WO2024074349A1 - Sensor system, system having the sensor system, and method for detection - Google Patents

Sensor system, system having the sensor system, and method for detection Download PDF

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WO2024074349A1
WO2024074349A1 PCT/EP2023/076542 EP2023076542W WO2024074349A1 WO 2024074349 A1 WO2024074349 A1 WO 2024074349A1 EP 2023076542 W EP2023076542 W EP 2023076542W WO 2024074349 A1 WO2024074349 A1 WO 2024074349A1
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sensor system
acoustic signal
transducer
examined
signal
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PCT/EP2023/076542
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Mikel Gorostiaga Altuna
Philipp Seebacher
Patrick SWASCHNIG
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Tdk Electronics Ag
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    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices

Definitions

  • the invention relates to sensor systems, especially sensor systems for detecting characteristic properties of objects of interest. Furthermore, the invention relates to systems with such sensor systems and corresponding methods for detecting using the sensor systems.
  • characteristic properties can be, for example, the state of charge or the state of health or the functionality of a storage device, for example a storage device for electrical energy, for example a battery or an accumulator.
  • Storage devices for electrical energy such as rechargeable batteries, are needed and used in a wide variety of ways.
  • rechargeable batteries are used in electrically powered vehicles, smartphones, portable computers, robots, drones and the like.
  • Energy storage devices are sensitive to mechanical, electrical, thermal and other environmental influences. These influences can cause chemical and mechanical changes within the energy storage device and thus pose a danger whose existence is not easily recognizable from the outside.
  • Battery monitoring systems can, for example, check the externally provided voltage of the battery or an internal resistance of the battery or an alternating current impedance of the battery and are known from the following publications:
  • a monitoring system is known that is based on the propagation time behavior of acoustic signals.
  • An acoustic signal is coupled into a battery and the propagation time of the acoustic signals within the battery to a coupling element is examined.
  • DE 10 2017 205 561 A1 shows a battery system with a diagnostic function in which a receiver and, if necessary, an additional transmitter are arranged on a battery cell.
  • DE 10 2018 216 605 Al shows a galvanic cell with ultrasonic actuators which are designed to carry out an acoustic excitation of the galvanic cell and to record the acoustic response of the galvanic cell.
  • US 2022 / 0 206 075 Al shows a sensor system for analyzing an electrochemical system, for example a battery.
  • the sensor system comprises a first transducer and an evaluation circuit.
  • the first transducer is intended and suitable for converting a first electrical signal into an initial acoustic signal.
  • the sensor system is intended and suitable for coupling the initial acoustic signal from the first transducer to the surface of an object to be examined.
  • the evaluation circuit is intended and suitable for detecting a change in the acoustic signal.
  • the sensor system described therefore differs both in the central functional principle and in the specific elements that specifically apply the different functional principle.
  • An advantage, compared The advantage of evaluating runtimes is that the final acoustic signal can be analyzed directly and does not have to be related to the initial acoustic signal in order to calculate the time difference.
  • the initial acoustic signal can be transmitted from the first transducer to the object to be examined either via a coupling element or without contact. If the signal is transmitted using a coupling element, the coupling element can be applied to both the first transducer and the object to be examined. If the transmission is contactless, there is no direct or indirect physical contact between parts of the sensor system and the object to be examined. Contactless transmission can take place via electromagnetic waves. For example, only the first transducer can be attached to the object to be examined. The first transducer and the object to be examined can be separated from the other parts of the sensor system so that the first transducer and the object to be examined have no direct or indirect physical contact with the other parts of the sensor system.
  • the first transducer is intended and suitable to receive the acoustic signal again as a final acoustic signal and to convert it into a second electrical signal.
  • the sensor system also has a second
  • the second converter is intended to and suitable to receive the acoustic signal as a final acoustic signal and to convert it into the second electrical signal .
  • the final acoustic signal can be transmitted from the object to be examined to the second transducer either via a coupling element or without contact. If the signal is transmitted using a coupling element, the coupling element can be applied to both the second transducer and the object to be examined. If the transmission is contactless, there is either no direct or indirect physical contact between the sensor system and the object to be examined, or there is no direct or indirect physical contact between parts of the sensor system and the object to be examined. In the second case, for example, only the second transducer can be attached to the object to be examined. The second transducer and the object to be examined can be separated from the other parts of the sensor system so that the second transducer and the object to be examined have no direct or indirect physical contact with the other parts of the sensor system. Contactless transmission can take place via electromagnetic waves.
  • a coupling element can be implemented by an adhesive that attaches the corresponding transducer to the object to be examined.
  • a transducer can also be acoustically coupled to the object G to be examined via a screw connection or an analog connection.
  • Electroacoustic transducers that convert an electrical signal into a acoustic signal and which can also convert an acoustic signal into an electrical signal in the reverse order. Then the same electroacoustic transducer can serve both as an input transducer and as an output transducer.
  • an output transducer it can then be used to detect the changed signal which is reflected back to the transducer.
  • a second transducer is used in the sensor system in addition to the first transducer, these can be arranged relative to each other and relative to the object to be examined in such a way that the acoustic signal passes through critical areas within the object to be examined.
  • the acoustic signal can thus virtually scan the inner volume of the object to be examined.
  • the acoustic signal can also be guided essentially along the surface of the object to be examined and record surface-sensitive characteristic properties and transport them to the output transducer.
  • the current state of the object under investigation determines the form of the acoustic signal.
  • changes in the characteristic properties of the object under investigation can be detected by changes in the received signal, especially by changes in the spectrum of the final acoustic signal.
  • the evaluation circuit in the sensor system is designed and suitable for detecting a change in the frequency spectrum of the acoustic signal.
  • the evaluation circuit is intended and suitable for inferring a state from a dispersion curve.
  • the first and, if applicable, the second transducer can be piezoelectric transducers or EMAT transducers.
  • the first transducer can be a LASER vibrometer.
  • a LASER vibrometer is a device designed to detect an excited wave without direct physical contact.
  • a LASER beam can be used for this purpose.
  • the LASER vibrometer is designed to measure a vibration of an object using the LASER beam.
  • a piezoelectric transducer contains a piezoelectric material and electrode structures via which an alternating current signal can be applied to the piezoelectric material. Via the piezoelectric effect, the piezoelectric material reacts to the electrical signal by deforming accordingly, i.e. generating an acoustic signal that can be coupled to or into the object to be examined via the first coupling element. Due to the piezoelectric effect, the transducer can also convert the acoustic signal back into an electrical signal in an analog manner.
  • EMAT Electro Magnetic Acoustic Transducer
  • An EMAT transducer is based on the interaction of a current-carrying electrical conductor in a magnetic field. For example, if an electrical conductor structure is acoustically coupled to the object to be examined and a correspondingly aligned magnetic field exists at the location of the conductor structure, then a variable electric current flowing through the conductor structure generates, via the Lorentz force, mechanical stresses in or on the material of the object to be examined, whereby the mechanical stresses on the surface of the object to be examined or in the volume of the object to be examined are capable of propagating as an acoustic wave.
  • the EMAT transducer can in particular be designed to excite the acoustic wave without direct physical contact between a control device and the object to be examined.
  • the EMAT transducer itself must have physical contact with the object to be examined, otherwise it cannot excite the acoustic wave in the object.
  • the signal/energy input into the EMAT transducer from a control device can take place without physical contact between the control device and the EMAT transducer by signal/energy transmission through alternating fields excited by a magnet. The magnet therefore does not have to be in physical contact with the EMAT transducer and the object to be examined and can be separated by the gap.
  • a magnet designed to excite the acoustic wave in the object to be examined does not have to be in direct physical contact with the object to be examined, since the magnetic field can act over a short distance. Accordingly, a gap can be formed between a transducer designed as an EMAT transducer on or in the object to be examined and the magnet exciting the magnetic field.
  • an EMAT transducer is used as the first transducer, which is intended and suitable for converting a first electrical signal into an initial acoustic signal and into the object to be examined.
  • a second transducer designed as a LASER vibrometer which is intended and suitable to receive the acoustic signal as a final acoustic signal and to convert it into a second electrical signal.
  • This design of the sensor system can also be advantageous for subsequent inspections after production has been completed, since the sensor system does not have to be wired to the object to be examined in order to measure it and the object to be examined does not have to be physically opened, for example.
  • the sensor system may comprise a single EMAT transducer, which is the first transducer and which is further provided and suitable for receiving the acoustic signal again as a final acoustic signal and converting it into a second electrical signal.
  • the sensor system can be installed inside the object to be examined.
  • an inspection can be carried out particularly easily after completion of production.
  • the inspection can preferably be carried out without contact.
  • AS IC Application Specific Integrated Circuit
  • the evaluation circuit can in particular be intended and suitable for analyzing the frequency spectrum of the final acoustic signal.
  • the sensor system can be designed to consider a symmetrical oscillation mode and an antisymmetrical oscillation mode separately from one another when examining the frequency spectrum of the final acoustic signal.
  • the evaluation circuit is designed and suitable for determining the dispersion relation of the acoustic signal.
  • the dispersion relation indicates the frequency dependence of the phase velocity of an acoustic signal.
  • the initial acoustic signal can be a structure-borne sound signal.
  • the initial acoustic signal can be selected from a longitudinal wave, a transverse wave, a signal with a symmetrical oscillation mode, a signal with an antisymmetrical oscillation mode and a Lamb wave.
  • transverse waves can also propagate, in which the direction of propagation of the wave is different from the direction of vibration of the medium.
  • the direction of propagation of the wave can be orthogonal to the direction of vibration of the medium.
  • a symmetric vibration mode can be the vibration mode of a transverse wave in which the material of the medium at every longitudinal point along the direction of propagation of the wave at a certain time is in the same direction.
  • An antisymmetric mode of vibration can be the mode of vibration of a transverse wave in which the material of the medium at a particular longitudinal position along the direction of propagation of the wave vibrates opposite to other regions of the material at the same longitudinal position.
  • the initial acoustic signal has a characteristic frequency or a characteristic spectrum.
  • the initial acoustic signal has a characteristic frequency or a characteristic spectrum which reacts particularly sensitively to changes in the characteristic properties of the object to be examined.
  • the characteristic frequency or the characteristic spectrum can in particular have frequencies of around 10 kilohertz, 50 kilohertz, 100 kilohertz, 500 kilohertz or 1000 kilohertz.
  • the change in the acoustic signal is a change in the frequency spectrum.
  • the final acoustic signal has a different frequency spectrum than the initial acoustic signal.
  • the difference in the spectra provides information about the charge state, the state of health and/or the functionality of a battery, for example.
  • the sensor system can be designed to evaluate group velocities of a received acoustic signal. It is possible that the final acoustic signal shows a change compared to the initial acoustic signal and that the group velocity of the final acoustic signal in particular has a cutoff frequency, the frequency position of which depends on one or more characteristic properties of the object to be examined.
  • the cutoff frequency can be a frequency-dependent edge of the frequency-dependent group velocity of the acoustic signal. A change in the frequency position of this edge can then indicate a change in the characteristic property.
  • an increased charge level of a rechargeable battery is accompanied by a reduction in the frequency edge.
  • the charge level of the battery can thus be easily determined without the need for runtime measurements, which always require the determination of a time difference and thus the establishment of a first time and a second time.
  • the coupling element of the sensor system is intended and suitable for coupling the first converter to a storage device for electrical energy.
  • the sensor system can be used to scan characteristics of batteries, especially rechargeable batteries.
  • the characteristic properties are selected from state of charge (SoC), state of health (SoH), and state of functionality (SoF).
  • the sensor system is not only suitable for scanning one of the characteristic properties.
  • the sensor system can scan both the charge state and the health state, or both the health state and the functionality, or both the charge state and the functionality. It is also possible that the sensor system scans both the charge state and the health state and the functionality.
  • the sensor system is designed and suitable to operate in the frequency domain.
  • a corresponding system comprises a storage device for electrical energy and a sensor system as described above.
  • a system may include another object to be examined together with a sensor system as described above.
  • the battery may be a traction battery of an electric vehicle, a smartphone, a portable computer, a robot, a drone or a similar object.
  • a corresponding method for detecting a characteristic property of an object to be examined by means of a sensor system as described above can comprise the following steps:
  • the change is a change in the frequency spectrum.
  • the method may further comprise:
  • the method may further comprise:
  • the method can be used to determine one or more characteristic properties, for example state of charge, state of health and/or functionality of the object to be examined.
  • the method comprises determining the dispersion relation of the final acoustic signal. From the dispersion relation, characteristic properties can then be determined, or from the change in the dispersion relation, a change in the corresponding characteristic properties can be determined.
  • Evaluating propagation curves (e.g. dispersion relations) of waves (e.g. Lamb waves) or evaluating group velocities shows the speed at which the waves propagate depending on the mode and the frequency.
  • the same Lamb mode e.g. SO
  • the unit MHZ*mm is advantageous because, for example, simulations can be normalized with respect to thickness for isotropic simulations.
  • a suitable unit would be MHz.
  • the TOF (time-of-flight) between two transducers would be the same for this mode and for all frequencies in this range, which shows the advantage over TOF systems.
  • Figure 3 shows an embodiment with two transducers arranged on opposite sides of an object G to be examined
  • Figure 4 Changes in the acoustic signal that indicate characteristic properties of the object to be examined
  • Figure 5 an example of an initial acoustic signal
  • Figure 8 shows the dependence of the width of a frequency spectrum on the state of charge of a battery.
  • FIG. 9 shows another embodiment of the sensor system SENS.
  • Figure 1 shows a sensor system SENS which comprises an evaluation circuit AS and a converter W1.
  • the converter W1 is the first converter of the sensor system SENS and is electrically coupled to the evaluation circuit AS.
  • the first converter W1 is acoustically coupled to an object G to be examined via a coupling element KE.
  • An examination of characteristic properties of the object to be examined can only be carried out if the first converter converts a first electrical signal into an initial acoustic signal.
  • the initial acoustic signal is coupled into the material of the object G to be examined via the coupling element KE. While the acoustic signal passes through the material of the object to be examined and is reflected if necessary, the object to be examined changes the acoustic signal to a characteristic manner.
  • the transducer W1 converts the final acoustic signal into an electrical signal, which is passed on to the evaluation circuit AS.
  • the evaluation circuit examines the final acoustic signal received and uses the change in the acoustic signal that has occurred in the meantime to deduce one or more characteristic properties of the object G to be examined.
  • the result is independent of signal errors that are due to problems in determining the propagation time.
  • the investigation of a transit time allows the determination of only a single parameter, whereas the investigation of the frequency spectrum allows the determination of more information about the object under investigation.
  • the analysis of the signal to be received can be carried out differently than with "pulse-echo" methods (where the analysis is based on reflections).
  • the analysis of the signals can be carried out on transmission, i.e. on transmitted signals.
  • the frequencies used are lower than with reflection-based methods and are in the kHz range (e.g. at frequencies between 1 kHz and 900 kHz).
  • Figure 2 shows the possibility of a sensor system in which the sensor system SENS comprises a first transducer W1 and a second transducer W2.
  • the first transducer W1 is acoustically connected to the object to be examined via a coupling element KE.
  • Object G is coupled.
  • the second transducer W2 is also acoustically coupled to the object G under investigation via a coupling element KE.
  • An acoustic signal passes through the object G under investigation at least from the position of the first transducer W1 to the position of the second transducer W2. Changes in the signal allow conclusions to be drawn about characteristic properties of the object G under investigation.
  • Figure 3 shows the possibility of attaching the first transducer and the second transducer to different surfaces of the object G to be examined, specifically to opposite surfaces of the object G to be examined. While attaching both transducers to the same side of the object to be examined enables the use of acoustic surface waves which propagate on the upper side of the object G to be examined in a simple manner, the version of Figure 3 specifically allows an examination of the internal structure of the object G to be examined.
  • storage devices for electrical energy such as batteries can have a layered structure.
  • Batteries can have layers made of different metals, for example aluminum, copper and the like, and layers made of materials that are impermeable to electrodes and/or ions.
  • batteries can have mechanically stable structures, for example housing walls and the like. Different states of the batteries cause differences in the propagation of the acoustic wave, so that a change in the acoustic signal can be used to infer corresponding characteristic properties.
  • Figure 4 shows on the left an initial acoustic signal IAS which is passed on to the object G to be examined via the first transducer W1.
  • the acoustic signal As the acoustic signal propagates inside the material of the object G to be examined or on its upper side, the acoustic signal changes in a characteristic way.
  • the changed acoustic signal is received at the second transducer W2 as the final acoustic signal FAS.
  • the change in the acoustic signal is detected and evaluated so that appropriate conclusions can be drawn about the properties of the object G to be examined.
  • Figure 5 shows on the left side an initial acoustic signal which is acoustically coupled into the object G to be examined, for example as a wave packet.
  • the initial acoustic signal has a characteristic initial frequency distribution, which is shown on the right side of Figure 5.
  • Figure 6 shows a received, final acoustic signal.
  • the received, final acoustic signal can contain a signal component with a symmetrical oscillation mode and a signal component with an antisymmetrical oscillation mode.
  • the signal component with the symmetrical oscillation mode is received first.
  • the signal component with the antisymmetrical oscillation mode is received. Examining the frequency spectrum of the final acoustic signal thus allows a symmetrical oscillation mode and an antisymmetrical oscillation mode to be separated from one another. so that even more detailed information about the object under investigation can be obtained.
  • Figure 7 shows the frequency dependence of the edge of the normalized group velocity GG.
  • the solid edge on the left represents the edge of a spectrum at a charge level of 20%.
  • the solid edge on the right represents a charge level of 80%.
  • the distinction between 40% and 60% is clearly visible.
  • the dashed lines show the frequency curve of an empty battery (0%) and a full battery (100%).
  • the solid lines show measured values, while the dashed lines represent calculations. It is clearly visible that the calculations agree well with the actually determined values.
  • Figure 8 illustrates that determining a normalized group velocity as shown in Figure 7 is not necessary to obtain information about the charge state of a battery. Instead, Figure 8 directly shows the width of the spectrum of the final acoustic signal received. In Figure 8, the amplitude is plotted against the frequency. The three curves each show the frequency response for an empty battery (0%), a half-charged battery (50%) and a full battery (100%).
  • the sensor system described is not susceptible to disturbances that affect previously known sensor systems. However, the sensor system described allows the investigation of characteristic properties using different vibration modes, for example different Lamb modes and even examining using interference signals that would disturb conventional examinations.
  • the determined, final acoustic signal can be divided into different frequency ranges and vibration modes in order to obtain further information about the object to be examined.
  • the sensor system is not limited to the described forms and elements shown in the figure.
  • Sensor systems can include further elements, for example further converters, further evaluation circuits, separate power supplies and signal filters, for example high-pass filters, low-pass filters or band-pass filters.
  • FIG 9 shows a further exemplary embodiment of a sensor system SENS.
  • the sensor system SENS has an evaluation circuit AS, a first transducer W1 and a second transducer W2.
  • the first transducer W1 is designed to transmit an initial acoustic signal without contact to an object G to be examined.
  • the first transducer W1 can be an EMAT transducer which is designed to stimulate the initial acoustic signal in the object G to be examined.
  • the first transducer and the object G to be examined can be physically separated from the other parts of the sensor system SENS.
  • a signal or energy is transmitted to the first transducer designed as an EMAT transducer without contact by means of a magnetic field.
  • a magnet which generates the magnetic field does not touch the first transducer W1 or the object G to be examined.
  • the second transducer W2 is designed to receive or read a final acoustic signal without contact from the object G to be examined.
  • the second transducer W2 can be a LASER vibrometer.
  • the second transducer W2 can be designed to direct a LASER beam onto the object G to be examined and to detect a vibration of the object to be examined based on the reflection of the LASER beam.
  • SM, AM symmetrical vibration mode, antisymmetrical vibration mode
  • T time Wl, W2 : first, second converter

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Abstract

The invention relates to a sensor system for determining characteristic properties of an object to be examined. The sensor system comprises a first transducer and an evaluation circuit. The first transducer is provided and suitable for converting a first electric signal into an initial acoustic signal. The sensor system is provided and suitable for applying the initial acoustic signal from the first transducer to the surface of the object to be examined. The evaluation circuit is provided and suitable for detecting a change in the acoustic signal. To this end, the sensor system uses changes in frequencies ("frequency domain").

Description

Beschreibung Description
Sensorsystem, System mit Sensorsystem und Verfahren zum Detektieren Sensor system, system with sensor system and method for detecting
Die Erfindung betri f ft Sensorsysteme , speziell Sensorsysteme zum Detektieren charakteristischer Eigenschaften von Gegenständen von Interesse . Ferner betri f ft die Erfindung Systeme mit solchen Sensorsystemen und entsprechende Verfahren zum Detektieren mittels der Sensorsysteme . The invention relates to sensor systems, especially sensor systems for detecting characteristic properties of objects of interest. Furthermore, the invention relates to systems with such sensor systems and corresponding methods for detecting using the sensor systems.
Oft besteht der Wunsch, charakteristische Eigenschaften über Gegenstände besonderen Interesses zu erfahren . Solche charakteristischen Eigenschaften können beispielsweise der Ladungs zustand oder der Gesundheits zustand oder die Funktions fähigkeit eines Speichers , zum Beispiel eines Speichers für elektrische Energie , zum Beispiel eine Batterie oder ein Akkumulator sein . There is often a desire to know characteristic properties about objects of particular interest. Such characteristic properties can be, for example, the state of charge or the state of health or the functionality of a storage device, for example a storage device for electrical energy, for example a battery or an accumulator.
Speicher für elektrische Energie , zum Beispiel wiederaufladbare Batterien, werden in viel fältiger Weise benötigt und verwendet . So finden wiederaufladbare Batterien beispielsweise in elektrisch betriebenen Fahrzeugen, Smartphones , tragbaren Computern, Robotern, Drohnen und dergleichen Verwendung . Dabei reagieren Energiespeicher empfindlich auf mechanische , elektrische , thermische und weitere Umgebungseinflüsse . Diese Einflüsse können chemische und mechanische Veränderungen innerhalb des Energiespeichers bewirken und dadurch eine Gefahr darstellen, deren Existenz von außen nicht leicht erkennbar ist . Storage devices for electrical energy, such as rechargeable batteries, are needed and used in a wide variety of ways. For example, rechargeable batteries are used in electrically powered vehicles, smartphones, portable computers, robots, drones and the like. Energy storage devices are sensitive to mechanical, electrical, thermal and other environmental influences. These influences can cause chemical and mechanical changes within the energy storage device and thus pose a danger whose existence is not easily recognizable from the outside.
Es gibt Battery-Monitoring-Systeme , die gewisse Parameter überprüfen, aber keinen vollständigen Einblick in die internen Prozesse innerhalb des Energiespeichers liefern.There are battery monitoring systems that check certain parameters, but do not provide complete insight into the internal processes within the energy storage system.
Bestehende Risiken können deshalb möglicherweise nicht rechtzeitig von außen erkannt werden. Existing risks may therefore not be recognized from the outside in time.
Battery-Monitoring-Systemen können beispielsweise die extern zur Verfügung gestellte Spannung der Batterie oder einen inneren Widerstand der Batterie oder eine Wechselstromimpedanz der Batterie prüfen und sind etwa aus folgenden Veröffentlichungen bekannt: Battery monitoring systems can, for example, check the externally provided voltage of the battery or an internal resistance of the battery or an alternating current impedance of the battery and are known from the following publications:
- "Development of Battery Management System for Cell Monitoring and Protection" (Irsyad Nashirul Hag, Edi Leksono, Muhammad Iqbal, EX Nugroho Soelami, Nugraha, Deddy Kurniadi, Brian Yuliarto; 2014 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Computer Science - "Development of Battery Management System for Cell Monitoring and Protection" (Irsyad Nashirul Hag, Edi Leksono, Muhammad Iqbal, EX Nugroho Soelami, Nugraha, Deddy Kurniadi, Brian Yuliarto; 2014 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Computer Science
24-25 November 2014, Bali, Indonesia) , 24-25 November 2014, Bali, Indonesia) ,
- "Research progress of the electrochemical impedance technique applied to the high-capacity lithium-ion battery" (Li-fan Wang, Meng-meng Geng, Xia-nan Ding, Chen Fang, Yu Zhang, Shan-shan Shi, Yong Zhen, Kai Yang, Chun Zhan, and Xin-dong Wang; International Journal of Minerals , Metallurgy and Materials; Volume 28, Number 4, April 2021, S. 538) - "Research progress of the electrochemical impedance technique applied to the high-capacity lithium-ion battery" (Li-fan Wang, Meng-meng Geng, Xia-nan Ding, Chen Fang, Yu Zhang, Shan-shan Shi, Yong Zhen, Kai Yang, Chun Zhan, and Xin-dong Wang; International Journal of Minerals , Metallurgy and Materials; Volume 28, Number 4, April 2021, p. 538)
- "Schadensdetektion in flächigen Stahlbauteilen mit Hilfe piezoangeregter Lamb-Wellen" (Stefan Loppe, Dissertation, Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, eingereicht am 20. November 2008) - "Damage detection in flat steel components using piezo-excited Lamb waves" (Stefan Loppe, dissertation, Technical University Carolo-Wilhelmina in Braunschweig, submitted on 20 November 2008)
- "Identification of Damage Using Lamb Waves - From Fundamentals to Applications" (Zhongqing Su, Lin Ye; Springer ISBN: 978-1-84882-783-7) Ferner ist aus der WO 2017 / 223 219 Al ein- "Identification of Damage Using Lamb Waves - From Fundamentals to Applications" (Zhongqing Su, Lin Ye; Springer ISBN: 978-1-84882-783-7) Furthermore, WO 2017 / 223 219 Al discloses a
Überwachungssystem bekannt , dass auf dem Lauf zeitverhalten akustischer Signale basiert . Dabei wird ein akustisches Signal in eine Batterie eingekoppelt und die Lauf zeit der akustischen Signale innerhalb der Batterie hin zu einem Auskoppelelement untersucht . A monitoring system is known that is based on the propagation time behavior of acoustic signals. An acoustic signal is coupled into a battery and the propagation time of the acoustic signals within the battery to a coupling element is examined.
DE 10 2017 205 561 Al zeigt ein Batteriesystem mit einer Diagnosefunktion, bei der ein Empfänger und gegebenenfalls zusätzlich ein Sender an einer Batteriezelle angeordnet sind . DE 10 2017 205 561 A1 shows a battery system with a diagnostic function in which a receiver and, if necessary, an additional transmitter are arranged on a battery cell.
DE 10 2018 216 605 Al zeigt eine galvanische Zelle mit Ultraschallaktuatoren, die dazu eingerichtet sind, eine akustische Anregung der galvanischen Zelle durchzuführen und die akustische Reaktion der galvanischen Zelle zu erfassen . DE 10 2018 216 605 Al shows a galvanic cell with ultrasonic actuators which are designed to carry out an acoustic excitation of the galvanic cell and to record the acoustic response of the galvanic cell.
US 2022 / 0 206 075 Al zeigt ein Sensorsystem zur Analyse eines elektrochemischen Systems , beispielsweise einer Batterie . US 2022 / 0 206 075 Al shows a sensor system for analyzing an electrochemical system, for example a battery.
Problematisch an bekannten Battery-Monitoring-Systemen ist , dass sie kein vollständiges Bild über interne Prozesse liefern . Ferner sind bekannte Verfahren zur Überprüfung einer charakteristischen Eigenschaft einer Batterie fehleranfällig und/oder verursachen einen großen Aufwand bei der Auswertung der entsprechenden Sensorsignale . The problem with known battery monitoring systems is that they do not provide a complete picture of internal processes. Furthermore, known methods for checking a characteristic property of a battery are prone to errors and/or cause a great deal of effort when evaluating the corresponding sensor signals.
Es besteht deshalb der Wunsch nach Sensorsystemen mit verbesserten Eigenschaften . Speziell besteht der Wunsch nach Sensorsystemen mit verbesserter Zuverlässigkeit und Sensorsystemen, die präzisere und zusätzliche charakteristischen Eigenschaften bei verringertem Auswertungsaufwand liefern . Dazu wird ein Sensorsystem beziehungsweise ein Verfahren zum Detektieren gemäß den unabhängigen Ansprüchen angegeben . Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen und entsprechende Systeme an . There is therefore a desire for sensor systems with improved properties. In particular, there is a desire for sensor systems with improved reliability and sensor systems that provide more precise and additional characteristic properties with reduced evaluation effort. For this purpose, a sensor system or a method for detecting is specified according to the independent claims. Dependent claims specify advantageous embodiments and corresponding systems.
Das Sensorsystem umfasst einen ersten Wandler und eine Auswertschaltung . Der erste Wandler ist dazu vorgesehen und geeignet , ein erstes elektrisches Signal in ein initiales akustisches Signal zu wandeln . Das Sensorsystem ist dazu vorgesehen und geeignet das initiale akustische Signal vom ersten Wandler an die Oberfläche eines zu untersuchenden Gegenstandes zu koppeln . Ferner ist die Auswertschaltung dazu vorgesehen und geeignet , eine Veränderung am akustischen Signal fest zustellen . The sensor system comprises a first transducer and an evaluation circuit. The first transducer is intended and suitable for converting a first electrical signal into an initial acoustic signal. The sensor system is intended and suitable for coupling the initial acoustic signal from the first transducer to the surface of an object to be examined. Furthermore, the evaluation circuit is intended and suitable for detecting a change in the acoustic signal.
Der fundamentale Unterschied zwischen diesem Sensorsystem und bekannten Sensorsystemen, die auf der Auswertung der Lauf zeit akustischer Signale basieren, besteht darin, die Veränderung des akustischen Signals fest zustellen . Aus der Veränderung des akustischen Signals können eine Viel zahl von Rückschlüssen gezogen werden, die mit einer lediglich auf dem Lauf zeitverhalten akustischer Signale basierender Verfahren nicht möglich sind . Während bekannte Systeme somit auf der Auswertung des Lauf zeitverhaltens ( ToF = Time of Flight ) basieren, basiert das oben beschriebene Sensorsystem auf der Analyse der Frequenzen akustischer Signale . Das heißt , das beschriebene Sensorsystem arbeitet im Frequenzraum ( englisch : frequency domain) . The fundamental difference between this sensor system and known sensor systems that are based on evaluating the propagation time of acoustic signals is that it detects changes in the acoustic signal. A variety of conclusions can be drawn from the change in the acoustic signal that are not possible with methods based solely on the propagation time behavior of acoustic signals. While known systems are therefore based on evaluating the propagation time behavior (ToF = Time of Flight), the sensor system described above is based on analyzing the frequencies of acoustic signals. This means that the sensor system described works in the frequency domain.
Das beschriebene Sensorsystem unterscheidet sich deshalb sowohl im zentralen Funktionsprinzip als auch in den konkreten Elementen, die das unterschiedliche Funktionsprinzip konkret anwenden . Ein Vorteil , verglichen mit der Auswertung von Lauf zeiten ist , dass direkt das finale akustische Signal analysiert werden kann und nicht - zur Berechnung der Zeitdi f ferenz - zum initialen akustischen Signal in Relation gesetzt werden muss . The sensor system described therefore differs both in the central functional principle and in the specific elements that specifically apply the different functional principle. An advantage, compared The advantage of evaluating runtimes is that the final acoustic signal can be analyzed directly and does not have to be related to the initial acoustic signal in order to calculate the time difference.
Vergleichen mit Systemen, wie sie beispielsweise aus den eingangs genannten Veröf fentlichungen bekannt sind, ist ein verbessertes Sensorsystem angegeben . Compared with systems such as those known from the publications mentioned above, an improved sensor system is specified.
Das initiale akustische Signal kann entweder über ein Koppelelement oder berührungslos von dem ersten Wandler auf den zu untersuchenden Gegenstand übertragen werden . Bei einer Übertragung mittels eines Koppelelements kann dieses sowohl an dem ersten Wandler als auch an dem zu untersuchenden Gegenstand anliegen . Bei einer berührungslosen Übertragung besteht kein unmittelbarer oder mittelbarer physischer Kontakt zwischen Teilen des Sensorsystems und dem zu untersuchenden Gegenstand . Die berührungslose Übertragung kann über elektromagnetische Wellen erfolgen . Beispielsweise kann nur der erste Wandler an dem zu untersuchenden Gegenstand angebracht sein . Der erste Wandler und der zu untersuchende Gegenstand können von den übrigen Teilen des Sensorsystems getrennt sein, so dass der erste Wandler und der zu untersuchende Gegenstand zu den übrigen Teilen des Sensorsystems keinen unmittelbaren oder mittelbaren physischen Kontakt haben . The initial acoustic signal can be transmitted from the first transducer to the object to be examined either via a coupling element or without contact. If the signal is transmitted using a coupling element, the coupling element can be applied to both the first transducer and the object to be examined. If the transmission is contactless, there is no direct or indirect physical contact between parts of the sensor system and the object to be examined. Contactless transmission can take place via electromagnetic waves. For example, only the first transducer can be attached to the object to be examined. The first transducer and the object to be examined can be separated from the other parts of the sensor system so that the first transducer and the object to be examined have no direct or indirect physical contact with the other parts of the sensor system.
Es ist möglich, dass der erste Wandler dazu vorgesehen und geeignet ist , das akustische Signal als finales akustisches Signal wieder zu empfangen und in ein zweites elektrisches Signal zu wandeln . It is possible that the first transducer is intended and suitable to receive the acoustic signal again as a final acoustic signal and to convert it into a second electrical signal.
Auch ist es möglich, dass Sensorsystem ferner einen zweitenIt is also possible that the sensor system also has a second
Wandler umfasst . Dabei ist der zweite Wandler dazu vorgesehen und geeignet , das akustische Signal als finales akustisches Signal zu empfangen und in das zweite elektrische Signal zu wandeln . converter. The second converter is intended to and suitable to receive the acoustic signal as a final acoustic signal and to convert it into the second electrical signal .
Das finale akustische Signal kann entweder über ein Koppelelement oder berührungslos von dem zu untersuchenden Gegenstand auf den zweiten Wandler übertragen werden . Bei einer Übertragung mittels eines Koppelelements kann dieses sowohl an dem zweiten Wandler als auch an dem zu untersuchenden Gegenstand anliegen . Bei einer berührungslosen Übertragung besteht entweder kein unmittelbarer oder mittelbarer physischer Kontakt zwischen dem Sensorsystem und dem zu untersuchenden Gegenstand oder es besteht kein unmittelbarer oder mittelbarer physischer Kontakt zwischen Teilen des Sensorsystems und dem zu untersuchenden Gegenstand . Im zweiten Fall kann beispielsweise nur der zweite Wandler an dem zu untersuchenden Gegenstand angebracht sein . Der zweite Wandler und der zu untersuchende Gegenstand können von den übrigen Teilen des Sensorsystems getrennt sein, so dass der zweite Wandler und der zu untersuchende Gegenstand zu den übrigen Teilen des Sensorsystems keinen unmittelbaren oder mittelbaren physischen Kontakt haben . Die berührungslose Übertragung kann über elektromagnetische Wellen erfolgen . The final acoustic signal can be transmitted from the object to be examined to the second transducer either via a coupling element or without contact. If the signal is transmitted using a coupling element, the coupling element can be applied to both the second transducer and the object to be examined. If the transmission is contactless, there is either no direct or indirect physical contact between the sensor system and the object to be examined, or there is no direct or indirect physical contact between parts of the sensor system and the object to be examined. In the second case, for example, only the second transducer can be attached to the object to be examined. The second transducer and the object to be examined can be separated from the other parts of the sensor system so that the second transducer and the object to be examined have no direct or indirect physical contact with the other parts of the sensor system. Contactless transmission can take place via electromagnetic waves.
Ein Koppelelement kann dabei durch einen Klebstof f realisiert sein, der den entsprechenden Wandler am zu untersuchenden Gegenstand befestigt . Alternativ kann ein Wandler auch über eine Schraubverbindung oder eine analoge Verbindung akustisch an den zu untersuchenden Gegenstand G gekoppelt sein . A coupling element can be implemented by an adhesive that attaches the corresponding transducer to the object to be examined. Alternatively, a transducer can also be acoustically coupled to the object G to be examined via a screw connection or an analog connection.
Als Wandler können insbesondere solche elektroakustischen Wandler in Frage kommen, die ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal wandeln können und die zusätzlich in umgekehrter Reihenfolge ein akustisches Signal in ein elektrisches Signal wandeln können . Dann kann der gleiche elektroakustische Wandler sowohl als Eingangswandler als auch als Ausgangswandler dienen . Electroacoustic transducers that convert an electrical signal into a acoustic signal and which can also convert an acoustic signal into an electrical signal in the reverse order. Then the same electroacoustic transducer can serve both as an input transducer and as an output transducer.
Als Ausgangswandler kann er dann dazu dienen, dass veränderte Signal , welches durch Reflexionen zum Wandler zurück geworfen wird, zu detektieren . As an output transducer, it can then be used to detect the changed signal which is reflected back to the transducer.
Wir im Sensorsystem neben dem ersten Wandler auch noch ein zweiter Wandler verwendet , so können diese relativ zueinander und relativ zum zu untersuchenden Gegenstand so angeordnet werden, dass das akustische Signal kritische Bereiche innerhalb des zu untersuchenden Gegenstands durchläuft . If a second transducer is used in the sensor system in addition to the first transducer, these can be arranged relative to each other and relative to the object to be examined in such a way that the acoustic signal passes through critical areas within the object to be examined.
Das akustische Signal kann somit quasi das innere Volumen des zu untersuchenden Gegenstands scannen . Das akustische Signal kann dabei auch im Wesentlichen an der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstands geführt werden und oberflächensensitive charakteristische Eigenschaften aufnehmen und zum Ausgangswandler transportieren . The acoustic signal can thus virtually scan the inner volume of the object to be examined. The acoustic signal can also be guided essentially along the surface of the object to be examined and record surface-sensitive characteristic properties and transport them to the output transducer.
Der aktuelle Zustand des zu untersuchenden Gegenstands bestimmt dabei die Form des akustischen Signals . Speziell können Veränderungen von charakteristischen Eigenschaften des zu untersuchenden Gegenstands durch Veränderungen am empfangenen Signal , speziell an Veränderungen am Spektrum des finalen akustischen Signals , festgestellt werden . The current state of the object under investigation determines the form of the acoustic signal. In particular, changes in the characteristic properties of the object under investigation can be detected by changes in the received signal, especially by changes in the spectrum of the final acoustic signal.
Entsprechend ist es möglich, dass bei dem Sensorsystem die Auswertschaltung dazu vorgesehen und geeignet ist , eine Veränderung im Frequenzspektrum des akustischen Signals festzustellen . Insbesondere ist es möglich, dass bei dem Sensorsystem die Auswertschaltung dazu vorgesehen und geeignet ist , aus einer Dispersions-Kurve auf einen Zustand zu schließen . Accordingly, it is possible that the evaluation circuit in the sensor system is designed and suitable for detecting a change in the frequency spectrum of the acoustic signal. In particular, it is possible that in the sensor system the evaluation circuit is intended and suitable for inferring a state from a dispersion curve.
Der erste und gegebenenfalls auch der zweite Wandler können piezoelektrische Wandler oder EMAT-Wandler sein . The first and, if applicable, the second transducer can be piezoelectric transducers or EMAT transducers.
Alternativ kannn der erste Wandler ein LASER-Vibrometer sein . Ein LASER-Vibrometer ist eine Vorrichtung, die dazu ausgestaltet ist , eine Detektion einer angeregten Welle ohne physischen Direktkontakt zu erfassen . Dazu kann ein LASER- Strahl verwendet werden . Das LASER-Vibrometer ist dazu ausgestaltet , mit dem LASER-Strahl eine Vibration eines Obj ektes zu vermessen . Alternatively, the first transducer can be a LASER vibrometer. A LASER vibrometer is a device designed to detect an excited wave without direct physical contact. A LASER beam can be used for this purpose. The LASER vibrometer is designed to measure a vibration of an object using the LASER beam.
Ein piezoelektrischer Wandler beinhaltet ein piezoelektrisches Material und Elektrodenstrukturen über die ein Wechselstromsignal an das piezoelektrische Material anlegbar ist . Über dem piezoelektrischen Ef fekt reagiert das piezoelektrische Material auf das elektrische Signal durch entsprechende Verformung, das heißt das Erzeugen eines akustischen Signals , das über das erste Koppelelement an oder in den zu untersuchenden Gegenstand einkoppelbar ist . Aufgrund des piezoelektrischen Ef fekts kann der Wandler auch analog das akustische Signal wieder in ein elektrisches Signal wandeln . A piezoelectric transducer contains a piezoelectric material and electrode structures via which an alternating current signal can be applied to the piezoelectric material. Via the piezoelectric effect, the piezoelectric material reacts to the electrical signal by deforming accordingly, i.e. generating an acoustic signal that can be coupled to or into the object to be examined via the first coupling element. Due to the piezoelectric effect, the transducer can also convert the acoustic signal back into an electrical signal in an analog manner.
Ein EMAT-Wandler (EMAT = Electro Magnetic Acoustic Transducer = elektromagnetischer akustischer Wandler ) basiert auf der Wechselwirkung eines stromdurchflossenen elektrischen Leiters in einem Magnetfeld . I st beispielsweise eine elektrische Leiterstruktur akustisch an den zu untersuchenden Gegenstand gekoppelt und existiert an der Stelle der Leiterstruktur ein entsprechend ausgerichtetes Magnetfeld, dann bewirkt ein veränderlicher elektrischer Strom, der durch die Leiterstruktur fließt , über die Lorentzkraft ein Erzeugen von mechanischen Spannungen im oder am Material des zu untersuchenden Gegenstands , wobei die mechanischen Spannungen an der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstands oder im Volumen des zu untersuchenden Gegenstands als akustische Welle ausbreitungs fähig sind . An EMAT transducer (EMAT = Electro Magnetic Acoustic Transducer) is based on the interaction of a current-carrying electrical conductor in a magnetic field. For example, if an electrical conductor structure is acoustically coupled to the object to be examined and a correspondingly aligned magnetic field exists at the location of the conductor structure, then a variable electric current flowing through the conductor structure generates, via the Lorentz force, mechanical stresses in or on the material of the object to be examined, whereby the mechanical stresses on the surface of the object to be examined or in the volume of the object to be examined are capable of propagating as an acoustic wave.
Der EMAT-Wandler kann insbesondere dazu ausgestaltet sein, die akustische Welle ohne physischen Direktkontakt zwischen einer Steuervorrichtung und dem zu untersuchenden Gegenstand anzuregen . Der EMAT Wandler selbst muss einen physischen Kontakt zu untersuchenden Gegenstand aufweisen, da er anderenfalls die akustische Welle im Gegenstand nicht anregen kann . Der Signal-/Energieeintrag in den EMAT Wandler von einer Steuervorrichtung kann j edoch ohne physischen Kontakt zwischen der Steuervorrichtung und dem EMAT Wandler dadurch erfolgen, dass eine Signal-/Energieübertragung durch von einem Magneten angeregte Wechsel felder erfolgt . Der Magnet muss folglich nicht in physischem Kontakt mit dem EMAT Wandler und dem zu untersuchenden Gegenstand stehen und kann mittels des Spalts abgetrennt sein . The EMAT transducer can in particular be designed to excite the acoustic wave without direct physical contact between a control device and the object to be examined. The EMAT transducer itself must have physical contact with the object to be examined, otherwise it cannot excite the acoustic wave in the object. However, the signal/energy input into the EMAT transducer from a control device can take place without physical contact between the control device and the EMAT transducer by signal/energy transmission through alternating fields excited by a magnet. The magnet therefore does not have to be in physical contact with the EMAT transducer and the object to be examined and can be separated by the gap.
Ein Magnet , der dazu vorgesehen ist , die akustische Welle in dem zu untersuchenden Gegenstand anzuregen, muss hierfür nicht in direktem physischem Kontakt mit dem zu untersuchenden Gegenstand stehen, da das Magnetfeld über eine kurze Distanz wirken kann . Dementsprechend kann zwischen einem auf oder in dem zu untersuchenden Gegenstand als EMAT- Wandler ausgebildeten Wandler und dem das Magnetfeld anregenden Magneten ein Spalt ausgebildet sein . A magnet designed to excite the acoustic wave in the object to be examined does not have to be in direct physical contact with the object to be examined, since the magnetic field can act over a short distance. Accordingly, a gap can be formed between a transducer designed as an EMAT transducer on or in the object to be examined and the magnet exciting the magnetic field.
In einer bevorzugten Aus führungs form wird ein EMAT-Wandler als erster Wandler, der dazu vorgesehen und geeignet ist , ein erstes elektrisches Signal in ein initiales akustisches Signal zu wandeln und in den zu untersuchenden Gegenstand einzukoppeln, mit einem als LASER-Vibrometer ausgestalteten zweiten Wandler kombiniert , der dazu vorgesehen und geeignet ist , das akustische Signal als finales akustisches Signal zu empfangen und in ein zweites elektrisches Signal zu wandeln . In a preferred embodiment, an EMAT transducer is used as the first transducer, which is intended and suitable for converting a first electrical signal into an initial acoustic signal and into the object to be examined. combined with a second transducer designed as a LASER vibrometer, which is intended and suitable to receive the acoustic signal as a final acoustic signal and to convert it into a second electrical signal.
Auf diese Weise wird eine vollständig berührungslose Messung ermöglicht , bei der kein physischer Kontakt mit einem zu untersuchenden Gegenstand erforderlich ist . Dieses kann beispielsweise bei der Endkontrolle in Massenfertigungsprozesses von den Obj ekten, beispielsweise von Batterien, hil freich sein . Auch bei einer späteren Kontrolle nach Abschluss der Fertigung kann diese Ausgestaltung des Sensorsystems vorteilhaft sein, da das Sensorsystem nicht mit dem zu untersuchenden Gegenstand verkabelt werden muss , um diesen zu vermessen und der zu untersuchende Gegenstand beispielsweise nicht physisch geöf fnet werden muss . This enables a completely contactless measurement, which does not require any physical contact with the object to be examined. This can be useful, for example, in the final inspection of objects in mass production processes, such as batteries. This design of the sensor system can also be advantageous for subsequent inspections after production has been completed, since the sensor system does not have to be wired to the object to be examined in order to measure it and the object to be examined does not have to be physically opened, for example.
In einem weiteren Aus führungsbeispiel kann das Sensorsystem einen einzigen EMAT-Wandler aufweisen, der der erste Wandler ist und der ferner dazu vorgesehen und geeignet ist , das akustische Signal als finales akustisches Signal wieder zu empfangen und in ein zweites elektrisches Signal zu wandeln . In a further embodiment, the sensor system may comprise a single EMAT transducer, which is the first transducer and which is further provided and suitable for receiving the acoustic signal again as a final acoustic signal and converting it into a second electrical signal.
In einem Aus führungsbeispiel kann das Sensorsystem innerhalb des zu untersuchenden Gegenstands eingebaut sein . In diesem Aus führungsbeispiel kann eine Kontrolle nach Abschluss der Fertigung besonders einfach durchgeführt werden . Dabei kann die Kontrolle vorzugsweise kontaktlos erfolgen . In one embodiment, the sensor system can be installed inside the object to be examined. In this embodiment, an inspection can be carried out particularly easily after completion of production. The inspection can preferably be carried out without contact.
Es ist möglich, dass die Auswertschaltung eine AS IC-Schaltung ist (AS IC = Application Speci fic Integrated Circuit = anwendungsspezi fischer integrierter Schaltkreis ) . Die Auswertschaltung kann dabei insbesondere dazu vorgesehen und geeignet sein, das Frequenzspektrum des finalen akustischen Signals zu analysieren . Dabei kann das Sensorsystem dazu ausgestaltet sein, bei einer Untersuchung des Frequenzspektrums des finalen akustischen Signals eine symmetrische Schwingungsmode und eine antisymmetrische Schwingungsmode getrennt voneinander zu betrachten . It is possible that the evaluation circuit is an AS IC circuit (AS IC = Application Specific Integrated Circuit). The evaluation circuit can in particular be intended and suitable for analyzing the frequency spectrum of the final acoustic signal. The sensor system can be designed to consider a symmetrical oscillation mode and an antisymmetrical oscillation mode separately from one another when examining the frequency spectrum of the final acoustic signal.
Ferner ist es möglich, dass die Auswertschaltung dazu vorgesehen und geeignet ist , die Dispersionsrelation des akustischen Signals zu bestimmen . Die Dispersionsrelation gibt dabei die Frequenzabhängigkeit der Phasengeschwindigkeit eines akustischen Signals an . Furthermore, it is possible that the evaluation circuit is designed and suitable for determining the dispersion relation of the acoustic signal. The dispersion relation indicates the frequency dependence of the phase velocity of an acoustic signal.
Das initiale akustische Signal kann dabei ein Körperschallsignal sein . Insbesondere kann das initiale akustische Signal ausgewählt sein aus einer Longitudinalwelle , einer Transversalwelle , einem Signal mit einer symmetrischen Schwingungsmode , einem Signal mit einer antisymmetrischen Schwingungsmode und Lamb-Welle . The initial acoustic signal can be a structure-borne sound signal. In particular, the initial acoustic signal can be selected from a longitudinal wave, a transverse wave, a signal with a symmetrical oscillation mode, a signal with an antisymmetrical oscillation mode and a Lamb wave.
In Festkörpern sind nicht nur Longitudinalwellen, bei denen die Ausbreitungsrichtung der Welle parallel zur Schwingungsrichtung des Mediums ist , möglich . In Festkörpern können sich auch Transversalwellen ausbreiten, bei denen die Ausbreitungsrichtung der Welle von der Schwingungsrichtung des Mediums unterschiedlich ist . Insbesondere kann bei der Transversalwelle die Ausbreitungsrichtung der Welle orthogonal zur Schwingungsrichtung des Mediums sein . Eine symmetrische Schwingungsmode kann die Schwingungsmode einer Transversalwelle sein, bei der das Material des Mediums an j eder longitudinalen Stelle entlang der Ausbreitungsrichtung der Welle zu einem bestimmten Zeitpunkt in die gleiche Richtung ausgelenkt wird . Eine antisymmetrische Schwingungsmode kann die Schwingungsmode einer Transversalwelle sein, bei der das Material des Mediums an einer bestimmten longitudinalen Position entlang der Ausbreitungsrichtung der Welle entgegengesetzt zu anderen Bereichen des Materials an der gleichen longitudinalen Position schwingt . In solids, not only longitudinal waves, in which the direction of propagation of the wave is parallel to the direction of vibration of the medium, are possible. In solids, transverse waves can also propagate, in which the direction of propagation of the wave is different from the direction of vibration of the medium. In particular, in the case of a transverse wave, the direction of propagation of the wave can be orthogonal to the direction of vibration of the medium. A symmetric vibration mode can be the vibration mode of a transverse wave in which the material of the medium at every longitudinal point along the direction of propagation of the wave at a certain time is in the same direction. An antisymmetric mode of vibration can be the mode of vibration of a transverse wave in which the material of the medium at a particular longitudinal position along the direction of propagation of the wave vibrates opposite to other regions of the material at the same longitudinal position.
Es ist möglich, dass das initiale akustische Signal eine charakteristische Frequenz oder ein charakteristisches Spektrum aufweist . It is possible that the initial acoustic signal has a characteristic frequency or a characteristic spectrum.
Insbesondere ist es möglich, dass das initiale akustische Signal eine charakteristische Frequenz oder ein charakteristisches Spektrum aufweist , welches besonders empfindlich auf Veränderungen zu untersuchender charakteristischen Eigenschaften des zu untersuchenden Gegenstands reagiert . In particular, it is possible that the initial acoustic signal has a characteristic frequency or a characteristic spectrum which reacts particularly sensitively to changes in the characteristic properties of the object to be examined.
Die charakteristische Frequenz oder das charakteristische Spektrum kann dabei insbesondere Frequenzen um etwa 10 Kilohertz , 50 Kilohertz , 100 Kilohertz , 500 Kilohertz oder 1000 Kilohertz aufweisen . The characteristic frequency or the characteristic spectrum can in particular have frequencies of around 10 kilohertz, 50 kilohertz, 100 kilohertz, 500 kilohertz or 1000 kilohertz.
Entsprechend ist es möglich, dass die Veränderung am akustischen Signal eine Veränderung des Frequenzspektrums ist . Das heißt , das finale akustische Signal hat ein anderes Frequenzspektrum als das initiale akustische Signal . Die Di f ferenz der Spektren liefert dabei Informationen über den Ladungs zustand, den Gesundheits zustand und/oder die Funktions fähigkeit zum Beispiel einer Batterie . Das Sensorsystem kann dazu ausgestaltet sein, Gruppengeschwindigkeiten eines empfangenen akustischen Signals aus zuwerten . Es ist möglich, dass das finale akustische Signal eine Veränderung gegenüber dem initialen akustischen Signal aufweist und das speziell die Gruppengeschwindigkeit des finalen akustischen Signals eine Grenz frequenz aufweist , deren Frequenzlage von einer oder mehreren charakteristischen Eigenschaften des zu untersuchenden Gegenstands abhängt . Accordingly, it is possible that the change in the acoustic signal is a change in the frequency spectrum. This means that the final acoustic signal has a different frequency spectrum than the initial acoustic signal. The difference in the spectra provides information about the charge state, the state of health and/or the functionality of a battery, for example. The sensor system can be designed to evaluate group velocities of a received acoustic signal. It is possible that the final acoustic signal shows a change compared to the initial acoustic signal and that the group velocity of the final acoustic signal in particular has a cutoff frequency, the frequency position of which depends on one or more characteristic properties of the object to be examined.
Die Grenz frequenz kann dabei eine frequenzabhängige Flanke der frequenzabhängigen Gruppengeschwindigkeit des akustischen Signals sein . Eine Veränderung der Frequenzlage dieser Flanke kann dann auf eine Veränderung der charakteristischen Eigenschaft schließen lassen . The cutoff frequency can be a frequency-dependent edge of the frequency-dependent group velocity of the acoustic signal. A change in the frequency position of this edge can then indicate a change in the characteristic property.
Insbesondere wurde festgestellt , dass ein erhöhter Ladungs zustand einer wiederaufladbaren Batterie mit einer Verringerung der Frequenz flanke einhergeht . Aus dem Detektieren der Frequenzlage der Flanke kann somit auf einfache Weise auf den Ladungs zustand der Batterie geschlossen werden, ohne dass dabei Lauf zeitmessungen notwendig sind, die stets das Ermitteln einer Zeitdi f ferenz und damit das Feststellen einer ersten Zeit und einer zweiten Zeit notwendig machen . In particular, it was found that an increased charge level of a rechargeable battery is accompanied by a reduction in the frequency edge. By detecting the frequency position of the edge, the charge level of the battery can thus be easily determined without the need for runtime measurements, which always require the determination of a time difference and thus the establishment of a first time and a second time.
Es ist möglich, dass das Koppelelement des Sensorsystems dazu vorgesehen und geeignet ist , den ersten Wandler an einen Speicher für elektrische Energie zu koppeln . It is possible that the coupling element of the sensor system is intended and suitable for coupling the first converter to a storage device for electrical energy.
Das heißt , dass das Sensorsystem benutzt werden kann, um charakteristische Eigenschaften von Batterien, insbesondere wiederaufladbaren Batterien, zu scannen . So ist es insbesondere möglich, dass die charakteristischen Eigenschaften ausgewählt sind aus Ladezustand (SoC: State of Charge) , Gesundheitszustand (SoH: State of Health) , Funktionsfähigkeit (SoF: State of Functionality) . This means that the sensor system can be used to scan characteristics of batteries, especially rechargeable batteries. In particular, it is possible that the characteristic properties are selected from state of charge (SoC), state of health (SoH), and state of functionality (SoF).
Dabei ist es möglich, dass das Sensorsystem nicht nur dazu geeignet ist eine der charakteristischen Eigenschaften zu scannen. Insbesondere ist es möglich, dass das Sensorsystem sowohl den Ladezustand als auch den Gesundheitszustand oder sowohl den Gesundheitszustand als auch die Funktionsfähigkeit oder sowohl den Ladezustand als auch die Funktionsfähigkeit scannen kann. Außerdem ist es möglich, dass das Sensorsystem sowohl den Ladezustand als auch den Gesundheitszustand als auch die Funktionsfähigkeit scannt. It is possible that the sensor system is not only suitable for scanning one of the characteristic properties. In particular, it is possible that the sensor system can scan both the charge state and the health state, or both the health state and the functionality, or both the charge state and the functionality. It is also possible that the sensor system scans both the charge state and the health state and the functionality.
Wie bereits angedeutet, ist es möglich, dass das Sensorsystem dazu vorgesehen und geeignet ist im Frequenzraum (Frequency Domain) zu arbeiten. As already indicated, it is possible that the sensor system is designed and suitable to operate in the frequency domain.
Es ist möglich, dass ein entsprechendes System einen Speicher für elektrische Energie und ein Sensorsystem, wie oben beschrieben, umfasst. It is possible that a corresponding system comprises a storage device for electrical energy and a sensor system as described above.
Alternativ ist es auch möglich, dass ein System einen anderen zu untersuchenden Gegenstand zusammen mit einem Sensorsystem, wie oben beschrieben, beinhaltet. Alternatively, it is also possible for a system to include another object to be examined together with a sensor system as described above.
Ist der zu untersuchende Gegenstand eine Batterie, so kann die Batterie eine Antriebsbatterie eines elektrischen Fahrzeugs, eines Smartphones, eines tragbaren Computers, eines Roboters, einer Drohne oder eines ähnlichen Gegenstands sein . Ein entsprechendes Verfahren zum Detektieren einer charakteristischen Eigenschaft eines zu untersuchenden Gegenstands mittels eines Sensorsystems wie oben beschrieben, kann dabei die folgenden Schritte umfassen : If the object to be examined is a battery, the battery may be a traction battery of an electric vehicle, a smartphone, a portable computer, a robot, a drone or a similar object. A corresponding method for detecting a characteristic property of an object to be examined by means of a sensor system as described above can comprise the following steps:
- Einkoppeln eines initialen akustischen Signals in oder an den zu untersuchenden Gegenstand, - Coupling an initial acoustic signal into or onto the object to be examined,
- Empfangen eines zugehörigen finalen akustischen Signals und- Receiving an associated final acoustic signal and
- Feststellen einer Veränderung am akustischen Signal . - Detecting a change in the acoustic signal.
Dabei ist es möglich, dass die Veränderung eine Veränderung des Frequenzspektrums ist . It is possible that the change is a change in the frequency spectrum.
Ferner kann das Verfahren umfassen : The method may further comprise:
- Bereitstellen des initialen akustischen Signals mit einer charakteristischen Frequenz oder einem charakteristischen Frequenz Spektrum . - Providing the initial acoustic signal with a characteristic frequency or a characteristic frequency spectrum.
Ferner kann das Verfahren umfassen : The method may further comprise:
- Variieren der charakteristischen Frequenz oder des charakteristischen Frequenzspektrums . - Varying the characteristic frequency or the characteristic frequency spectrum.
Insbesondere kann das Verfahren dazu verwendet werden, um einen oder mehrere charakteristische Eigenschaften, zum Beispiel Ladezustand, Gesundheits zustand und/oder Funktions fähigkeit des zu untersuchenden Gegenstands zu bestimmen . In particular, the method can be used to determine one or more characteristic properties, for example state of charge, state of health and/or functionality of the object to be examined.
Ferner ist es möglich, dass das Verfahren das Bestimmen der Dispersionsrelation des finalen akustischen Signals umfasst . Aus der Dispersionsrelation können dann charakteristische Eigenschaften beziehungsweise aus der Veränderung der Dispersionsrelation kann eine Veränderung der entsprechenden charakteristischen Eigenschaften ermittelt werden . Furthermore, it is possible that the method comprises determining the dispersion relation of the final acoustic signal. From the dispersion relation, characteristic properties can then be determined, or from the change in the dispersion relation, a change in the corresponding characteristic properties can be determined.
Das Auswerten von Ausbreitungskurven ( z . B . Dispersionsrelationen) von Wellen ( z . B . Lamb-Wellen) oder das Auswerten von Gruppengeschwindigkeiten zeigt , mit welcher Geschwindigkeit sich die Wellen in Abhängigkeit von der Mode und der Frequenz ausbreiten . So hat z . B . der gleiche Lamb- Modus ( z . B . S O ) eine konstante Geschwindigkeit für bestimmte Frequenzbereiche ( zwischen 0- 1 MHz*mm und über 4MHz*mm . Die Einheit MHZ*mm ist vorteilhaft , weil z . B . Simulationen bezüglich der Dicke für isotrope Simulationen normalisierbar sind . Für Mehrlagensystem wäre eine geeignete Einheit MHz . Im Gegensatz dazu wäre die TOF ( Time-of-Flight ) zwischen zwei Wandlern für diesen Modus und für alle Frequenzen in diesem Bereich gleich, was den Vorteil gegenüber TOF-Systemen zeigt . Evaluating propagation curves (e.g. dispersion relations) of waves (e.g. Lamb waves) or evaluating group velocities shows the speed at which the waves propagate depending on the mode and the frequency. For example, the same Lamb mode (e.g. SO) has a constant speed for certain frequency ranges (between 0- 1 MHz*mm and over 4MHz*mm). The unit MHZ*mm is advantageous because, for example, simulations can be normalized with respect to thickness for isotropic simulations. For multilayer systems, a suitable unit would be MHz. In contrast, the TOF (time-of-flight) between two transducers would be the same for this mode and for all frequencies in this range, which shows the advantage over TOF systems.
Funktionsprinzipien und entsprechende Details von konkreten Aus führungs formen sind in den schematischen Figuren gezeigt . Insbesondere zeigen : Functional principles and corresponding details of concrete embodiments are shown in the schematic figures. In particular:
Figur 1 Elemente des Sensorsystems SENS mit einem einzelnen Wandler, Figure 1 Elements of the SENS sensor system with a single transducer,
Figur 2 Elemente einer Aus führungs form mit zwei Wandlern, Figure 2 Elements of an embodiment with two converters,
Figur 3 eine Aus führungs form mit zwei Wandlern, die an gegenüberliegenden Seiten eines zu untersuchenden Gegenstands G angeordnet sind, Figur 4 Veränderungen am akustischen Signal , die auf charakteristische Eigenschaften des zu untersuchendenFigure 3 shows an embodiment with two transducers arranged on opposite sides of an object G to be examined, Figure 4 Changes in the acoustic signal that indicate characteristic properties of the object to be examined
Gegenstands zurückzuführen sind, object,
Figur 5 ein Beispiel für ein initiales akustisches Signal , Figure 5 an example of an initial acoustic signal,
Figur 6 unterschiedliche Schwingungsmoden mit unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten, Figure 6 different vibration modes with different propagation velocities,
Figur 7 die Abhängigkeit einer Flanke vom Ladungs zustand einer Batterie , Figure 7 the dependence of a flank on the charge state of a battery,
Figur 8 die Abhängigkeit der Breite eines Frequenzspektrums vom Ladezustand einer Batterie . Figure 8 shows the dependence of the width of a frequency spectrum on the state of charge of a battery.
Figur 9 zeigt ein weiteres Aus führungsbeispiel des Sensorsystems SENS . Figure 9 shows another embodiment of the sensor system SENS.
Figur 1 zeigt ein Sensorsystem SENS , das eine Auswertschaltung AS und einen Wandler W1 umfasst . Der Wandler W1 ist der erste Wandler des Sensorsystems SENS und elektrisch mit der Auswertschaltung AS gekoppelt . Über ein Koppelelement KE ist der erste Wandler W1 akustisch an einen zu untersuchenden Gegenstand G gekoppelt . Ein Untersuchen charakteristischer Eigenschaften des zu untersuchenden Gegenstands kann nur erfolgen, indem der erste Wandler ein erstes elektrisches Signal in ein initiales akustisches Signal wandelt . Das initiale akustische Signal wird über das Koppelelement KE in das Material des zu untersuchenden Gegenstand G eingekoppelt . Während das akustische Signal das Material des zu untersuchenden Gegenstands durchläuft und gegebenenfalls reflektiert wird, verändert der zu untersuchende Gegenstand das akustische Signal auf eine charakteristische Art und Weise . Erreicht das akustische Signal als finales akustisches Signal den Ausgangswandler, welcher in der Aus führungs form der Figur 1 der erste Wandler ist , so wandelt der Wandler W1 das finale akustische Signal in ein elektrisches Signal um, welches an die Auswertschaltung AS weitergegeben wird . Die Auswertschaltung untersucht das empfangene finale akustische Signal und schließt aus der inzwischen auf getretenen Veränderung des akustischen Signals auf eine oder mehrere charakteristische Eigenschaften des zu untersuchenden Gegenstands G zurück . Figure 1 shows a sensor system SENS which comprises an evaluation circuit AS and a converter W1. The converter W1 is the first converter of the sensor system SENS and is electrically coupled to the evaluation circuit AS. The first converter W1 is acoustically coupled to an object G to be examined via a coupling element KE. An examination of characteristic properties of the object to be examined can only be carried out if the first converter converts a first electrical signal into an initial acoustic signal. The initial acoustic signal is coupled into the material of the object G to be examined via the coupling element KE. While the acoustic signal passes through the material of the object to be examined and is reflected if necessary, the object to be examined changes the acoustic signal to a characteristic manner. If the acoustic signal reaches the output transducer as the final acoustic signal, which is the first transducer in the embodiment of Figure 1, the transducer W1 converts the final acoustic signal into an electrical signal, which is passed on to the evaluation circuit AS. The evaluation circuit examines the final acoustic signal received and uses the change in the acoustic signal that has occurred in the meantime to deduce one or more characteristic properties of the object G to be examined.
Da die Form des akustischen Signals , speziell das Frequenzspektrum des finalen akustischen Signals analysiert wird, ist das Ergebnis unabhängig von Signal fehlern, die auf Probleme bei der Bestimmung der Lauf zeit zurückzuführen sind . Since the shape of the acoustic signal, especially the frequency spectrum of the final acoustic signal, is analyzed, the result is independent of signal errors that are due to problems in determining the propagation time.
Ferner erlaubt die Untersuchung einer Lauf zeit lediglich das Ermitteln eines einzigen Parameters , während das Untersuchen des Frequenzspektrums das Ermitteln von mehr Informationen über den zu untersuchenden Gegenstand erlaubt . Furthermore, the investigation of a transit time allows the determination of only a single parameter, whereas the investigation of the frequency spectrum allows the determination of more information about the object under investigation.
Die Analyse des zu empfangenden Signals kann dabei anders als bei " Pulse-Echo" Verfahren (bei dem die Analyse auf Reflexionen basiert ) erfolgen . Insbesondere kann die Analyse der Signale auf Transmission, d . h . auf transmittierten Signalen erfolgen . Verwendete Frequenzen sind dabei niedriger als bei Ref lexion-basierten Verfahren und liegen im kHz- Bereich ( z . B . bei Frequenzen zwischen 1 kHz und 900 kHz ) . The analysis of the signal to be received can be carried out differently than with "pulse-echo" methods (where the analysis is based on reflections). In particular, the analysis of the signals can be carried out on transmission, i.e. on transmitted signals. The frequencies used are lower than with reflection-based methods and are in the kHz range (e.g. at frequencies between 1 kHz and 900 kHz).
Figur 2 zeigt die Möglichkeit eines Sensorsystems , bei dem das Sensorsystem SENS einen ersten Wandler W1 und einen zweiten Wandler W2 umfasst . Der erste Wandler W1 ist über ein Koppelelement KE akustisch an den zu untersuchenden Gegenstand G gekoppelt . Der zweite Wandler W2 ist ebenfalls über ein Koppelelement KE akustisch an den untersuchenden Gegenstand G gekoppelt . Ein akustisches Signal durchläuft im zu untersuchenden Gegenstand G zumindest von der Position des ersten Wandlers W1 zur Position des zweiten Wandlers W2 . Veränderungen des Signals lassen einen Rückschluss auf charakteristische Eigenschaften des zu untersuchenden Gegenstands G zu . Figure 2 shows the possibility of a sensor system in which the sensor system SENS comprises a first transducer W1 and a second transducer W2. The first transducer W1 is acoustically connected to the object to be examined via a coupling element KE. Object G is coupled. The second transducer W2 is also acoustically coupled to the object G under investigation via a coupling element KE. An acoustic signal passes through the object G under investigation at least from the position of the first transducer W1 to the position of the second transducer W2. Changes in the signal allow conclusions to be drawn about characteristic properties of the object G under investigation.
Figur 3 zeigt die Möglichkeit , den ersten Wandler und den zweiten Wandler an verschiedenen Oberflächen des zu untersuchenden Gegenstands G, speziell an gegenüberliegenden Oberflächen des zu untersuchenden Gegenstands G zu befestigen . Während eine Befestigung beider Wandler an der gleichen Seite des zu untersuchenden Gegenstands auf einfache Weise die Verwendung von akustischen Oberflächenwellen, welche an der Oberseite des zu untersuchenden Gegenstands G propagieren, ermöglicht , so erlaubt die Version der Figur 3 speziell ein Untersuchen des inneren Aufbaus des zu untersuchenden Gegenstands G . Figure 3 shows the possibility of attaching the first transducer and the second transducer to different surfaces of the object G to be examined, specifically to opposite surfaces of the object G to be examined. While attaching both transducers to the same side of the object to be examined enables the use of acoustic surface waves which propagate on the upper side of the object G to be examined in a simple manner, the version of Figure 3 specifically allows an examination of the internal structure of the object G to be examined.
Speziell Speicher für elektrische Energie wie Batterien, können einen Schichtaufbau mit einer Schichtstruktur aufweisen . So können Batterien Schichten aus verschiedenen Metallen, zum Beispiel Aluminium, Kupfer und dergleichen und Schichten aus Materialien, die für Elektroden und/oder Ionen undurchlässig sind, aufweisen . Ferner können Batterien mechanisch stabile Strukturen, zum Beispiel Gehäusewände und dergleichen aufweisen . Verschiedene Zustände der Batterien bewirken dabei Unterschiede bei der Ausbreitung der akustischen Welle , sodass aus einer Veränderung des akustischen Signals auf entsprechende charakteristische Eigenschaften geschlossen werden kann . Beispielsweise zeigt Figur 4 auf der linken Seite ein initiales akustisches Signal IAS , das über den ersten Wandler W1 an den zu untersuchenden Gegenstand G weitergegeben wird . Durch das Propagieren des akustischen Signals im Inneren des Materials des zu untersuchenden Gegenstands G oder an seiner Oberseite verändert sich das akustische Signal auf eine charakteristische Weise . Am zweiten Wandler W2 wird das veränderte akustische Signal als finales akustisches Signal FAS empfangen . Die Veränderung des akustischen Signals wird festgestellt und ausgewertet , sodass daraus entsprechende Rückschlüsse über die Eigenschaften des zu untersuchenden Gegenstands G geschlossen werden können . In particular, storage devices for electrical energy such as batteries can have a layered structure. Batteries can have layers made of different metals, for example aluminum, copper and the like, and layers made of materials that are impermeable to electrodes and/or ions. Furthermore, batteries can have mechanically stable structures, for example housing walls and the like. Different states of the batteries cause differences in the propagation of the acoustic wave, so that a change in the acoustic signal can be used to infer corresponding characteristic properties. For example, Figure 4 shows on the left an initial acoustic signal IAS which is passed on to the object G to be examined via the first transducer W1. As the acoustic signal propagates inside the material of the object G to be examined or on its upper side, the acoustic signal changes in a characteristic way. The changed acoustic signal is received at the second transducer W2 as the final acoustic signal FAS. The change in the acoustic signal is detected and evaluated so that appropriate conclusions can be drawn about the properties of the object G to be examined.
Figur 5 zeigt auf der linken Seite ein initiales akustisches Signal , welches beispielsweise als Wellenpaket akustisch in den zu untersuchenden Gegenstand G eingekoppelt wird . Das initiale akustische Signal hat dabei eine charakteristische initiale Frequenzverteilung, welche die rechte Seite der Figur 5 zeigt . Figure 5 shows on the left side an initial acoustic signal which is acoustically coupled into the object G to be examined, for example as a wave packet. The initial acoustic signal has a characteristic initial frequency distribution, which is shown on the right side of Figure 5.
Figur 6 zeigt ein empfangenes , finales akustisches Signal . Das empfangene , finale akustische Signal kann dabei einen Signalanteil mit einer symmetrischen Schwingungsmode und einen Signalanteil mit einer antisymmetrischen Schwingungsmode empfangen . Nach einer kürzeren Lauf zeit wird zuerst der Signalanteil mit der symmetrischen Schwingungsmode empfangen . Anschließend, das heißt , nach einer längeren verstrichenen Zeit , wird der Signalanteil mit der antisymmetrischen Schwingungsmode empfangen . Das Untersuchen des Frequenzspektrums des finalen akustischen Signals erlaubt es somit eine symmetrische Schwingungsmode und eine antisymmetrische Schwingungsmode getrennt voneinander zu betrachten, sodass noch detailliertere Informationen über den zu untersuchenden Gegenstand erhalten werden können . Figure 6 shows a received, final acoustic signal. The received, final acoustic signal can contain a signal component with a symmetrical oscillation mode and a signal component with an antisymmetrical oscillation mode. After a shorter runtime, the signal component with the symmetrical oscillation mode is received first. Then, i.e. after a longer time has passed, the signal component with the antisymmetrical oscillation mode is received. Examining the frequency spectrum of the final acoustic signal thus allows a symmetrical oscillation mode and an antisymmetrical oscillation mode to be separated from one another. so that even more detailed information about the object under investigation can be obtained.
Eine konkrete Anwendung ist in Figur 7 gezeigt . Figur 7 zeigt die Frequenzabhängigkeit der Flanke der normierten Gruppengeschwindigkeit GG . Die linke durchgezogene Flanke stellt dabei die Flanke eines Spektrums bei einem Ladezustand von 20 % dar . Die rechte durchgezogene Flanke stellt einen Ladungs zustand in Höhe von 80 % dar . Die Unterscheidung zu 40 % und 60 % ist klar erkennbar . Die gestrichelten Linien zeigen den Frequenzverlauf von einer leeren Batterie ( 0 % ) beziehungsweise einer vollen Batterie ( 100 % ) . Dabei zeigen die durchgängigen Linien Messwerte an, während die gestrichelten Linien Berechnungen darstellen . Es ist klar erkennbar, dass die Berechnungen gut mit den tatsächlich ermittelten Werten übereinstimmen . A specific application is shown in Figure 7. Figure 7 shows the frequency dependence of the edge of the normalized group velocity GG. The solid edge on the left represents the edge of a spectrum at a charge level of 20%. The solid edge on the right represents a charge level of 80%. The distinction between 40% and 60% is clearly visible. The dashed lines show the frequency curve of an empty battery (0%) and a full battery (100%). The solid lines show measured values, while the dashed lines represent calculations. It is clearly visible that the calculations agree well with the actually determined values.
Figur 8 illustriert , dass das Ermitteln einer normierten Gruppengeschwindigkeit wie in Figur 7 dargestellt , nicht notwendig ist , um Informationen über den Ladungs zustand einer Batterie zu erhalten . Figur 8 zeigt vielmehr direkt die Breite des Spektrums des empfangenen finalen akustischen Signals . So ist in Figur 8 die Amplitude gegenüber der Frequenz auf gezeichnet . Die drei Kurven gegen j eweils das Frequenzverhalten für eine leere Batterie ( 0 % ) , eine halbvoll geladene Batterie ( 50 % ) und eine gefüllte Batterie ( 100 % ) an . Figure 8 illustrates that determining a normalized group velocity as shown in Figure 7 is not necessary to obtain information about the charge state of a battery. Instead, Figure 8 directly shows the width of the spectrum of the final acoustic signal received. In Figure 8, the amplitude is plotted against the frequency. The three curves each show the frequency response for an empty battery (0%), a half-charged battery (50%) and a full battery (100%).
Das beschriebene Sensorsystem ist nicht anfällig für Störungen, die bisher bekannte Sensorsysteme betref fen . Dafür erlaubt das beschriebene Sensorsystem die Untersuchung charakteristischer Eigenschaften mittels verschiedener Schwingungsmoden, zum Beispiel verschiedener Lamb-Moden und sogar das Untersuchen mittels Interferenzsignalen, welche konventionelle Untersuchungen stören würden . The sensor system described is not susceptible to disturbances that affect previously known sensor systems. However, the sensor system described allows the investigation of characteristic properties using different vibration modes, for example different Lamb modes and even examining using interference signals that would disturb conventional examinations.
Das ermittelte , finale akustische Signal kann in unterschiedliche Frequenzbereiche und Schwingungsmoden aufgeteilt sein, um weitere Informationen über den zu untersuchenden Gegenstand zu erhalten . Das Sensorsystem ist nicht auf die beschriebenen Formen und gezeigten Elemente der Figur beschränkt . Sensorsysteme können weitere Elemente , zum Beispiel weitere Wandler, weitere Auswertschaltungen, eigene Stromversorgungen und Signal filter, zum Beispiel Hochpass filter, Tiefpass filter oder Bandpass filter umfassen . The determined, final acoustic signal can be divided into different frequency ranges and vibration modes in order to obtain further information about the object to be examined. The sensor system is not limited to the described forms and elements shown in the figure. Sensor systems can include further elements, for example further converters, further evaluation circuits, separate power supplies and signal filters, for example high-pass filters, low-pass filters or band-pass filters.
Figur 9 zeigt ein weiteres Aus führungsbeispiel eines Sensorsystems SENS . Das Sensorsystem SENS weist eine Auswertschaltung AS , einen ersten Wandler W1 und einen zweiten Wandler W2 auf . Der erste Wandler W1 ist dazu ausgestaltet ein initiales akustisches Signal berührungslos auf einen zu untersuchenden Gegenstand G zu übertragen . Beispielsweise kann der erste Wandler W1 ein EMAT-Wandler sein, der dazu ausgestaltet ist , das initiale akustische Signal in dem zu untersuchenden Gegenstand G anzuregen . Der erste Wandler und der zu untersuchende Gegenstand G können dabei von den übrigen Teilen des Sensorsystems SENS physisch getrennt sein . Ein Signal beziehungsweise eine Energie wird auf den als EMAT Wandler ausgestalteten ersten Wandler berührungslos mittels eines Magnetfeldes übertragen . Ein Magnet , der das Magnetfeld erzeugt , berührt den ersten Wandler W1 und den zu untersuchenden Gegenstand G nicht . Figure 9 shows a further exemplary embodiment of a sensor system SENS. The sensor system SENS has an evaluation circuit AS, a first transducer W1 and a second transducer W2. The first transducer W1 is designed to transmit an initial acoustic signal without contact to an object G to be examined. For example, the first transducer W1 can be an EMAT transducer which is designed to stimulate the initial acoustic signal in the object G to be examined. The first transducer and the object G to be examined can be physically separated from the other parts of the sensor system SENS. A signal or energy is transmitted to the first transducer designed as an EMAT transducer without contact by means of a magnetic field. A magnet which generates the magnetic field does not touch the first transducer W1 or the object G to be examined.
Der zweite Wandler W2 ist dazu ausgestaltet , ein finales akustisches Signal berührungslos vom dem zu untersuchenden Gegenstand G zu empfangen beziehungsweise aus zulesen . Beispielsweise kann der zweite Wandler W2 ein LASER- Vibrometer sein . Dabei kann der zweite Wandler W2 dazu ausgestaltet sein, einen LASER-Strahl auf den zu untersuchenden Gegenstand G zu richten und anhand der Reflektion des LASER-Strahls eine Vibration des zu untersuchenden Gegenstands zu erkennen . The second transducer W2 is designed to receive or read a final acoustic signal without contact from the object G to be examined. For example, the second transducer W2 can be a LASER vibrometer. The second transducer W2 can be designed to direct a LASER beam onto the object G to be examined and to detect a vibration of the object to be examined based on the reflection of the LASER beam.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
A: Amplitude A: Amplitude
AS: Auswertschaltung F: Frequenz AS: Evaluation circuit F: Frequency
G: zu untersuchender Gegenstand G: object to be examined
GG: Gruppengeschwindigkeit GG: Group speed
IAS, FAS: initiales akustisches Signal, finales akustisches Signal KE: Koppelelement IAS, FAS: initial acoustic signal, final acoustic signal KE: coupling element
SENS: Sensorsystem SENS: Sensor system
SM, AM: symmetrische Schwingungsmode, antisymmetrische Schwingungsmode SM, AM: symmetrical vibration mode, antisymmetrical vibration mode
T: Zeit Wl, W2 : erster, zweiter Wandler T: time Wl, W2 : first, second converter

Claims

Patentansprüche Patent claims
1 . Sensorsystem, umfassend 1 . Sensor system, comprising
- einen ersten Wandler, und - a first converter, and
- eine Auswertschaltung, wobei - an evaluation circuit, whereby
- der erste Wandler dazu vorgesehen und geeignet ist , ein erstes elektrisches Signal in ein initiales akustisches Signal zu wandeln, - the first converter is intended and suitable for converting a first electrical signal into an initial acoustic signal,
- das Sensorsystem dazu vorgesehen und geeignet ist , das initiale akustische Signal vom ersten Wandler an die Oberfläche eines zu untersuchenden Gegenstands zu koppeln,- the sensor system is designed and suitable for coupling the initial acoustic signal from the first transducer to the surface of an object to be examined,
- die Auswertschaltung, die dazu vorgesehen und geeignet ist , eine Veränderung am akustischen Signal fest zustellen . - the evaluation circuit, which is designed and suitable for detecting a change in the acoustic signal.
2 . Sensorsystem nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Sensorsystem ein Koppelelement aufweist , das dazu vorgesehen und geeignet ist , das initiale akustische Signal vom ersten Wandler an die Oberfläche eines zu untersuchenden Gegenstands zu koppeln . 2. Sensor system according to the preceding claim, wherein the sensor system comprises a coupling element which is provided and suitable for coupling the initial acoustic signal from the first transducer to the surface of an object to be examined.
3 . Sensorsystem nach Anspruch 2 , bei dem der erste Wandler ein piezoelektrischer Wandler oder ein EMAT-Wandler ist . 3. Sensor system according to claim 2, wherein the first transducer is a piezoelectric transducer or an EMAT transducer.
4 . Sensorsystem nach Anspruch 1 , wobei der erste Wandler dazu vorgesehen und geeignet ist , das initiale akustische Signal berührungslos an die Oberfläche eines zu untersuchenden Gegenstands zu koppeln . 4. Sensor system according to claim 1, wherein the first transducer is provided and suitable for contactlessly coupling the initial acoustic signal to the surface of an object to be examined.
5 . Sensorsystem nach Anspruch 4 , wobei der erste Wandler ein EMAT-Wandler ist . 5. Sensor system according to claim 4, wherein the first transducer is an EMAT transducer.
6 . Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche , bei dem der erste Wandler dazu vorgesehen und geeignet ist , das akustische Signal als finales akustisches Signal wieder zu empfangen und in ein zweites elektrisches Signal zu wandeln . 6 . Sensor system according to one of the preceding claims, in which the first transducer is provided and suitable for receiving the acoustic signal again as a final acoustic signal and converting it into a second electrical signal.
7 . Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , ferner umfassend 7. Sensor system according to one of claims 1 to 5, further comprising
- einen zweiten Wandler, der dazu vorgesehen und geeignet ist , das akustische Signal als finales akustisches Signal zu empfangen und in ein zweites elektrisches Signal zu wandeln . - a second transducer designed and suitable to receive the acoustic signal as a final acoustic signal and to convert it into a second electrical signal.
8 . Sensorsystem nach Anspruch 7 , wobei das Sensorsystem ein zweites Koppelelement aufweist , und wobei der zweite Wandler dazu vorgesehen und geeignet ist , das finale akustische Signal über das zweite Koppelelement zu empfangen . 8. Sensor system according to claim 7, wherein the sensor system has a second coupling element, and wherein the second transducer is provided and suitable for receiving the final acoustic signal via the second coupling element.
9 . Sensorsystem nach Anspruch 8 , bei dem der zweite Wandler ein piezoelektrischer Wandler oder ein EMAT-Wandler oder ein LASER-Vibrometer ist . 9. Sensor system according to claim 8, wherein the second transducer is a piezoelectric transducer or an EMAT transducer or a LASER vibrometer.
10 . Sensorsystem nach Anspruch 7 , wobei der zweite Wandler dazu ausgestaltet ist , das akustische Signal als finales akustisches Signal berührungslos von dem zu untersuchenden Gegenstand zu empfangen . 10. Sensor system according to claim 7, wherein the second transducer is designed to receive the acoustic signal as a final acoustic signal without contact from the object to be examined.
11 . Sensorsystem nach Anspruch 10 , bei dem der zweite Wandler ein EMAT-Wandler und LASER- Vibrometer ist . 11. Sensor system according to claim 10, wherein the second transducer is an EMAT transducer and LASER vibrometer.
12 . Sensorsystem nach dem einem der vorherigen Ansprüche , bei dem die Auswertschaltung dazu vorgesehen und geeignet ist , eine Veränderung im Frequenzspektrum des akustischen Signals festzustellen . 12. Sensor system according to one of the preceding claims, in which the evaluation circuit is provided and suitable for to detect a change in the frequency spectrum of the acoustic signal.
13 . Sensorsystem nach Anspruch 12 , wobei das Sensorsystem dazu ausgestaltet ist , bei einer Untersuchung des Frequenzspektrums des finalen akustischen Signals eine symmetrische Schwingungsmode und eine antisymmetrische Schwingungsmode getrennt voneinander zu betrachten . 13. Sensor system according to claim 12, wherein the sensor system is designed to consider a symmetrical vibration mode and an antisymmetrical vibration mode separately from one another when examining the frequency spectrum of the final acoustic signal.
14 . Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche , bei dem die Auswertschaltung dazu vorgesehen und geeignet ist , aus einer Dispersions-Kurve auf einen Zustand zu schließen . 14. Sensor system according to one of the preceding claims, in which the evaluation circuit is provided and suitable for inferring a state from a dispersion curve.
15 . Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche , bei dem die Auswertschaltung eine AS IC-Schaltung ist . 15. Sensor system according to one of the preceding claims, in which the evaluation circuit is an AS IC circuit.
16 . Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche , bei dem das initiale akustische Signal ein Körperschall-Signal ist . 16. Sensor system according to one of the preceding claims, wherein the initial acoustic signal is a structure-borne sound signal.
17 . Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche , bei dem das initiale akustische Signal ausgewählt ist aus einer Longitudinalwelle , einer Transversalwelle , einem Signal mit einer symmetrischen Schwingungsmode , einem Signal mit einer antisymmetrischen Schwingungsmode , einer Lamb-Welle . 17. Sensor system according to one of the preceding claims, wherein the initial acoustic signal is selected from a longitudinal wave, a transverse wave, a signal with a symmetrical oscillation mode, a signal with an antisymmetrical oscillation mode, a Lamb wave.
18 . Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche , bei dem das initiale akustische Signal eine charakteristische Frequenz oder ein charakteristisches Spektrum aufweist . 18. Sensor system according to one of the preceding claims, wherein the initial acoustic signal has a characteristic frequency or a characteristic spectrum.
19 . Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche , bei dem die Veränderung am akustischen Signal eine Veränderung des Frequenzspektrums ist . 19. Sensor system according to one of the preceding claims, in which the change in the acoustic signal is a change in the frequency spectrum.
20 . Sensorsystem nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Sensorsystem dazu ausgestaltet ist , Gruppengeschwindigkeiten eines empfangenen akustischen Signals aus zuwerten . 20. Sensor system according to the preceding claim, wherein the sensor system is designed to evaluate group velocities of a received acoustic signal.
21 . Sensorsystem nach Anspruch 20 , bei dem das finale akustische Signal eine Veränderung gegenüber dem initialen akustischen Signal aufweist und das die Gruppengeschwindigkeit des finalen akustischen Signals eine Grenz frequenz aufweist , deren Frequenzlage von einer oder mehreren charakteristischen Eigenschaften des zu untersuchenden Gegenstands abhängt . 21. Sensor system according to claim 20, wherein the final acoustic signal exhibits a change compared to the initial acoustic signal and the group velocity of the final acoustic signal exhibits a cutoff frequency, the frequency position of which depends on one or more characteristic properties of the object to be examined.
22 . Sensorsystem nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das Sensorsystem dazu vorgesehen und geeignet ist , den ersten Wandler an einen Speicher für elektrische Energie zu koppeln . 22. Sensor system according to the preceding claim, wherein the sensor system is intended and suitable for coupling the first converter to a storage device for electrical energy.
23 . Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche , bei dem die charakteristischen Eigenschaften ausgewählt sind aus Ladezustand, Gesundheits zustand, Funktions fähigkeit . 23. Sensor system according to one of the preceding claims, in which the characteristic properties are selected from charge state, health state, functionality.
24 . Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche , das dazu vorgesehen und geeignet ist , im Frequenzraum zu arbeiten . 24. Sensor system according to one of the preceding claims, which is intended and suitable for operating in the frequency domain.
25 . System, umfassend einen Speicher für elektrische Energie und ein Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche . 25. System comprising a storage device for electrical energy and a sensor system according to one of the preceding claims.
26 . Verfahren zum Detektieren einer charakteristischen Eigenschaft eines zu untersuchenden Gegenstands mittels eines Sensorsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 24 , umfassend die Schritte : - Einkoppeln eines initialen akustischen Signals in oder an den zu untersuchenden Gegenstand, 26. A method for detecting a characteristic property of an object to be examined by means of a sensor system according to one of claims 1 to 24, comprising the steps: - Coupling an initial acoustic signal into or onto the object to be examined,
- Empfangen eines zugehörigen finalen akustischen Signals und- Receiving an associated final acoustic signal and
- Feststellen einer Veränderung am akustischen Signal . - Detecting a change in the acoustic signal.
27 . Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Veränderung eine Veränderung des Frequenzspektrums ist . 27. Method according to the preceding claim, wherein the change is a change in the frequency spectrum.
28 . Verfahren nach einem der beiden vorherigen Ansprüche , ferner umfassend 28 . Method according to one of the two preceding claims, further comprising
- Bereitstellen des initialen akustischen Signals mit einer charakteristischen Frequenz oder einem charakteristischen Frequenz Spektrum . - Providing the initial acoustic signal with a characteristic frequency or a characteristic frequency spectrum.
29 . Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, ferner umfassend29 . Method according to the preceding claim, further comprising
- Variieren der charakteristischen Frequenz oder des charakteristischen Frequenzspektrums . - Varying the characteristic frequency or the characteristic frequency spectrum.
30 . Verfahren nach einem der vier vorherigen Ansprüche , ferner umfassend 30. Method according to one of the four preceding claims, further comprising
- Bestimmen einer oder mehrerer charakteristischer Eigenschaften, ausgewählt aus Ladezustand, Gesundheits zustand, Funktions fähigkeit . - Determining one or more characteristic properties selected from state of charge, state of health, functionality.
31 . Verfahren nach einem der fünf vorherigen Ansprüche , umfassend 31 . Method according to one of the five preceding claims, comprising
- Bestimmen der Dispersionsrelation des finalen akustischen Signals . - Determine the dispersion relation of the final acoustic signal.
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