter Verwendung einer solchen Sensoranordnung ist mit dem Patentan¬ spruch 5 angegeben.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist dabei so ausgebildet, dass auf einem gemeinsamen Träger min¬ destens ein Piezofasersensor und Dehnmessstreifen fi¬ xiert sind. Sowohl Piezofasersensor, wie auch Dehn¬ messstreifen sind dabei an eine gemeinsame elektroni- sehe Auswerteeinheit angeschlossen. Der Träger kann fest, bevorzugt jedoch lösbar am jeweiligen Konstruk¬ tionselement befestigt werden.
In einer bevorzugten Ausführung ist der Träger in Form einer flexiblen Folie ausgebildet, die sich in¬ folge ihrer Flexibilität an unterschiedliche Oberflä¬ chenkonturen von Konstruktionselementen anpassen lässt und so eine vollflächige Befestigung eines sol¬ chen Trägers, zumindest für die Flächenbereiche, an denen Piezofasersensor und Dehnmessstreifen mit dem Träger verbunden sind, möglich ist.
Die Befestigung des Trägers kann bevorzugt Stoff- schlüssig erfolgen, wofür insbesondere ein geeigneter Haftvermittler eingesetzt werden kann. Dabei ist eine Oberfläche eines solchen flexiblen Trägers dann mit dem Haftvermittler beschichtet, so dass der Haftver¬ mittler die stoffschlüssige Verbindung von Träger mit Piezofasersensor und Dehnmessstreifen realisiert.
Bei einer solchen Befestigung des Trägers müssen am jeweiligen Konstruktionselement keine Veränderungen für eine Befestigung vorgenommen werden, so dass eine Verfälschung der erfassten Messsignale vermieden wer- den kann. Dieser Sachverhalt wird außerdem dadurch unterstützt, dass solche flexiblen Folien und auch die eingesetz¬ ten Sensoren eine geringe Eigenmasse aufweisen.
Piezofasersensor und Dehnmessstreifen können über dünne Leiterbahnen, die ebenfalls auf der Oberfläche des Trägers angeordnet und mit diesem verbunden sind, mit der elektronischen Auswerteeinheit verbunden sein. Die Leiterbahnen können beispielsweise aufge- druckt bzw. nasschemisch, wie bei herkömmlichen Lei¬ terplatten hergestellt worden sein und die erfassten Messsignale mit mindestens einem Halbleiterbauele¬ ment, das die Funktion der elektronischen Auswerte¬ einheit erfüllen kann, zuführen.
Vorteilhaft ist es außerdem, eine solche elektroni¬ schen Auswerteeinheit, die am jeweiligen Träger be¬ festigt ist, mit einer geeigneten Schnittstelle zu versehen, über die die mit dem Piezofasersensor und dem Dehnmessstreifen erfassten und gegebenenfalls vorverarbeiteten Messsignale einer elektronischen Da¬ tenverarbeitungsanlage zugeführt werden können, in der neben einer Speicherung eine Weiterverarbeitung und eine erweiterte Auswertung der unterschiedlichen Messsignale durchgeführt werden kann.
Dabei sollte neben einem Ortsbezug, der im Wesentli¬ chen durch die Befestigung des Trägers am Konstrukti¬ onselement hergestellt wird, auch eine zeitbezogene Erfassung und nachfolgende Auswertung der unter¬ schiedlichen Messsignale durchgeführt werden. So sol¬ len die mit den unterschiedlichen Sensoren, nämlich den Piezofasersensor und den Dehnmessstreifen zeit¬ gleich erfassten Messsignale auch entsprechend zeit- aufgelöst ausgewertet werden. Mit einem solchen Zeitbezug kann dann eine entspre¬ chende Zuordnung der unterschiedlichen Messsignale erfolgen, so dass bei Kenntnis der zum jeweiligen Zeitpunkt auf das Konstruktionselement wirkenden Be- lastung auch ein entsprechender Bezug zu dieser Be¬ lastung hergestellt werden kann.
Mit der elektronischen Auswerteeinheit, die unmittel¬ bar am Träger befestigt ist, können die entsprechen- den Messsignale auch komprimiert und nachfolgend dann an eine elektronische Datenverarbeitungsanlage in komprimierter Form übermittelt werden.
Mit der Erfindung können Strukturveränderungen an den jeweiligen Konstruktionselementen sowie den entspre¬ chenden Werkstoffen, aus denen diese Konstruktions- elemente hergestellt worden sind, detektiert werden. Mit Piezofasersensoren können aber auch Schäden, wie z.B. Risse oder Brüche an Konstruktionselementen er- kannt werden, da sie über Körperschallwellen detek¬ tiert und gegebenenfalls auch lokalisiert werden kön¬ nen.
Mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist eine Erfassung und Auswertung von Messsignalen in einem sehr großen Frequenzband möglich, so dass ein ent¬ sprechend erhöhter Informationsgehalt erreicht werden kann.
Außerdem können auch unterschiedliche Wellenmoden, z.B. symmetrische und asymmetrische Wellen, bei der Detektion erfasst und bei der Anwendung berücksich¬ tigt werden.
Die Messsignalerfassung mit den unterschiedlichen
Sensoren kann nahezu an einer einzigen eng begrenzten Position erfolgen, so dass gegenüber bekannten Lösun¬ gen ein verbesserter Ortsbezug erreichbar ist.
Durch die Befestigung der elektronischen Auswerteein- heit auf dem Träger, also in unmittelbarer Nähe von Piezofasersensor und Dehnmessstreifen wird nicht nur eine Verringerung des Aufwandes für die Herstellung von Verbindungsleitungen erreicht, sondern auch die Herstellung des Zeitbezuges der unterschiedlichen Messsignale ist verkürzt und verbessert.
Mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung wird in¬ folge deren geringer Eigenmasse auch nahezu keine Be¬ einflussung von mechanischen Eigenschaften des jewei- ligen Konstruktionselementes erreicht.
Sowohl die Anschaffungskosten für Piezofasersensor und Dehnmessstreifen, wie auch die Herstellungskosten für eine vollständige Sensoranordnung sind gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich reduziert.
Neben der bereits angesprochenen möglichen Erkennbar¬ keit von Brüchen oder einer Rissbildung an Konstruk¬ tionselementen -können auch andere Festigkeitsparame- ter, wie beispielsweise Elastizität und E-Modul be¬ stimmt werden.
Außerdem können Dauerfestigkeitsuntersuchungen durch¬ geführt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher er¬ läutert werden.
Dabei zeigt:
Figur 1 in schematischer Form ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
Hierbei ist auf einer dünnen Kunststofffolie, mit ei¬ ner Dicke < 1 mm eine elektronische Auswerteeinheit 4 aufgeklebt worden. Über Verbindungsleitungen werden
Messsignale von Dehnmessstreifen 3 und einem Piezofa- sersensor 2 zur elektronischen Auswerteeinheit 4 ü- bertragen.
Dabei kann die Ausrichtung von Dehnmessstreifen 3 und den Fasern des Piezofasersensors 2 übereinstimmen o- der auch voneinander abweichen.
Es können aber auch mehrere Dehnmessstreifen 3 mit unterschiedlicher Achsausrichtung auf einem Träger 1 befestigt sein. Insbesondere um eine Detektion mit einem größeren Frequenzspektrum und dann auch fre¬ quenzselektiv zu ermöglichen, können auch mehrere Piezofasersensoren 2 eingesetzt werden.
An der elektronischen Auswerteeinheit 4 ist eine standardisierte Schnittstelle für eine mögliche Über¬ tragung von Messsignalen des Piezofasersensors 2 und der Dehnmessstreifen 3, die gegebenenfalls bereits in der elektronischen Auswerteeinheit 4 vorverarbeitet und komprimiert worden sind, zu einer hier nicht dar¬ gestellten elektronischen Datenverarbeitungsanlage vorgesehen.

Claims

Patentansprüche
1. Sensoranordnung zur Detektion des Einflusses von auf Konstruktionselementen wirkenden statischen und dynamischen Belastungen, bei der
auf einem gemeinsamen an einem Konstruktionsele¬ ment befestigbaren Träger (1) mindestens ein Piezofasersensor (2) und Dehnmessstreifen (3) fixiert und Piezofasersensor (2) sowie Dehnmess¬ streifen (3) an eine elektronische Auswerteein¬ heit (4) angeschlossen sind.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) eine flexible Folie ist.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) mit¬ tels eines Haftvermittlers am Konstruktionsele¬ ment stoffschlüssig befestigbar ist.
4. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Auswerteeinheit (4) an eine elekt¬ ronische Datenverarbeitungseinheit angeschlossen ist .
5. Verfahren zur Detektion des Einflusses von auf Konstruktionselementen wirkenden statischen und dynamischen Belastungen unter Verwendung einer Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale des mindestens einen Piezofasersensors (2) und der Dehnmessstreifen (3) zeitgleich erfasst und zeitaufgelöst ausgewertet werden.
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