WO2010124872A1 - Verfahren zur optimierung eines sensornetzwerkes - Google Patents

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WO2010124872A1
WO2010124872A1 PCT/EP2010/002657 EP2010002657W WO2010124872A1 WO 2010124872 A1 WO2010124872 A1 WO 2010124872A1 EP 2010002657 W EP2010002657 W EP 2010002657W WO 2010124872 A1 WO2010124872 A1 WO 2010124872A1
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Artur Szewieczek
Wolfgang Hillger
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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    • G01N2291/269—Various geometry objects
    • G01N2291/2694—Wings or other aircraft parts

Definitions

  • the invention relates to a method for optimizing a sensor system for structure monitoring of the component by means of wave propagation.
  • the invention also relates to a computer program product and a device for this purpose.
  • a sensor system is understood to mean both a sensor system which is permanently connected to the component (for example piezoelectronic elements) and sensors which are coupled to the component in another way (air coupling, water gap). and scanning for example by means of laser interferometry sensors (air contact) or ultrasonic sensors (contact for example by means of air or water gap).
  • the sensor system should be optimized with regard to the position of the sensors, the number of sensors, the distance between the sensors and / or the shape of the sensors.
  • the present method it is now possible to determine the wave propagation in Within a component, which is to be examined with the aforementioned methods, to be analyzed so that the sensor system used is optimized with regard to the structure of the component.
  • the best possible position of the sensors can be determined relatively quickly and easily, without the need for elaborate examinations of the component.
  • a rasterized volume data set is first determined with respect to a wave propagation of the component, for example by applying a well-propagated wave propagation by means of e.g. firmly applied actuator within the component is scanned.
  • wave propagation can be represented graphically, for example, by means of a video animation.
  • a sensor position is determined at which a sensor is actually to be applied later.
  • the received signal is then calculated from the stored volume data set which would be received if it were actually and physically arranged at this position (below, of course, apart from the direct coupling by applying the sensors, also the coupling via air or other transferable media Understood).
  • the received signal of a sensor arranged on a component can be calculated from a volume data record without the need for costly and expensive investigations. It can thus be found out relatively quickly, which is the optimal position of a sensor or what is the optimal distance between the sensors.
  • a plurality of volume data records are included that contain different wave propagations and wave patterns, in particular those that are caused due to so-called impact damage.
  • Lamb waves in particular have the advantage that they spread over a large area with low attenuation and thus capture the entire component. In contrast to the ultrasonic test, in which the component must be scanned consuming punctiform, with the help of Lamb waves, the entire component can be detected. But there are also other waves conceivable, such as bending waves or Rayleigh waves and combinations thereof, which are suitable as a basis for the volume data set.
  • the component is scanned in a grid pattern (eg with a grid dot size of 1 ⁇ 1 mm), wherein at each grid point a wave propagation signal is detected and stored in the rastered volume data set, so that at Each grid point on the component results in a corresponding wave propagation signal.
  • a grid point is preferably relatively small to choose in order to achieve the greatest possible graduation.
  • the rastered volume data set thus contains a wave propagation signal for each raster point, so that a data set of the type
  • the received signal can now advantageously be calculated at a sensor position from a plurality of wave propagation signals at different raster points.
  • the wave propagation signals of the grid points are used for the calculation, which are located at the sensor position.
  • the grid points at the sensor position, which are used for the calculation, can be determined based on a sensor shape at the sensor position. In this case, only the wave propagation signals of the grid points which are covered by the sensor form are used. If a halftone dot is only partially covered by the sensor form, then the influence of this wave propagation signal on the overall calculation can be weighted depending on the covered area of the halftone dot.
  • the calculation takes place as a function of the sensor shape, since different sensor shapes determine different received signals.
  • various sensors are known, such. B. an interdigital transducer with comb-like shape or a sensor array. In doing so, e.g. in a sensor array consisting of a plurality of sensors, the received signal is calculated from the individual calculated received signals of the respective sensors of the array.
  • the received signal is further calculated as a function of a type of sensor at the sensor position, in particular one type of sensor with respect to the coupling.
  • receive signals can be calculated by sensors that are firmly connected to the component due to their nature. But it can also calculate received signals from sensors, which are provided by means of air coupling. Depending on these different characteristics of the sensor types, a wide variety of received signals can thus be determined as a function of the respective sensor types simulate.
  • the calculation of the received signals can be effected by summation of the wave propagation signals at the raster positions of the volume data records by averaging, interpolation, adaptation of the frequency response and / or wavelength and frequency filtering.
  • a received signal is calculated from the various wave propagation signals, which would result at the corresponding sensor position, the calculation methods being known and standardized methods for the person skilled in the art.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a lamb wave field of a CFRP
  • Figure 2 wave propagation signal (raw data) at a grid point
  • FIG. 1 shows the schematic and highly idealized representation of a Lamb wave field 2 propagating within a plate 4.
  • a round piezoelectric (PZT) actuator 1 was applied in the middle.
  • the plate was scanned with a broadband capacitive sensor (frequency range 10 Hz to 100 kHz) at a distance of a few millimeters meandering in a grid of 1 x 1 mm.
  • the piezoelectric actuator generates a wave field 2, which propagates in the CFRP plate.
  • the actuator 1 is in the middle of this embodiment firmly connected to the component.
  • a video animation can then be calculated from such a complete scan, with FIG. 1 schematically illustrating a snapshot 148 ⁇ s after the excitation of the piezoelectric actuator 1.
  • the wave propagation signals thus scanned at each raster point 5 are thus holistically stored as a rastered volume data set.
  • Figure 2 shows the wave propagation signal at a particular grid point (position 360, 122) as recorded by the capacitive sensor for 600 ⁇ s. It can be seen that after approximately 200 ⁇ s a corresponding rash occurs, which indicates that from this point on, the wave propagating in the component has arrived at this position.
  • FIG. 3 now shows a calculated received signal.
  • a sensor position (reference numeral 3 in FIG. 1) was determined, where the sensor position is a position at which an actual sensor can be applied to the component or a corresponding sensor is coupled to the component 4, for example by means of air contact .
  • the sensor position is a position at which an actual sensor can be applied to the component or a corresponding sensor is coupled to the component 4, for example by means of air contact .
  • the sensor position is a position at which an actual sensor can be applied to the component or a corresponding sensor is coupled to the component 4, for example by means of air contact .
  • the grid resolution As a rule, such a sensor is greater than the grid resolution used, several halftone dots 5 are covered by the piezoelectric sensor.
  • the grid points are indicated schematically in the upper right corner in FIG.
  • the received signal which would receive a sensor if it were actually applied or coupled to the component, is now calculated from the wave propagation signals which were determined at the grid points covered by the sensor position.
  • a received signal from a sensor can be calculated in advance without the need for elaborate examinations. The calculation can also be made depending on the future type of sensor or the sensor form.
  • FIG comb-like sensor shape has been selected.
  • Such a comb-like sensor form has the advantage that, generally speaking, it can filter out certain wavelengths (modes).
  • modes wavelengths
  • the grid points are connected, which are covered by the comb-like structure of the sensor 3. If a raster point is only partially covered by the sensor, then the area covered by the sensor at the raster point is determined, and depending on this covered area, the underlying wave propagation signal accordingly flows into the calculation.
  • sensor shapes generate different received signals, so that the received signals of different sensor shapes can be simulated on the basis of a previously performed scan of the component.
  • the interaction of the Lamb waves with the errors can be represented and the receive signal calculated at the equivalent sensor positions.
  • the change of the received signal can be determined by a fault, which is important in terms of the optimization of the sensor system.
  • the optimum position, shape, distance and number of sensors of the sensor system can be derived in order to be able to reliably detect structural damage within the component.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung eines zur Strukturüberwachung eines Bauteils (4) mittels Wellenausbreitung (2) eingerichteten Sensorsystems (1), mit den Schritten: Ermitteln mindestens eines gerasterten Volumendatensatzes bezüglich einer Wellenausbreitung (2) in zumindest einem Teilbereich des Bauteils (4) und Hinterlegen des mindestens einen gerasterten Volumendatensatzes, Bestimmen mindestens einer Sensorposition (3) innerhalb des Teilbereichs des Bauteils (4), und Berechnen eines Empfangssignals bezüglich der mindestens einen Sensorposition (3) in Abhängigkeit von in dem zumindest einen gerasterten Volumendatensatz an der Sensorposition (3) hinterlegten Wellenausbreitungssignalen zwecks Optimierung des Sensorsystems (1).

Description

Verfahren zur Optimierung eines Sensornetzwerkes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung eines zur Strukturüberwachung des Bauteils mittels Wellenausbreitung eingerichteten Sensorsystems. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Computerprogrammprodukt und eine Vorrichtung hierzu.
Um den Anforderungen moderner Geräte, Maschinen und Fahrzeugen jeglicher Art ge- recht zu werden, ist es notwendig geworden, die Bauteile immer komplexer zu gestalten. Dabei soll mithin die Herausforderung erreicht werden, die Festigkeit zu erhöhen und zugleich Gewicht einzusparen. Eine Möglichkeit bietet da zum Beispiel die Verwendung von kohlenstoffverstärkten Kunststoffen oder ähnliche Materialien, insbesondere Verbundwerkstoffen, die aufgrund ihres geringen Gewichtes und ihrer extremen Festigkeit eine attraktive Werkstoffalternative darstellen. Allerdings haben kohlenstoffverstärkte Kunststoffe den erheblichen Nachteil, dass bereits kleine Schlagschäden eine Beschädigungen in der Matrix hervorrufen, auch solche die mit dem bloßen Auge nicht sichtbar sind, und zu einer erheblichen Verringerung der Festigkeit des Bauteils führen können, was in sicherheitskritischen Anwendungsbereichen fatale Folgen haben könnte.
Gerade im Bereich des Flugzeugbaus können geringste Material oder Fertigungsfehler an sicherheitskritischen Bauteilen zu ernsthaften Folgen führen, die nicht zuletzt Menschenleben kosten können. Es werden daher bei Wartungsarbeiten solche kritischen Bauteile entsprechend intensiver untersucht, wobei es insbesondere darum geht, strukturelle Schäden innerhalb des Bauteils zu erkennen. Da sich die Bauteile meist an schwer zugänglichen Positionen innerhalb des Flugzeuges befinden, werden dadurch nicht nur die Wartungsarbeiten erschwert, sondern auch um ein vielfaches teurer.
In „Hillger, W.: Untersuchung an der Tail Unit eines Helikopters mit geführten Wellen, DGZfP- Jahrestagung 2007, Vortrag 50" wird beschrieben, wie mittels eines aktiven Verfahrens solche Bauteile, die zwecks Untersuchung beziehungsweise Wartung nicht sinnvollerweise ausgebaut werden können, trotzdem hinsichtlich struktureller Schäden untersucht werden können. Dazu wurde die Tail Unit eines Helikopters mittels geführter Wellen untersucht, um festzustellen, wie sich solche geführte Wellen auch in kom- plexen Bauteilen verhalten. Dabei steht das Ziel im Vordergrund, die entsprechende Überwachungstechnik direkt in das Bauteil zu integrieren, um das Bauteil in jeder Situation und zu jedem Zeitpunkt untersuchen zu können (man spricht in diesem Falle auch von Structural Health Monitoring-SHM).
Bei dem bekannten Verfahren des Structural Health Monitoring (SHM) werden Sender und Empfänger (Aktuatoren und Sensoren) fest mit dem Bauteil verbunden. Dabei werden von den Sendern beziehungsweise von den Aktuatoren Wellen ausgesendet, die sich in dem Bauteil entsprechend ausbreiten. Mittels entsprechender Empfänger beziehungsweise Sensoren kann dann die Wellenausbreitung aufgenommen werden und hin- sichtlich struktureller Schäden untersucht werden. Denn es wurde erkannt, dass bei strukturellen Schäden des Bauteils die ausgesendeten Wellen mit der Schadstelle inter- agieren und so das Wellenmuster gegenüber einem Bauteil ohne Strukturveränderungen entsprechend abweicht.
Es sind aber auch andere Sensorsysteme bekannt, die ein solches komplexes Bauteil zerstörungsfrei untersuchen können. So wird beispielsweise in „Krüger, M.: Mook, G.: Schadensdetektion adaptiver CFK-Piezokeramik-Verbunde mit Hilfe der Scanning La- servibrometrie, DGZfP-Tagung 2005" eine Prüftechnik beschrieben, bei der mittels einer in die CFK-Struktur integrierten Piezokeramik eine Wellenausbreitung innerhalb der zu untersuchenden CFK-Struktur forciert wird, die dann mit Hilfe der Scanning Laservibrometrie aufgenommen wird. Denn mit Hilfe von Scanning Laservibrometern beziehungsweise der Laserinterverometrie ist es möglich, elastomechanische Schwingungen und Wellen auf Bauteiloberflächen sichtbar zu machen und so die Wellenausbreitung innerhalb des Bauteils zu scannen, um anhand des aufgenommenen Wellen- musters entsprechende Strukturschäden erkennen zu können. Wie in dem Paper von Krüger et al. gezeigt, erzeugen strukturelle Schäden entsprechend charakteristische Wellenmuster, wobei es entscheidend darauf ankommt, welcher Teil der zu untersuchenden Bauteilstruktur gescannt wird. Auch die Platzierung der Piezokeramik als Ak- tuator der Wellenausbreitung ist entscheidend für das Erkennen der charakteristischen Wellenmuster und die Interaktion mit eventuellen Schadstellen.
Eine andere Form des Scannings des Bauteils wird in "Hillger, W.: Visualisation and Animation of the Lamp Wave Propagation in Composites, Proceedings of the 6ι International Workshop on structural Health Monitoring 2007, Stanford University, Stan- ford, CA, September 11-13, 2007, volume 1, pp. 145-152" beschrieben. Dabei wird ein Ultraschallsensor verwendet, der auf einem Wasserspalt gleitet, der sich auf dem zu untersuchenden Bauteil befindet. Wird nun das Bauteil mit einem entsprechenden Ak- tuator angeregt, so breitet sich diese Welle innerhalb des Bauteils aus und wird auf den Wasserspalt übertragen. Mit Hilfe des Ultraschallsensors kann dann die Schwingung des Wasserspalts abgegriffen werden.
Aufgrund der Komplexität der heutigen Bauteile, insbesondere im Bereich der kohlenstoffverstärkten Kunststoffe ist die Position des Scannings beziehungsweise die Platzierung der Sensoren eine wichtige Entscheidung. So ist es nicht selten, dass die kom- plexen Bauteile mit sogenannten Stringern versehen werden, die erheblichen Einfluss auf die Wellenausbreitung nehmen, so dass Impact- Schäden zwischen zwei solchen Stringern nicht erkannt werden können, wenn nicht auch ein entsprechender Aktuator beziehungsweise Sensor zwischen diesen Stringern angeordnet wird (vgl. „Hillger, W.: Lamb- Wellen zur Schadensanzeige in faserverstärkten Kunststoffen, DGZfP- Jahrestagung 2005, Beitrag P 12"). Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Optimierung eines solchen Sensorsystems anzugeben, ohne teuere Versuche an den Bauteilen selbst durchführen zu müssen.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch
Ermitteln mindestens eines gerasterten Volumendatensatzes bezüglich einer Wellenausbreitung in zumindest einem Teilbereich des Bauteils und Hinterlegen des mindestens einen gerasterten Volumendatensatzes,
Bestimmen mindestens einer Sensorposition innerhalb des Teilbereichs des Bauteils, und
Berechnen eines Empfangssignals bezüglich der mindestens einen Sensorposition in Abhängigkeit von in dem zumindest einen gerasterten Volumendatensatzes an der Sensorposition hinterlegten Wellenausbreitungssignalen zwecks Optimierung des Sensorsystems.
Als Sensorsystem wird in der vorliegenden Erfindung dabei sowohl ein Sensorsystem verstanden, welches fest mit dem Bauteil verbunden ist (zum Beispiel piezoelektroni- sche Elemente) als auch Sensoren, die an das Bauteil auf eine andere Weise (Luftan- kopplung, Wasserspalt) angekoppelt werden, und ein Scanning zum Beispiel mittels Laserinterferometrie-Sensoren (Luftkontakt) oder Ultraschall-Sensoren (Kontakt zum Beispiel mittels Luft- oder Wasserspalt) ermöglichen. Dabei soll das Sensorsystem hinsichtlich der Position der Sensoren, der Anzahl der Sensoren, der Abstand zwischen den Sensoren und/oder der Form der Sensoren optimiert werden.
Mit dem vorliegenden Verfahren wird es nunmehr möglich, die Wellenausbreitung in- nerhalb eines Bauteils, welches mit den vorhergenannten Verfahren untersucht werden soll, dahingehend zu analysieren, dass das verwendete Sensorsystem hinsichtlich der Struktur des Bauteils optimiert wird. Somit lässt sich unter anderem die bestmögliche Position der Sensoren relativ schnell und unkompliziert ermitteln, ohne dass es dafür aufwendiger Untersuchungen des Bauteils bedarf.
Um dies zu erreichen, wird zunächst ein gerasterter bzw. rasterförmiger Volumendatensatz bezüglich einer Wellenausbreitung des Bauteils ermittelt, indem beispielsweise eine definiert angeregte Wellenausbreitung mittels eines z.B. fest applizierten Aktua- tors innerhalb des Bauteils eingescannt wird. Solche Wellenausbreitungen lassen sich dabei zum Beispiel mit Hilfe einer Videoanimation grafisch darstellen.
Anschließend wird eine Sensorposition bestimmt, an der später einmal tatsächlich ein Sensor appliziert werden soll. An dieser Sensorposition wird nun aus dem hinterlegten Volumendatensatz das Empfangssignal berechnet, welches ein Sensor empfangen würde, wäre er tatsächlich und physikalisch an dieser Position angeordnet (unter angeordnet wird selbstverständlich neben der direkten Ankopplung durch applizieren der Sensoren auch die Ankopplung über Luft oder andere übertragbare Medien verstanden).
Somit lässt sich das Empfangssignal eines auf einem Bauteil angeordneten Sensors aus einem Volumendatensatz berechnen, ohne dass es dafür aufwendige und teure Untersuchungen bedarf. Es kann somit relativ schnell herausgefunden werden, welches die optimale Position eines Sensors oder was der optimale Abstand der Sensoren untereinander ist. Dabei ist es natürlich auch denkbar, dass mehrere Volumendatensätze aufge- nommen werden, die unterschiedliche Wellenausbreitungen und Wellenmuster enthalten, insbesondere solche, die aufgrund von sogenannten Impact-Schäden hervorgerufen werden. Durch die Simulation eines solchen Sensorsystems durch Berechnung von Empfangssignalen an bestimmten Sensorpositionen auf Grundlage eines zuvor eingescannten Wellenfeldes kann das Sensornetz beziehungsweise Sensorsystem einfach und kostengünstig optimiert werden. Ganz besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Volumendatensatz bezüglich einer Lamb-Wellenausbreitung ermittelt wird. Lamb- Wellen haben dabei insbesondere den Vorteil, dass sie sich mit kleiner Dämpfung großflächig ausbreiten und so das gesamte Bauteil erfassen. Im Gegensatz zur Ultraschallprüfung, bei der das Bauteil aufwendig punktförmig gescannt werden muss, kann mit Hilfe von Lamb-Wellen das gesamte Bauteil erfasst werden. Es sind aber auch andere Wellen denkbar, wie z.B. Biegewellen oder Rayleigh- Wellen sowie Kombinationen davon, die sich als Grundlage für den Volumendatensatz eignen.
Um den gerasterten Volumendatensatz zu ermitteln, ist es besonders vorteilhaft, wenn dazu das Bauteil rasterförmig gescannt wird (z.B. bei einer Rasterpunktgröße von 1 x 1 mm), wobei an jedem Rasterpunkt ein Wellenausbreitungssignal erfasst und in dem gerasterten Volumendatensatz hinterlegt wird, so dass sich an jedem Rasterpunkt auf dem Bauteil ein entsprechendes Wellenausbreitungssignal ergibt. Ein solcher Rasterpunkt wird dabei vorzugsweise relativ klein zu wählen sein, um eine größtmögliche Graduierung zu erreichen.
Dabei ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn bei dem rasterförmigen Scannen des Bau- teils an jedem Rasterpunkt eine neue Wellenausbreitung generiert wird, wobei die Wellenausbreitung mittels eines an dem Bauteil applizierten Aktuators erfolgen kann. Somit ergibt sich an jedem Rasterpunkt auf dem Bauteil eine tatsächliche Wellenausbreitung an dieser Position über die Zeit. Der gerasterte Volumendatensatz enthält demnach für jeden Rasterpunkt ein Wellenausbreitungssignal, so dass sich ein Datensatz der Art
Figure imgf000008_0001
ergibt, wobei t = die Zeit seit der Generierung der Wellenausbreitung und x, y die Rasterposition ist. Es ließe sich somit an jeder Rasterposition (x, y) ein natives Empfangs- signal über die Zeit (t) ermitteln. Aus einem solchen gerasterten Volumendatensatz kann nunmehr vorteilhafterweise das Empfangssignal an einer Sensorposition aus mehreren Wellenausbreitungssignalen an verschiedenen Rasterpunkten berechnet werden. Dabei werden die Wellenausbreitungs- signale der Rasterpunkte zur Berechnung herangezogen, die sich an der Sensorposition befinden.
Dabei können die Rasterpunkte an der Sensorposition, die zur Berechnung herangezogen werden, aufgrund einer Sensorform an der Sensorposition ermittelt werden. Es werden in diesem Falle nur die Wellenausbreitungssignale der Rasterpunkte herangezogen, die von der Sensorform abgedeckt werden. Wird ein Rasterpunkt dabei nur teilweise von der Sensorform abgedeckt, so lässt sich der Einfluss dieses Wellenausbreitungssignals auf die Gesamtberechnung in Abhängigkeit der abgedeckten Fläche des Rasterpunktes gewichten.
Des Weiteren ist es denkbar, dass die Berechnung in Abhängigkeit der Sensorform erfolgt, da unterschiedliche Sensorformen unterschiedliche Empfangssignale ermitteln. Denn zur Ermittlung einer Wellenausbreitung innerhalb eines Bauteils sind verschiedene Sensoren bekannt, wie z. B. ein Interdigitalwandler mit kammartiger Form oder ein Sensorarray. Dabei wird z.B. bei einem Sensorarray, dass aus einer Mehrzahl von Sensoren besteht, dass Empfangssignal aus den einzelnen berechneten Empfangssignalen der jeweiligen Sensoren des Array berechnet.
Besonders vorteilhaft ist dabei auch, wenn das Empfangssignal weiterhin in Abhängig- keit einer Sensorart an der Sensorposition berechnet wird, insbesondere einer Sensorart in Bezug auf die Ankopplung. So lassen sich Empfangssignale von Sensoren berechnen, die aufgrund ihrer Art fest mit dem Bauteil verbunden werden. Es lassen sich aber auch Empfangssignale von Sensoren berechnen, die mittels Luftankopplung vorgesehen sind. In Abhängigkeit dieser unterschiedlichen Eigenschaften der Sensorarten lassen sich somit verschiedenste Empfangssignale in Abhängigkeit der jeweiligen Sensorarten simulieren.
Die Berechnung der Empfangssignale kann dabei durch Summation der Wellenausbreitungssignale an den Rasterpositionen der Volumendatensätze durch Mittelwertbildung, Interpolation, Anpassung des Frequenzgangs und/oder Wellenlängen - und Frequenzfilterung erfolgen. Dabei wird aus den verschiedenen Wellenausbreitungssignalen ein Empfangssignal berechnet, das sich an der entsprechenden Sensorposition ergeben würde, wobei die Berechnungsmethoden für den Fachmann bekannte und standarisierte Methoden sind.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 - Schematische Darstellung eines Lamb- Wellenfeldes einer CFK-
Platte;
Figur 2 - Wellenausbreitungssignal (Rohdaten) an einem Rasterpunkt;
Figur 3 - berechnetes Empfangssignal an einer äquivalenten Sensorposition.
Figur 1 zeigt die schematische und sehr idealisierte Darstellung eines Lamb- Wellenfeldes 2, das sich innerhalb einer Platte 4 ausbreitet. In der Platte 4 mit quasiisotropen Aufbau und den Abmessungen 500 x 500 mm sowie eine Dicke von 2 mm wurde mittig ein runder piezoelektrischer (PZT-) Aktuator 1 appliziert. An der gegenüberliegenden Seite wurde die Platte mit einem breitbandigen kapazitiven Sensor (Frequenzbereich 10 Hz bis 100 kHz) in einem Abstand von wenigen Millimetern mäander- förmig in einem Raster von 1 x 1 mm gescannt.
Der piezoelektrische Aktuator generiert dabei ein Wellenfeld 2, was sich in der CFK- Platte ausbreitet. An jedem Rasterpunkt 5, der von dem kapazitiven Sensor gescannt wird, erfolgt eine elektrische Anregung des piezoelektrischen Aktuators 1. Nach der elektrischen Anregung des piezoelektrischen Aktuators 1 mit einem elektrischen Burst- Signal mit einer Mittelfrequenz von 40 KHz und drei Wellenzügen wird eine Wellen- ausbreitung in dem Bauteil generiert, wobei von dem Sensor an jedem Rasterpunkt 5 nach der elektrischen Anregung des piezoelektrischen Aktuators 1 ein Zeitbereich von 600 μs aufgezeichnet und als Wellenausbreitungssignal an dem entsprechenden Rasterpunkt 5 hinterlegt wird. Der Aktuator 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel mittig fest mit dem Bauteil verbunden. Aus einem solchen vollständigen Scan lässt sich danach eine Videoanimation berechnen, wobei Figur 1 einen Schnappschuss 148 μs nach der Anregung des piezoelektrischen Aktuators 1 schematisch darstellt. Die so an jedem Rasterpunkt 5 gescannten Wellenausbreitungssignale werden somit ganzheitlich als ein gerasterter Volumenda- tensatz hinterlegt.
Figur 2 zeigt das Wellenausbreitungssignal an einem bestimmten Rasterpunkt (Position 360, 122), wie es von dem kapazitiven Sensor 600μs lang aufgezeichnet wurde. Zu erkennen ist, dass nach ungefähr 200μs ein entsprechender Ausschlag erfolgt, der darauf hin deutet, dass ab diesem Zeitpunkt die sich in dem Bauteil ausbreitende Welle an dieser Position angekommen ist.
Figur 3 zeigt nunmehr ein berechnetes Empfangssignal. Dazu wurde eine Sensorposition (Bezugszeichen 3 in Figur 1) bestimmt, wobei unter der Sensorposition eine Positi- on zu verstehen ist, an der ein tatsächlicher Sensor an dem Bauteil appliziert werden kann oder ein entsprechender Sensor zum Beispiel mittels Luftkontakt an das Bauteil 4 angekoppelt wird. Da in der Regel ein solcher Sensor größer ist als die verwendete Rasterauflösung, werden von dem piezoelektrischen Sensor mehrere Rasterpunkte 5 abgedeckt. Die Rasterpunkte sind dabei in der rechten oberen Ecke in Figur 1 schema- tisch angedeutet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nunmehr aus den Wellenausbreitungssignalen, die an den von der Sensorposition abgedeckten Rasterpunkten ermittelt wurden, das Empfangssignal berechnet, welches einen Sensor empfangen würden, wenn er tatsäch- lieh an dem Bauteil appliziert beziehungsweise angekoppelt werden würde. Somit lässt sich bereits im Vorfeld ein Empfangssignal eines Sensors berechnen, ohne dass es dafür aufwendiger Untersuchungen bedarf. Die Berechnung kann dabei auch in Abhängigkeit der zukünftigen Sensorart bzw. der Sensorform erfolgen.
In dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Form ist, wie in Figur 1 gezeigt, eine kammartige Sensorform gewählt worden. Eine solche kammartige Sensorform hat dabei den Vorteil, dass sie, ganz allgemein gesprochen, bestimmte Wellenlängen (Moden) herausfiltern kann. Als Grundlage für die Berechnung werden dabei jene Welleausbreitungssignale der Rasterpunkte verbindet, die von der kammartigen Struktur des Sensors 3 abgedeckt werden. Wird ein Rasterpunkt dabei nur teilweise von dem Sensor abgedeckt, so wird die Fläche ermittelt, die von dem Sensor an dem Rasterpunkt abgedeckt wird und in Abhängigkeit dieser abgedeckten Fläche fließt dann das darunter liegende Wellenausbreitungssignal entsprechend in die Berechnung ein.
Denkbar sind aber auch andere Sensorformen, zum Beispiel rechteckige oder runde Sensoren. Unterschiedliche Sensorformen erzeugen dabei unterschiedliche Empfangssignale, so dass die Empfangssignale unterschiedlicher Sensorformen aufgrund eines zuvor durchgeführten Scans des Bauteils simuliert werden können.
An einer impactgeschädigten Platte kann die Interaktion der Lamb- Wellen mit den Fehlern dargestellt werden und mit an den äquivalenten Sensorpositionen das Empfangssignal berechnet werden. Dabei kann die Änderung des Empfangssignals durch eine Fehlerstelle ermittelt werden, was hinsichtlich der Optimierung des Sensorsystems wichtig ist. So lassen sich aus den Erkenntnissen, die aus den äquivalenten Sensorposi- tionen ermittelt wurden, die optimale Position, Form, Abstand und Anzahl der Sensoren des Sensorsystems ableiten, umso relativ sicher Strukturschäden innerhalb des Bauteils erkennen zu können.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Optimierung eines zur Strukturüberwachung eines Bauteils (4) mittels Wellenausbreitung (2) eingerichteten Sensorsystems (1), mit den Schrit- ten:,
Ermitteln mindestens eines gerasterten Volumendatensatzes bezüglich einer Wellenausbreitung (2) in zumindest einem Teilbereich des Bauteils (4) und Hinterlegen des mindestens einen gerasterten Volumendatensat- zes,
Bestimmen mindestens einer Sensorposition (3) innerhalb des Teilbereichs des Bauteils (4), und
- Berechnen eines Empfangssignals bezüglich der mindestens einen Sensorposition (3) in Abhängigkeit von in dem zumindest einen gerasterten Volumendatensatz an der Sensorposition (3) hinterlegten Wellenausbreitungssignalen zwecks Optimierung des Sensorsystems (1).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch Ultraschallsensoren, insbesondere piezoelektrische Sensoren, Laserinterferometrie-Sensoren und/oder kapazitive Sensoren als sensorischen Teil des Sensorsystems (1).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Ermitteln des geraster- ten Volumendatensatzes bezüglich einer Lamb-Wellen-, Biege-Wellen- und/oder
Rayleigh- Wellenausbreitung.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ermitteln des gerasterten Volumendatensatzes durch rasterförmiges Scannen zumindest eines Teilbereiches des Bauteils (4) derart, dass an jedem Rasterpunkt (5) ein Wellenausbreitungssignal erfasst und in dem gerasterten Volumendatensatz hinterlegt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch rasterförmiges Scannen der- art, dass an jedem Rasterpunkt (5) eine Wellenausbreitung (2) generiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch Berechnen des Empfangssignals in Abhängigkeit der an den Rasterpunkten hinterlegten Wellenausbreitungssignale, die von der Sensorposition umfasst werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Berechnen des Empfangssignals weiterhin in Abhängigkeit einer Sensorform, insbesondere einer runden, rechteckigen, kammartigen und/oder arrayartigen Sensorform.
8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Berechnen des Empfangssignals in Abhängigkeit der an den Rasterpunkten hinterlegten Wellenausbreitungssignale, die von der Sensorform an der Sensorposition abgedeckt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
Berechnen des Empfangssignals in Abhängigkeit von aus den jeweiligen Sensorteilen eines Sensorarray berechneten Empfangssignalen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Berechnen des Empfangssignals weiterhin in Abhängigkeit einer Sensorart, insbesondere einer Sensorart in Bezug auf die Ankopplung.
1 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch Berechnen des Empfangssignals aus den Wellenausbreitungssignalen durch Summation der Wellenausbreitungssignale, Mittelwertbildung, Interpolation, Anpassung des Frequenzgangs und/oder Wellenlängen- und Frequenzfilterung.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Optimieren des Sensorsystems (1) hinsichtlich Position, Anzahl, Abstand und/oder Form der Sensoren in Abhängigkeit der berechneten Empfangssignale an den Sensorpositionen (3).
13. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wenn das Computerpro- gramm auf einem Rechner ausgeführt wird.
14. Vorrichtung mit Mitteln zum Hinterlegen mindestens eines gerasterten Volumendatensatzes und mit Eingabemitteln zur Bestimmung einer Sensorposition, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An- sprüche 1 bis 12 eingerichtet ist.
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