DE102011122481A1

DE102011122481A1 - Method for monitoring and locating material damages and discontinuities in electrical conductive light-composite structure in aircraft, involves arranging mount coil within structure, and passing measured variables to master instance

Info

Publication number: DE102011122481A1
Application number: DE102011122481A
Authority: DE
Inventors: Axel Renner
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Renner Barbara De; Renner Mario De
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2013-06-20
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: DE102011122481B4

Abstract

The method involves producing electromagnetic field quantities for impedance measurement between sheets of a lightweight laminated structure (6). Planar coils (1) are arranged perpendicular to the lightweight composite structure, and a surface mount coil (2) is arranged within the lightweight composite structure, so that measured variables are generated and passed to a master instance (7). The measured variables are processed, and technical information is incorporated into a diagnostic test of the lightweight composite structure. An independent claim is also included for an arrangement for monitoring and locating equipment damage and discontinuities in an electrically conductive light-composite structure.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung und Lokalisierung von Materialschäden und Diskontinuitäten in elektrisch leitfähigen Leichtbau-Verbundstrukturen, welches einerseits bei der Fertigung während eines Konsolidierungsprozesses eines Bauteils als Monitoringsystem in den Werkstoff integriert wird und damit eine permanente und eigenständige Überwachung von internen und externen Eigenschaften von Leichtbau-Verbundstrukturen ermöglicht, oder welches andererseits Informationen für eine ebenso im Werkstoff integrierte aktorische Funktionseinheit und/oder ein externes stationäres Prüfsystem zur Untersuchung und Charakterisierung von Leichtbau-Verbundstrukturen bereit stellt.The invention relates to a method and an arrangement for monitoring and localization of material damage and discontinuities in electrically conductive lightweight composite structures, which is integrated on the one hand during production during a consolidation process of a component as a monitoring system in the material and thus a permanent and independent monitoring of internal and external properties of lightweight composite structures possible, or on the other hand provides information for an integrated as well in the material actuator functional unit and / or an external stationary test system for the investigation and characterization of lightweight composite structures.

Stand der TechnikState of the art

Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Leichtbau-Verbundstrukturen und faserverstärkten Kunststoffen sind bekannt. Viele Prüfgeräte hierfür sind stationärer Natur und erlauben prinzip- und konstruktionsbedingt keine Werkstoffintegration oder sind für eine permanente Überwachung der Leichtbau-Verbundstruktur generell ungeeignet. Viele Prüfverfahren basieren beispielsweise auf der Messung von Transmissions- oder Reflexionseigenschaften (optisch, (Ultra-)Schall, Röntgenstrahlung, usw.), wobei die Anregungs- und Aufnehmerelemente außerhalb des Prüfkörpers appliziert sind.Methods for non-destructive testing of lightweight composite structures and fiber reinforced plastics are known. Many testers for this purpose are of a stationary nature and, due to the principle and design, do not permit material integration or are generally unsuitable for permanent monitoring of the lightweight composite structure. Many test methods are based, for example, on the measurement of transmission or reflection properties (optical, (ultra) sound, X-radiation, etc.), the excitation and transducer elements being applied outside the test specimen.

Des Weiteren existieren Verfahren, welche die elektrische Leitfähigkeit einer Probe analysieren. Je nach Art und Weise, wie der Prüfstrom in die Struktur eingebracht wird, können diese in Verfahren mit galvanischer, kapazitiver oder induktiver Kopplung unterteilt werden. Die beiden erstgenannten sind elektrodenbehaftete Konzepte, die eine Kontaktierung der Probenoberfläche erfordern und damit eine Werkstoffintegration ausschließen oder den Nachteil haben, dass Elektrodeneffekte die Messsignale beeinträchtigen.Furthermore, there are methods that analyze the electrical conductivity of a sample. Depending on the manner in which the test current is introduced into the structure, these can be subdivided into processes with galvanic, capacitive or inductive coupling. The first two are electrode-based concepts that require contacting the sample surface and thus preclude material integration or have the disadvantage that electrode effects affect the measurement signals.

Weiterhin sind induktive Wirbelstromprüfverfahren bekannt, wobei eine elektrische Spule ein zeitharmonisches magnetisches Wechselfeld aufbaut, welches in einem Prüfling ein Wirbelstrom erzeugt. Dieser Wirbelstrom ruft ein sekundäres Wechselfeld hervor, welches in einer Messspule eine elektrische Spannung induziert, deren Amplitude und Phase im Zusammenhang mit den elektrischen Eigenschaften des Prüflings stehen. Dabei kann die Sendespule entweder die Funktion der Messspule mit übernehmen oder es ist eine weitere Spule vorgesehen. Die Spulen können zum Beispiel als Zylinderspule oder als Planarspule gestaltet werden. Aus DE 3827229 A1 ist ein Verfahren und ein Prüfgerät zur zerstörungsfreien Prüfung von faserverstärkten Kunststoffen mittels Wirbelstromsonden bekannt, um Herstellungsfehler wie Faseranhäufungen und Harznester sowie verdeckt im Material aufgetretene Betriebsschäden wie Delaminationen, Risse, Brüche oder Absplitterungen sicher und wirtschaftlich aufzudecken. Die Messdatengewinnung, -verarbeitung, -speicherung und -auswertung kann mit nicht näher erläuterten Techniken manuell oder automatisch ausgeführt werden. Aus DE 19945944 C2 ist ein Verfahren zur zerstörungsfreien Detektion und Bestimmung von Defekten im elektrisch leitenden Material mit Anwendung eines Wirbelstrom-Prüfverfahrens bekannt, dass eine klassifizierte Einordnung eines detektierten Defekts erlaubt. Hierzu wird ein Vergleich mit Referenzwerten durchgeführt, die aus verschiedenen Tiefen von einem Referenzkörper gewonnen worden sind. Das Verfahren eignet sich ausschließlich zur Detektion und Auswertung von Rissen in Werkstücken. DE 19710743 C2 beschreibt ein Verfahren zur zerstörungsfreien Detektion von Rissen und Risstiefen in Turbinenschaufeln aus einem elektrisch leitfähigen Material unter Verwendung einer Vorrichtung mit einer Wirbelstromtastspule, wobei aus verschiedenen Messfrequenzen die Tiefe von oberflächlichen Rissen ermittelt werden kann. DE 102008017177 A1 beschreibt eine Prüfanordnung zur kabellosen Detektion von Fehlstellen im elektrisch leitenden Material eines Luftfahrzeuges, wobei über die Oberfläche des Materials verteilt Erregerspulen für eine Wirbelstromtechnik angeordnet sind, die zugleich als Sendespulen für die Übertragung der Auslesesignale dienen. Aus EP 0195792 81 ist eine stationäre Vorrichtung zur Feststellung von Rissen in einer vorbeilaufenden Bramme unter Verwendung von Wirbelströmen bekannt. Während der gesamten Messdauer wird automatisch und periodisch der Phasenwinkel als Funktion eines festzustellenden Fehlertyps ermittelt. Weiterhin sind Faserverbundwerkstoffe mit integrierten Vorrichtungen zur Feststellung von Belastungszuständen bekannt ( WO 2005/043107 A2 und WO 01/39253 A2 ), welche nicht auf der Wirbelstromprüfung beruhen. Aus WO 2004/10063 A2 wird ein Konzept zur Applizierung von Schwingkreiskomponenten in Kompositwerkstoffen beschrieben, wobei dessen Spule herausgeführt und oberflächlich angebracht ist und dessen Kondensator eingebettet ist.Furthermore, inductive eddy current testing methods are known, wherein an electrical coil builds up a time-harmonious alternating magnetic field which generates an eddy current in a test specimen. This eddy current causes a secondary alternating field, which induces a voltage in a measuring coil whose amplitude and phase are related to the electrical properties of the test object. In this case, the transmitting coil can either take over the function of the measuring coil or it is another coil provided. The coils can be designed, for example, as a cylindrical coil or as a planar coil. Out DE 3827229 A1 is a method and a tester for nondestructive testing of fiber reinforced plastics by means of eddy current probes known to detect manufacturing defects such as fiber clusters and resin nests as well as hidden in the material occurred operational damage such as delamination, cracks, fractures or chipping safely and economically. The measurement data acquisition, processing, storage and evaluation can be performed manually or automatically with unspecified techniques. Out DE 19945944 C2 For example, a method for nondestructive detection and determination of defects in the electrically conductive material using an eddy current test method is known that allows a classified classification of a detected defect. For this purpose, a comparison is made with reference values which have been obtained from different depths of a reference body. The method is only suitable for the detection and evaluation of cracks in workpieces. DE 19710743 C2 describes a method for the nondestructive detection of cracks and fissure depths in turbine blades made of an electrically conductive material using a device with an eddy current sensing coil, wherein the depth of superficial cracks can be determined from different measurement frequencies. DE 102008017177 A1 describes a test arrangement for the wireless detection of defects in the electrically conductive material of an aircraft, distributed over the surface of the material excitation coils are arranged for an eddy current technology, which also serve as transmitting coils for the transmission of the read-out signals. Out EP 0195792 81 For example, a stationary apparatus for detecting cracks in a passing slab using eddy currents is known. During the entire measuring period, the phase angle is automatically and periodically determined as a function of an error type to be detected. Furthermore, fiber composites with integrated devices for determining load conditions are known (US Pat. WO 2005/043107 A2 and WO 01/39253 A2 ), which are not based on the eddy current test. Out WO 2004/10063 A2 describes a concept for the application of resonant circuit components in composite materials, wherein the coil is led out and superficially mounted and whose capacitor is embedded.

Aus WO/2008/011649 sind ferner Verfahren und Vorrichtungen bekannt, welche die inneren räumlichen elektrischen Eigenschaften eines zu untersuchenden Körpers mit Sendespulen und Empfangsspulen an mehreren Anregungsorten rekonstruieren. Die Vorrichtungen sind außerhalb des Prüfkörpers angeordnet.Out WO / 2008/011649 Furthermore, methods and devices are known which reconstruct the internal spatial electrical properties of a body to be examined with transmitting coils and receiving coils at a plurality of excitation sites. The devices are arranged outside the test specimen.

In C. Riedel, ”Planare induktive Impedanzmessverfahren”, Dissertation, 2004 , ist eine planare Sensoranordnung bestehend aus Planarspulen und SMD-Spulen beschrieben. Die Vorrichtung ist außerhalb des Prüfkörpers angeordnet und nicht zur Untersuchung von Kompositen vorgesehen.In C. Riedel, "Planar Inductive Impedance Measurement Methods", Dissertation, 2004 , a planar sensor arrangement consisting of planar coils and SMD coils is described. The device is arranged outside the test specimen and not intended for the examination of composites.

Technisches ProblemTechnical problem

Der Einsatz von Leichtbau-Verbundstrukturen in sicherheitskritischen Anwendungsbereichen, wie z. B. der Luft- und Raumfahrt, erfordert neben einer Prüfung einer einzelnen Struktur auf Materialschäden und Fertigungsfehlern im laufenden Herstellungsprozess ebenso eine permanente Überwachung von kritischen Zuständen im Betrieb. Insbesondere letztere bildet die Grundlage zur Gestaltung eines „intelligenten Werkstoffes”, welcher in der Lage ist, durch äußerliche Einwirkungen oder kritische Betriebszustände verursachte Materialdefekte entweder bei einer Prüfung festzustellen oder auch permanent selbstständig zu überwachen und gegebenenfalls regulierende Maßnahmen einzuleiten. Das Messsystem muss einerseits den Werkstoffzustand zuverlassig untersuchen und werten können und andererseits miniaturisierbar und kostengünstig sein.The use of lightweight composite structures in safety-critical applications, such. As the aerospace industry, in addition to testing a single structure for material damage and manufacturing errors in the ongoing manufacturing process also requires a permanent monitoring of critical conditions during operation. In particular, the latter forms the basis for the design of a "smart material", which is able to determine by external influences or critical operating conditions caused material defects either during an audit or permanent self-monitoring and initiate regulatory action if necessary. On the one hand, the measuring system must be able to examine and assess the material condition reliably and on the other hand be miniaturized and cost-effective.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Technische Aufgabe der ErfindungTechnical object of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht in einer fortlaufenden und hochgenauen Detektion, Lokalisierung und Klassifizierung von einer oder mehreren Schadensstellen in elektrisch leitfähigen Leichtbau-Verbundstrukturen. Des Weiteren sollen veränderte Bedingungen, die im Umfeld des Bauteils auftreten, erfasst werden.The object of the invention is a continuous and highly accurate detection, localization and classification of one or more points of damage in electrically conductive lightweight composite structures. Furthermore, changed conditions occurring in the environment of the component are to be recorded.

Erfindungsgemäße Lösung der technischen Aufgabe und ihre Vorteile Dem Verfahren und der Anordnung der Erfindung liegt eine mess- und eine informationstechnische Funktionskomponente zugrunde. Für die messtechnische Lösung wird ein Wirbelstromprüfverfahren eingesetzt, wobei in einem Prüfkörper aus elektrisch leitfähigen Leichtbau-Verbundstrukturen zwischen den Lagen der Leichtbau-Verbundstruktur flächig angeordnete Planarspulen sowie senkrecht hierzu angeordnete SMD-Spulen zur Erzeugung und Erfassung der elektromagnetischen Feldgrößen dienen. Die informationstechnische Auswertung der gemessenen Signale erfolgt in einer übergeordneten Instanz, welche die Signale der Messeinheiten mit vorab quantifizierten und in einem Mikrocomputer abgespeicherten Referenzwerten vergleicht, fortlaufend auf Normabweichungen analysiert und diese unterschiedlichen charakteristischen Schadensmerkmalen zuordnet. Die Schadensmerkmale werden vorab ermittelt und sind permanent im Mikrocomputer gespeichert.Inventive Solution of the Technical Problem and its Advantages The method and the arrangement of the invention are based on a measuring and information technology functional component. For the metrological solution, an eddy current test method is used, wherein in a test specimen of electrically conductive lightweight composite structures between the layers of the lightweight composite structure planar arranged planar coils and perpendicular thereto arranged SMD coils for generating and detecting the electromagnetic field quantities are used. The information technology evaluation of the measured signals takes place in a higher-level instance, which compares the signals of the measuring units with previously quantified reference values stored in a microcomputer, continuously analyzes for deviations in the standard and assigns these different characteristic features of damage. The damage characteristics are determined in advance and are permanently stored in the microcomputer.

In einer Ausgestaltung der Erfindung bilden die mess- und informationstechnische Komponenten ein diagnostisches System und werden mit in die elektrisch leitfähigen Leichtbau-Verbundstrukturen integriert. Dabei kann ein diagnostisches Gesamtsystem aus mehreren messtechnischen Komponenten und einer informationstechnischen Komponente bestehen, wobei die Daten der messtechnischen Teilsysteme insgesamt interpretiert und über geeignete Schnittstellen an eine Instanz höherer Ebene ausgegeben werden. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den begleitenden Ansprüchen angegeben. Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere in einer permanenten und kostengünstigen sensorischen und zerstörungsfreien Materialprüfung eines Werkstoffes (und seiner Umgebung) vor, welche innerhalb der Leichtbau-Verbundstruktur selbst durchgeführt wird und damit keine externen Anordnungen benötigt. Dies gestattet die Gestaltung autarker Strukturen, welche flexibel in ihrer Anwendung sind und mit selbstständigen und selbstlernenden Überwachungsfunktionen ausgestattet Werkstoffschäden lokalisieren und klassifizieren und deren Auswirkungen auf das Betriebsverhalten der Struktur bestimmen und ihre Restlebensdauer ermitteln können. Dadurch kann zum Beispiel eine Baugruppe rechtzeitig abgeschaltet und ein katastrophales Versagen vermieden werden. Weiterhin kann mit der Erfindung und einer weiteren Aktorik nach Schädigung des Bauteils das vorgesehene Betriebsverhalten wiederhergestellt werden. Insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungsgebieten ist eine zuverlässige Materialprüfung erforderlich, welche den Zustand eines Bauteils hochgenau bestimmt. Im Gegensatz zu sensorischen Ansätzen zur Überwachung des Belastungszustandes, wonach aus Überschreitungen von vorab quantifizierten Lastgrenzwerten mutmaßliche Werkstoffschäden zu schließen sind, kann die Erfindung solche zuverlässig bestimmen, da statt einer Überwachung des Belastungszustandes eine Materialprüfung erfolgt. Darüber hinaus kann eine Lokalisierung und Klassifizierung von etwaigen Materialschäden vorgenommen werden, was sonst nur externen Anordnungen überlassen ist. Weitere Vorteile ergeben sich daraus, dass in-situ Materialprüfungen von Bauteilen auch innerhalb komplexer Baugruppen sowie im Betrieb zulässig sind.In one embodiment of the invention, the measurement and information technology components form a diagnostic system and are integrated into the electrically conductive lightweight composite structures. In this case, an overall diagnostic system may consist of several metrological components and one information technology component, with the data of the metrological subsystems being interpreted as a whole and output via suitable interfaces to a higher-level instance. Further embodiments of the invention are specified in the accompanying claims. The achievable with the invention advantages are in particular in a permanent and inexpensive sensory and non-destructive material testing of a material (and its environment) before, which is carried out within the lightweight composite structure itself and thus requires no external arrangements. This allows the design of self-contained structures, which are flexible in their application and equipped with independent and self-learning monitoring functions localize and classify material damage and determine their impact on the performance of the structure and determine their remaining life. As a result, for example, a module switched off in time and a catastrophic failure can be avoided. Furthermore, the intended operating behavior can be restored with the invention and a further actuator system after damage to the component. Particularly in safety-critical fields of application, reliable material testing is required which determines the state of a component with high precision. In contrast to sensory approaches for monitoring the load state, according to which exceeding of predefined quantified load limits presumptuous material damage is to close, the invention can reliably determine such as instead of a monitoring of the load condition, a material test. In addition, a localization and classification of any material damage can be made, which is otherwise only external arrangements. Further advantages result from the fact that in-situ material testing of components is also permitted within complex assemblies as well as during operation.

Gemäß der Erfindung werden das Verfahren und die ihr zugrunde liegende Anordnung zur Überwachung von elektrisch leitfähigen Leichtbau-Verbundstrukturen eingesetzt. Ein Leichtbau-Werkstoff kann zum Beispiel ein Verbundwerkstoff mit Faserverstärkung sein. Dessen elektrische Leitfähigkeit ist durch leitfähige Kohlefasern oder Glasfasern mit leitfähiger Beschichtung oder/und mit leitfähiger Partikel dotierter Matrix gegeben. Weiterhin ist ein hybrider Aufbau aus leitfähigen und nichtleitfähigen Fasern vorgesehen.According to the invention, the method and the arrangement on which it is based are used for monitoring electrically conductive lightweight composite structures. A lightweight material may be, for example, a fiber reinforced composite. Its electrical conductivity is given by conductive carbon fibers or glass fibers with conductive coating or / and matrix doped with conductive particles. Furthermore, a hybrid structure of conductive and non-conductive fibers is provided.

Die Leichtbau-Verbundstruktur bildet eine anisotrope elektrische Leitfähigkeit aus, wenn leitfähige Fasern eingesetzt werden. Sie ist in der Regel isotrop leitend, wenn die Matrix mit leitfähigen Partikeln dotiert ist.The lightweight composite structure forms an anisotropic electrical conductivity when conductive Fibers are used. It is usually isotropically conductive when the matrix is doped with conductive particles.

Überlastungen oder äußerliche Einwirkungen führen innerhalb von Faserverbundwerkstoffen im Wesentlichen zu Delamination der Lagen, Bruch der Verstärkungsfasern, (Zwischenfaserbrüchen), Matrixbrüchen und Abplatzungen, wodurch das Betriebsverhalten von Bauteilen erheblich negativ beeinflusst wird. Erfindungsgemäß soll die Leichtbau-Verbundstruktur permanent auf derartige Materialfehler hin geprüft werden.Overloading or external effects within fiber composites essentially result in delamination of the layers, breakage of the reinforcing fibers, (inter-fiber breaks), matrix fractures and spalling, which significantly adversely affects the performance of components. According to the lightweight composite structure is to be permanently checked for such material defects out.

Die in der Leichtbauverbundstruktur senkrecht zueinander orientierten Spulenanordnungen dienen zur Erzeugung des Wirbelstromes und zur Erfassung der vom Zustand des Materials abhängigen elektromagnetischen Feldgrößen. Die obengenannten Schäden verursachen im Werkstoff in Abhängigkeit ihrer Klasse und ihres Ausmaßes lokal charakteristische Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeitsverteilung, welche sich wiederum auf die elektromagnetische Feldgeometrie der gesamten Anordnung auswirken. Überwiegend aber nicht ausnahmslos ist von einer Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit auszugehen. In der Regel treten bei einem schädigenden Ereignis mehrere Schadensklassen gleichzeitig auf, welche erfindungsgemäß zu unterscheiden sind. Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass sich gewisse Schadensklassen nur in bestimmten Raumrichtungen der anisotropen Leitfähigkeit signifikant auswirken oder aber keine Vorzugsrichtungen besitzen. Delaminationen verändern die Leitfähigkeit der Leichtbau-Verbundstruktur senkrecht zu seinen textilen Lagen, Faserbrüche wirken sich vorzugsweise in Lagenebene aus. Matrixschäden (und Zwischenfaserbrüche) haben keine Vorzugsrichtung per se. Eine Klassifizierung von Materialschäden wird also durch verschiedene Feldgeometrien des Wirbelfeldes erzielt.The coil arrangements oriented perpendicular to one another in the lightweight composite structure serve to generate the eddy current and to detect the electromagnetic field quantities dependent on the state of the material. Depending on their class and extent, the above-mentioned damage causes locally characteristic changes in the electrical conductivity distribution in the material, which in turn affect the electromagnetic field geometry of the entire arrangement. However, predominantly, but not without exception, a reduction in electrical conductivity can be assumed. As a rule, in the case of a damaging event, several damage classes occur simultaneously, which are to be distinguished according to the invention. The invention achieves this object by the fact that certain damage classes only have a significant effect in certain spatial directions of the anisotropic conductivity or have no preferred directions. Delaminations change the conductivity of the lightweight composite structure perpendicular to its textile layers, fiber breaks preferably have an effect in the layer plane. Matrix damage (and inter-fiber fractures) are not preferential per se. Classification of material damage is thus achieved by different field geometries of the vortex field.

Erfindungsgemäß wird der Prüfkörper in bestimmte anisotrope Raumrichtungen bevorzugt angeregt. Die dazu senkrecht zueinander orientierte Spulen induzieren Wirbelströme, die sich parallel oder senkrecht zu den textilen Lagen ausbilden. Hierzu werden einerseits Planarspulen verwendet, welche parallel und flächig zu den Lagen der Leichtbau-Verbundstruktur ausgerichtet überwiegend Wirbelströme mit paralleler Ausrichtung bezüglich der Lagen bilden. Andererseits sieht die Erfindung SMD-Spulen (engl.: surface mounted device, oberflächenmontiertes Bauteil) vor, deren Windungen, welche sich auf einem Ferritkern befinden, senkrecht zur Planarspule orientiert sind und die ein Wirbelfeld erzeugen, welches die Lagen senkrecht durchdringende Raumkomponenten aufweist. Dabei gehören mindestens eine Planarspule und eine SMD-Spule zu einer Messeinheit. Die Messeinheit ist auf verschiedene Schadensklassen unterschiedlich sensitiv, je nachdem wie die Feldlinien des Wirbelfeldes die Leichtbau-Verbundstruktur durchsetzen. Senkrecht durchsetzende Wirbelfelder reagieren überwiegend auf Delaminationen, solche mit paralleler Ausrichtung auf Faserbrüche. Matrixbrüche werden von beiden Feldausrichtungen erkannt.According to the invention, the test specimen is preferably excited in certain anisotropic spatial directions. The coils oriented perpendicular to one another induce eddy currents which form parallel or perpendicular to the textile layers. For this purpose, planar coils are used on the one hand, which form aligned parallel and flat to the layers of lightweight composite structure mainly eddy currents with parallel alignment with respect to the layers. On the other hand, the invention provides SMD (Surface Mounted Device) coils whose turns, which are on a ferrite core, are oriented perpendicular to the planar coil and which produce a vortex field having the layers of vertically penetrating space components. At least one planar coil and one SMD coil belong to a measuring unit. The measuring unit is sensitive to different damage classes, depending on how the field lines of the vortex field enforce the lightweight composite structure. Vertically penetrating vortex fields react predominantly to delaminations, those with a parallel orientation to fiber breaks. Matrix breaks are detected by both field alignments.

Erfindungsgemäß liefert eine Messeinheit separate Messgrößen, indem jeweils eine Planar- oder SMD-Spule den Wirbelstrom erzeugt, während die andere SMD- oder Planarspule die Feldantwort erfasst oder umgekehrt. Dabei wird die Leichtbau-Verbundstruktur an einer Messstelle mindestens einmal von einem parallel und einem senkrecht durchsetzenden Wirbelfeld geprüft.According to the invention, a measuring unit supplies separate measured variables, in each case one planar or SMD coil generates the eddy current, while the other SMD or planar coil detects the field response or vice versa. Here, the lightweight composite structure is tested at a measuring point at least once by a parallel and a vertically interspersed vortex field.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liefert eine Messeinheit separate Messgrößen, indem jeweils eine Spule der Messeinheit den Wirbelstrom gleichzeitig erzeugt und die Feldantwort erfasst. Dabei werden aber gleichermaßen parallel und senkrecht durchsetzende Wirbelfelder gebildet.According to a further advantageous embodiment of the invention, a measuring unit supplies separate measured variables, in each case one coil of the measuring unit simultaneously generates the eddy current and detects the field response. In this case, however, parallel and perpendicular interspersed vortex fields are formed.

Der Erfindung nach sind mehrere Messeinheiten in der Leichtbau-Verbundstruktur eingebracht, die regelmäßig (z. B. arrayförmig) oder unregelmäßig angeordnet sind und an mehreren Anregungsorten Messgrößen bilden. Dabei können mehrere Spulen derselben oder weiterer Messeinheiten gleichzeitig betrieben werden.According to the invention, a plurality of measuring units are incorporated in the lightweight composite structure, which are arranged regularly (eg array-shaped) or irregularly and form measured variables at a plurality of excitation locations. Several coils of the same or further measuring units can be operated simultaneously.

Erfindungsgemäß sind die Messeinheiten an eine übergeordnete Instanz angeschlossen. Diese beinhaltet die Erreger- und Messelektronik und steuert mit einem Mikrocomputer den Messablauf. Die Energieversorgung der übergeordneten Instanz soll drahtgebunden oder drahtlos erfolgen.According to the invention, the measuring units are connected to a higher-level instance. This contains the exciter and measuring electronics and controls the measuring process with a microcomputer. The power supply of the parent instance should be wired or wireless.

Erfindungsgemäß können die Messeinheiten weitere Sensoren enthalten, deren Messgrößen ebenfalls an die übergeordnete Instanz übermittelt werden.According to the invention, the measuring units can contain further sensors whose measured variables are likewise transmitted to the higher-level instance.

Eine Lokalisierung und Klassifizierung von Materialschäden und die Bestimmung deren Ausmaße bedarf einer Auswertung der Messgrößen der jeweiligen Messeinheiten, welche hierzu an die übergeordnete Instanz übergeben werden. Die Auswertung der Messgrößen soll mit deterministischen oder probabilistischen Methoden erfolgen, wobei die ausgewerteten Daten in die Bestimmung des Betriebsverhaltens der Leichtbau-Verbundstruktur einfließen. Hierzu ist in der übergeordneten Instanz ein Mikrocomputer vorgesehen.A localization and classification of material damage and the determination of its dimensions requires an evaluation of the measured variables of the respective measuring units, which are handed over to the higher-level instance. The evaluation of the measured quantities shall be carried out with deterministic or probabilistic methods, the evaluated data being used to determine the operating behavior of the lightweight composite structure. For this purpose, a microcomputer is provided in the higher-level instance.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht es unter Anwendung einer magnetisch induktiven Impedanztomographie, die innere Leitfähigkeitsverteilung der Leichtbau-Verbundstruktur zu rekonstruieren, wobei die rekonstruierten Daten in die diagnostische Untersuchung einfließen.A further advantageous embodiment of the invention makes it possible using a magneto-inductive impedance tomography, the to reconstruct the internal conductivity distribution of the lightweight composite structure, the reconstructed data being used in the diagnostic study.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung erlaubt es, mit Methoden der magnetisch induktiven Impedanztomographie oder anderen Verfahren die Verteilung der Leitfähigkeit oder Schäden zweidimensional oder dreidimensional bildlich darzustellen. Dabei erfolgt die Rekonstruktion der Messgrößen in der übergeordneten Instanz innerhalb der Leichtbau-Verbundstruktur. Die rekonstruierten Daten werden von der übergeordneten Instanz an eine Instanz höherer Ebene, welche außerhalb der Leichtbau-Verbundstruktur angeordnet ist, übergeben und an dieser geeignet dargestellt.A further advantageous embodiment of the invention makes it possible to represent the distribution of conductivity or damage two-dimensionally or three-dimensionally using methods of magnetic-inductive impedance tomography or other methods. The reconstruction of the measured variables takes place in the higher-level instance within the lightweight composite structure. The reconstructed data is transferred from the higher-level instance to a higher-level instance, which is arranged outside the lightweight composite structure, and displayed appropriately thereon.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sollen eine oder mehrere Spulen der Messeinheiten für eine drahtlose Daten- oder/und Energieübertragung genutzt werden.According to an advantageous embodiment of the invention, one or more coils of the measuring units are to be used for wireless data and / or energy transmission.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Lokalisierung und Klassifizierung und Bestimmung der Ausmaße von Schäden in Form einer manuellen Inspektion von zwei- oder dreidimensionalen Darstellungen durch zum Beispiel Wartungspersonal vorgesehen.According to an advantageous embodiment of the invention, a localization and classification and determination of the extent of damage in the form of a manual inspection of two- or three-dimensional representations provided by, for example, maintenance personnel.

Erfindungsgemäß sind die Messeinheiten und die übergeordnete Instanz auf einer Trägerfolie angeordnet und mit einer Isolationsbarriere von der leitfähigen Leichtbau-Verbundstruktur isoliert. Dabei sind alle Komponenten in vorteilhafter Weise miniaturisiert ausgelegt, um die Leichtbau-Verbundstruktur nicht zu schwächen und eine weitgehend unbeeinflusste Ausbreitung der Wirbelfelder zu garantieren. Die Anordnung wird vor dem Verpressen oder Laminieren zwischen die Lagen platziert und mit geeigneten Techniken zu einem Bauteil konsolidiert.According to the invention, the measuring units and the superordinate entity are arranged on a carrier foil and insulated with an insulating barrier from the conductive lightweight composite structure. All components are miniaturized in an advantageous manner in order not to weaken the lightweight composite structure and to guarantee a largely uninfluenced propagation of the vortex fields. The assembly is placed between the layers prior to compression or lamination and consolidated into a component using appropriate techniques.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. In the accompanying drawings show:

1 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines werkstoffintegrierten Überwachungssystems, 1 a schematic three-dimensional representation of a material-integrated monitoring system,

2a, 2b und 2c eine schematische zweidimensionale Darstellung von senkrecht zueinander orientierten Spulen, 2a . 2 B and 2c a schematic two-dimensional representation of perpendicular to each other oriented coils,

3a und 3b eine schematische Darstellung der Ausbreitung des Wirbelstroms in einer Leichtbau-Verbundstruktur, 3a and 3b a schematic representation of the propagation of the eddy current in a lightweight composite structure,

4 eine zweidimensionale schematische Darstellung einer Prüfanordnung, 4 a two-dimensional schematic representation of a test arrangement,

5 eine schematische Darstellung des schaltungstechnischen Aufbaus und 5 a schematic representation of the circuit construction and

6 eine schematische Darstellung eines schaltungstechnischen Aufbaus. 6 a schematic representation of a circuit construction.

Bezug nehmend auf oben aufgeführte Zeichnungen soll ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens und einer Anordnung zur Überwachung und Lokalisierung von Materialschäden und Diskontinuitäten in elektrisch leitfähigen Leichtbau-Verbundstrukturen erläutert werden.With reference to the above drawings, an embodiment of a method and apparatus for monitoring and locating material damage and discontinuities in electrically conductive lightweight composite structures will be explained.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Anordnung des Prüfsystems, bestehend aus mehreren Planarspulen 1 und SMD-Spulen 2 und einer übergeordneten Instanz 7, welche gemeinsam auf einer Trägerfolie 3 angeordnet sind und in eine elektrisch leitfähige Leichtbau-Verbundstruktur 6 eingebracht werden. Die Planarspulen 1 liegen flächig zwischen den Lagen der Leichtbau-Verbundstruktur 6. Vier SMD-Spulen 2 sind senkrecht und kreuzweise um jeweils eine Planarspule 1 positioniert. Andere Anordnungen der SMD-Spulen 2 bezüglich einer Planarspule 1 können vorgesehen sein. Sämtliche Komponenten des Prüfsystems werden zwischen Isolationsbarrieren 8 eingebracht, welche Kurzschlüsse zwischen der Leichtbau-Verbundstruktur 6 und den Komponenten des Prüfsystems verhindern. 1 shows an embodiment of the arrangement of the test system, consisting of several planar coils 1 and SMD coils 2 and a parent instance 7 , which together on a carrier film 3 are arranged and in an electrically conductive lightweight composite structure 6 be introduced. The planar coils 1 lie flat between the layers of lightweight composite structure 6 , Four SMD coils 2 are vertical and crosswise around each a planar coil 1 positioned. Other arrangements of SMD coils 2 with respect to a planar coil 1 can be provided. All components of the test system are between isolation barriers 8th introduced which short circuits between the lightweight composite structure 6 and prevent the components of the test system.

Die Leichtbau-Verbundstruktur 6 nach 1 besitzt elektrisch leitfähige Fasern oder/und Matrizen. Alle elektronischen Komponenten des Prüfsystems sind mit geeigneter Technik miniaturisiert ausgeführt, wodurch die Leichtbau-Verbundstruktur 6 unwesentlich geschwächt wird. Die Fläche der Trägerfolie 3 und der Isolationsbarriere 8 wird so gering wie möglich gehalten, um eine vorteilhafte Ausbreitung der Wirbelfelder 9 im Werkstoff zu bewerkstelligen. Dazu schließen diese zum Beispiel knapp mit den Komponenten des Prüfsystems ab. Verbindungen zwischen Spulen werden, wie in 1 ersichtlich, stegförmig ausgeführt. Die Energieversorgung für das Prüfsystem erfolgt durch eine nicht näher dargestellte drahtgebundene oder drahtlose Schnittstelle.The lightweight composite structure 6 to 1 has electrically conductive fibers and / or matrices. All electronic components of the test system are miniaturized using suitable technology, thereby improving the lightweight composite structure 6 is weakened slightly. The area of the carrier foil 3 and the isolation barrier 8th is kept as low as possible, to a beneficial spread of the vortex fields 9 to accomplish in the material. These close, for example, just with the components of the test system. Connections between coils will, as in 1 can be seen, designed web-shaped. The power supply for the test system is made by a wired or wireless interface, not shown.

Das Prüfsystem wird zwischen textile Lagen der Leichtbau-Verbundstruktur eingebracht und in einem geeigneten Prozess zu einem Bauteil konsolidiert.The test system is inserted between textile layers of the lightweight composite structure and consolidated in a suitable process to form a component.

2 zeigt verschiedene Ausführungen von Spulenanordnungen zum oben beschriebenen Verfahren. Erfindungsgemäß sind mindestens je eine Planarspule 1 und eine SMD-Spule 2 senkrecht zueinander orientiert und in einem vorteilhaften Abstand zueinander auf einer Trägerfolie 3 platziert und werden entweder als Erregerspule oder Messspule eingesetzt oder umgekehrt. Eine senkrechte Ausrichtung wird dadurch erreicht, dass die SMD-Spule 2 um einen Ferritkern gewickelte Windungen hat, wobei die SMD-Spule 2 so auf die Trägerfolie 3 platziert wird, dass diese senkrecht zur Planarspule 1) orientiert sind. Dabei bilden mindestens eine Planarspule 1 und eine SMD-Spule 2) eine Messeinheit. 2a zeigt eine mögliche Ausführung nach obengenannten Gesichtspunkten, wobei die Trägerfolie 3 nur einseitig mit Planarspulen 1 und SMD-Spulen 2 versehen ist. In dieser Ausführung genügt eine einseitige Isolationsbarriere 8 2b zeigt eine weitere Anordnung, wobei die Trägerfolie 3 beidseitig mit SMD-Spulen 2 versehen ist. Werden die übereinanderliegenden SMD-Spulen 2 in vorteilhafter Weise miteinander verschaltet, kann eine höhere Sensitivität des Prüfsystems erzielt werden. 2c stellt eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung dar, wobei die SMD-Spulen 2 so platziert werden, dass sich die Mittelachse der SMD-Spulen 2 in der Ebene der Planarspulen 1 befinden. Diese Anordnung bildet eine kompensierte Spulenanordnung, wobei bekannt ist, dass derartige Spulenanordnungen Eigenschaften haben, die sich vorteilig auf Verfahren auswirken die auf einer phasensensitiven Detektion beruhen. Erfindungsgemäß soll ein derartiges Verfahren in einem Ausführungsbeispiel eingesetzt werden. 2 shows various embodiments of coil arrangements for the method described above. According to the invention, at least one planar coil each 1 and an SMD coil 2 oriented perpendicular to each other and at an advantageous distance to each other on a carrier foil 3 are placed and used either as exciter coil or measuring coil or vice versa. A vertical alignment is achieved by the SMD coil 2 around a ferrite core wound turns, the SMD coil 2 so on the carrier film 3 is placed that perpendicular to the planar coil 1 ) are oriented. At least one planar coil forms 1 and an SMD coil 2 ) a measuring unit. 2a shows a possible embodiment according to the above-mentioned aspects, wherein the carrier film 3 only one-sided with planar coils 1 and SMD coils 2 is provided. In this embodiment, a one-sided isolation barrier is sufficient 8th 2 B shows a further arrangement, wherein the carrier film 3 both sides with SMD coils 2 is provided. Be the superimposed SMD coils 2 interconnected in an advantageous manner, a higher sensitivity of the test system can be achieved. 2c represents an advantageous embodiment of the invention, wherein the SMD coils 2 be placed so that the center axis of the SMD coils 2 in the plane of the planar coils 1 are located. This arrangement forms a compensated coil arrangement, it being known that such coil arrangements have properties which have an advantageous effect on methods which are based on a phase-sensitive detection. According to the invention, such a method is to be used in one exemplary embodiment.

3 beschreibt das Verfahren aller Ausführungsbeispiele. Erfindungsgemäß wird mindestens je eine Planarspule 1 und eine SMD-Spule 2 sequentiell als Erregerspule betrieben, wobei diese von einem zeitharmonischen Wechselstrom durchflossen wird. Folglich baut die Erregerspule ein zeitharmonisches elektromagnetisches Anregungsfeld auf, welches entsprechend der Lenzschen Regel einen Wirbelstrom 9 in der elektrisch leitfähigen Leichtbau-Verbundstruktur 6 erzeugt. Die Erregerspule ist dabei räumlich vollständig von den Wirbelströmen 9 umgeben. Die Wirbelströme 9 verursachen ihrerseits ein sekundäres elektromagnetisches Wechselfeld, welches dem Anregungsfeld überlagert ist. Das sekundäre Wechselfeld durchsetzt die Messspule, die jeweils eine der nicht anregenden Spulen einer Messeinheit ist, und induziert in dieser eine elektrische Spannung. Diese wird an eine übergeordnete Instanz 7 übergeben und gemäß an späterer Stelle beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgewertet. 3 describes the method of all embodiments. According to the invention, at least one planar coil each 1 and an SMD coil 2 operated sequentially as excitation coil, which is traversed by a time-harmonic alternating current. Consequently, the exciter coil builds a time-harmonious electromagnetic excitation field, which according to the Lenz's rule an eddy current 9 in the electrically conductive lightweight composite structure 6 generated. The excitation coil is spatially completely from the eddy currents 9 surround. The eddy currents 9 in turn cause a secondary electromagnetic alternating field, which is superimposed on the excitation field. The secondary alternating field passes through the measuring coil, which is in each case one of the non-exciting coils of a measuring unit, and induces an electrical voltage in it. This is sent to a higher-level instance 7 passed and evaluated according to embodiments described later.

Die Feldgeometrie der Wirbelströme 9 und damit die der elektromagnetischen Wechselfelder ist abhängig von der räumlichen Leitfähigkeitsverteilung in der Leichtbau-Verbundstruktur 6. Treten in diesem Materialschäden wie zum Beispiel Risse, Fehlstellen, Einschlüsse, Delaminationen oder Matrix- oder Faserbrüche auf, stellt sich, bezogen auf eine unbeschädigte Leichtbau-Verbundstruktur 6, eine insgesamt veränderte Feldgeometrie ein.The field geometry of the eddy currents 9 and hence that of the alternating electromagnetic fields is dependent on the spatial conductivity distribution in the lightweight composite structure 6 , If material damage such as cracks, imperfections, inclusions, delaminations or matrix or fiber fractures occurs in this material, then, based on an undamaged lightweight composite structure 6 , an overall changed field geometry.

Bei einer Ausführung der Erfindung soll die Leichtbau-Verbundstruktur 6 permanent auf Schäden geprüft werden. Dies kann sehr einfach festgestellt werden, indem mit dem Prüfsystem in der unbeschädigten Leichtbau-Verbundstruktur 6 vorab ein Soll-Zustand bestimmt wird und dieser mit dem Ist-Zustand verglichen wird. Hierbei kann zunächst nur festgestellt werden, ob in der Leichtbau-Verbundstruktur 6 Schäden aufgetreten sind.In one embodiment of the invention, the lightweight composite structure 6 permanently checked for damage. This can be determined very easily by using the test system in the undamaged lightweight composite structure 6 beforehand a desired state is determined and this is compared with the actual state. Here, at first, it can only be determined whether in the lightweight composite structure 6 Damage has occurred.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung sollen Schäden von Leichtbau-Verbundstrukturen klassifiziert werden. Dazu wird die Leichtbau-Verbundstruktur 6 mit Wirbelströmen 9 angeregt, dessen Feldlinien unterschiedliche Raumrichtungen bevorzugen. Die erfindungsgemäße Lösung ist in 3 dargestellt, wobei in 3a eine Planarspule 1 einen Wirbelstrom 9 mit überwiegend paralleler Ausrichtung zu den textilen Lagen hervorruft. Im Gegensatz dazu hat der Wirbelstrom 9 dann die Lagen senkrecht durchsetzende Feldkomponenten, wenn mit einer SMD-Spule 2 angeregt wird (3b).In a further embodiment of the invention, damage to lightweight composite structures is to be classified. This is the lightweight composite structure 6 with eddy currents 9 stimulated whose field lines prefer different spatial directions. The solution according to the invention is in 3 shown, in 3a a planar coil 1 an eddy current 9 with predominantly parallel orientation to the textile layers causes. In contrast, the eddy current has 9 then the layers perpendicularly passing field components, if with an SMD coil 2 is stimulated ( 3b ).

4 zeigt eine arrayförmige Anordnung von mehreren Planarspulen 1 und SMD-Spulen 2 innerhalb der Leichtbau-Verbundstruktur 6, wodurch mehrere Messeinheiten mit verschiedenen Anregungsorten gebildet werden. Dabei kann eine Messeinheit aus nicht unmittelbar benachbarten Spulen gebildet sein. Die Messgrößen der Messeinheiten werden an die übergeordnete Instanz 7 übergeben und erfindungsgemäß zur Lokalisierung von Materialschäden ausgewertet. 4 shows an arrayed arrangement of several planar coils 1 and SMD coils 2 within the lightweight composite structure 6 , whereby several measuring units are formed with different destinations. In this case, a measuring unit may be formed from not directly adjacent coils. The measured variables of the measuring units are sent to the higher-level instance 7 passed and evaluated according to the invention for the localization of material damage.

Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht nicht-arrayförmige aber regelmäßige oder unregelmäßige Anordnungen, in jedem Falle aber in einer vorteilhaften Weise ausgestaltete Anordnungen, vor.A further embodiment of the invention provides non-array-shaped but regular or irregular arrangements, in any case, but in an advantageous manner configured arrangements before.

Erfindungsgemäß sind im Wesentlichen zwei Verfahren zur Bildung der Messgrößen vorgesehen, welche 5 und 6 beschreiben.According to the invention, essentially two methods are provided for forming the measured variables, which 5 and 6 describe.

5 zeigt eine Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehend aus einem Mikrocomputer 15, einem Spulentreiber 23, einem Messverstärker 24 und einem Umschalter 22, die gemeinsam die übergeordnete Instanz 7 bilden. Jede innerhalb der Leichtbau-Verbundstruktur 6 angeordnete Planarspule 1 und SMD-Spule 2 ist mit dem Umschalter 22 verbunden. 5 shows an arrangement according to an embodiment of the invention consisting of a microcomputer 15 , a coil driver 23 , a measuring amplifier 24 and a switcher 22 that together are the parent instance 7 form. Each within the lightweight composite structure 6 arranged planar coil 1 and SMD coil 2 is with the switch 22 connected.

Erfindungsgemäß wird zur Bildung der Messgrößen vom Mikrocomputer 15 ein zeitharmonisches Signal erzeugt, dessen Amplitude im Spulentreiber 23 vorteilhaft verstärkt und zum Umschalter 22 weitergeführt wird. Der Umschalter 22 verbindet das Anregungssignal wahlweise mit mindestens einer Planarspule 1 oder SMD-Spule 2 des Prüfsystems, welche damit die Erregerspule ist. Gleichzeitig koppelt der Umschalter 22 mindestens eine senkrecht zur erregenden Spule orientierte Messspule an den Messverstärker 24, welcher die in der Messspule induzierte Spannung verstärkt und diese als Messgröße an den Mikrocomputer 15 übergibt.According to the invention, the formation of the measured variables by the microcomputer 15 generates a time-harmonic signal whose amplitude in the coil driver 23 advantageously amplified and to the switch 22 is continued. The switch 22 optionally connects the excitation signal to at least one planar coil 1 or SMD coil 2 the test system, which is thus the exciter coil. At the same time coupled the switch 22 at least one perpendicular to the exciting coil oriented measuring coil to the measuring amplifier 24 which amplifies the voltage induced in the measuring coil and this as a measured variable to the microcomputer 15 passes.

Der Messablauf wird vom Mikrocomputer 15 aus gesteuert, indem dieser mittels des Umschalters 22 in vorteilhafter Weise ein oder mehrere Messeinheiten in Betrieb nimmt oder Messsequenzen bei verschiedenen Messfrequenzen wiederholt. Die Messgrößen werden erfindungsgemäß im Mikrocomputer 15 gesammelt und ausgewertet. Dazu sollen gemäß einer Ausführung der Erfindung die Amplituden und Phasen der Messgrößen bestimmt werden, welche veränderte elektrische Eigenschaften der Leichtbau-Verbundstruktur 6 anzeigen. Dies kann vorzugsweise durch eine phasensensitive Detektion geschehen.The measurement process is from the microcomputer 15 controlled by this by means of the switch 22 advantageously one or more measuring units in operation or repeated measuring sequences at different measurement frequencies. The measured variables are inventively in the microcomputer 15 collected and evaluated. For this purpose, according to an embodiment of the invention, the amplitudes and phases of the measured quantities are to be determined, which changes the electrical properties of the lightweight composite structure 6 Show. This can preferably be done by a phase-sensitive detection.

Erfindungsgemäß sollen die ausgewerteten Messgrößen entweder zur Durchführung einer magnetisch induktiven Impedanztomographie verwendet werden oder in statistische oder deterministische Analyseverfahren einfließen.According to the invention, the evaluated measured variables are to be used either to perform a magneto-inductive impedance tomography or to be included in statistical or deterministic analysis methods.

Abweichend von dem Verfahren nach 5 wird in einer weiteren Ausführung der Erfindung der Wirbelstrom 9 von einer Spule einer Messeinheit erzeugt und gleichzeitig dessen Feldantwort erfasst. Dabei setzt sich eine Messeinheit weiterhin aus mindestens zwei senkrecht zueinander orientierten Spulen zusammen. Die Auswertung der Feldantwort erfolgt auf indirektem Wege, indem elektrische Impedanzänderungen der Spulen, welche wiederum mit der Feldgeometrie der Wirbelströme 9 verknüpft sind, ermittelt werden.Notwithstanding the method according to 5 In a further embodiment of the invention, the eddy current 9 generated by a coil of a measuring unit and simultaneously detects its field response. In this case, a measuring unit continues to be composed of at least two coils oriented perpendicular to each other. The evaluation of the field response takes place indirectly, by electrical impedance changes of the coils, which in turn with the field geometry of the eddy currents 9 are determined.

Die elektrische Impedanz der Planarspule 1 und der SMD-Spule 2 setzt sich in einer ersatzschalttechnischen Darstellung nach 6 aus ihrer Induktivität 17, 19, ihrer Konduktanz 16, 18 und ihrer parasitären Kapazitätsbeläge 5, 21 zusammen. Die Überlagerung von Anregungsfeld und Feldantwort verändert die elektrischen Eigenschaften der Spulen selbst, was in der Darstellung als zusätzliche Impedanzen 4 und 5 modelliert wird. Änderungen in der elektrischen Leitfähigkeitsverteilung der Leichtbau-Verbundstruktur 6 führen zu veränderten Feldantworten und damit zu Impedanzänderungen der Spulen, welche direkt oder indirekt ermittelt werden können.The electrical impedance of the planar coil 1 and the SMD coil 2 is reflected in a Ersatzschalttechnischen representation 6 from their inductance 17 . 19 , her conductance 16 . 18 and their parasitic capacity 5 . 21 together. The superimposition of the excitation field and the field response alters the electrical properties of the coils themselves, which in the illustration are additional impedances 4 and 5 is modeled. Changes in the electrical conductivity distribution of the lightweight composite structure 6 lead to changed field responses and thus to impedance changes of the coils, which can be determined directly or indirectly.

Erfindungsgemäß werden Impedanzänderungen mit einem LCR-Oszillator 14 indirekt erfasst. Dabei sind die Planarspule 1 und die SMD-Spule 2 jeweils selbst Bestandteil des LCR-Oszillators 14, wobei ihre Impedanzen und ihre Änderungen die Amplitude und die Resonanzfrequenz des LCR-Oszillators beeinflussen.According to the invention, impedance changes are made with an LCR oscillator 14 indirectly recorded. Here are the planar coil 1 and the SMD coil 2 each itself part of the LCR oscillator 14 Wherein their impedances and their changes affect the amplitude and resonant frequency of the LCR oscillator.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die Planarspulen 1 und die SMD-Spulen 2 einer Messeinheit mittels des Umschalters 22 sequentiell mit der übergeordneten Instanz 7 verbunden. Diese sieht für jeweils eine Planarspule 1 und eine SMD-Spule 2 eine kapazitive Dreipunktschaltung vor, welche aus den Kondensatoren 10 und dem Bezugspotential 12 gebildet wird und gemeinsam mit einer kapazitiv rückgekoppelten Verstärkerschaltung 11, 13 den LCR-Oszillator 14 bilden. Diese Ausführung benötigt nur wenige elektronische Bauelemente und ist daher besonders kostengünstig.According to one embodiment, the planar coils 1 and the SMD coils 2 a measuring unit by means of the switch 22 sequentially with the parent instance 7 connected. This sees for each a planar coil 1 and an SMD coil 2 a capacitive three-point circuit, which consists of the capacitors 10 and the reference potential 12 is formed and together with a capacitive feedback amplifier circuit 11 . 13 the LCR oscillator 14 form. This design requires only a few electronic components and is therefore particularly cost-effective.

Werden die Planarspulen 1 und die SMD-Spulen 2 innerhalb des LCR-Oszillators 14 betrieben, so können diese nach oben aufgeführten Gesichtspunkten gleichzeitig zur Erzeugung und Erfassung der Feldgrößen genutzt werden. Dazu sind die LCR-Oszillatoren 14 mit dem Mikrocomputer 15 verbunden, welcher deren Amplitude und Frequenz als Messgröße erhält.Will the planar coils 1 and the SMD coils 2 within the LCR oscillator 14 operated, these aspects listed above can be used simultaneously for generating and recording the field sizes. These are the LCR oscillators 14 with the microcomputer 15 connected, which receives its amplitude and frequency as a measured variable.

Erfindungsgemäß sollen die ausgewerteten Messgrößen ebenfalls in statistische oder deterministische Analyseverfahren einfließen oder mit Methoden der magnetisch induktiven Impedanztomographie verarbeitet werden.According to the invention, the evaluated measured variables should also be included in statistical or deterministic analysis methods or processed with methods of magnetic-inductive impedance tomography.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Planarspuleplanar coil
22: SMD-SpuleSMD coil
33: Trägerfoliesupport film
44: In Abhängigkeit von Materialschäden erfahrene komplexwertige Impedanzänderung der PlanarspuleDepending on material damage experienced complex-valued impedance change of the planar coil
55: parasitärer Kapazitätsbelag der Spuleparasitic capacitance of the coil
66: elektrisch leitfähige Leichtbau-Verbundstrukturelectrically conductive lightweight composite structure
77: übergeordnete Instanzparent instance
88th: Isolationsbarriereisolation barrier
99: in der Leichtbau-Verbundstruktur induzierte Wirbelströmeeddy currents induced in the lightweight composite structure
1010: Kondensator einer kapazitiven DreipunktschaltungCapacitor of a capacitive three-point circuit
1111: RückkoppelkondensatorFeedback capacitor
1212: Bezugspotentialreference potential
1313: Verstärkerschaltungamplifier circuit
1414: kapazitiv rückgekoppelter LCR-OszillatorCapacitive feedback LCR oscillator
1515: Mikrocomputermicrocomputer
1616: Konduktanz der PlanarspuleConductance of the planar coil
1717: Induktivität der PlanarspuleInductance of the planar coil
1818: Konduktanz der SMD-SpuleConductance of the SMD coil
1919: Induktivitat der SMD-SpuleInductance of the SMD coil
2020: In Abhängigkeit von Materialschäden erfahrene komplexwertige Impedanzänderung der SMD-SpuleDepending on material damage experienced complex-valued impedance change of the SMD coil
21 21: parasitärer Kapazitätsbelag der SMD-Spuleparasitic capacitance of the SMD coil
2222: Umschalterswitch
2323: Spulentreibercoil driver
2424: Messverstärkermeasuring amplifiers

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 3827229 A1 [0004]
DE 19945944 C2 [0004]
DE 19710743 C2 [0004]
DE 102008017177 A1 [0004]
EP 019579281 [0004]
WO 2005/043107 A2 [0004]
WO 01/39253 A2 [0004]
WO 2004/10063 A2 [0004]
WO 2008/011649 [0005]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

C. Riedel, "Planar Inductive Impedance Measurement Methods", Dissertation, 2004 [0006]

Claims

Method for monitoring and localization of material damage and discontinuities in an electrically conductive lightweight composite structure with magnetic inductive impedance measurements using excitation and measuring coils, characterized in that the electromagnetic field quantities used for impedance measurement are determined by means of intermediate layers of the lightweight composite structure ( 6 ) flatly arranged planar coils ( 1 ) and perpendicular thereto within the lightweight composite structure ( 6 ) arranged SMD coils ( 2 ) are generated and measured, and the measured variables are sent to a higher-level entity ( 7 ) be handed over.

A method according to claim 1, characterized in that the measured quantities are processed by information technology and in a diagnostic examination of the lightweight composite structure ( 6 ).

Method according to Claim 2, characterized in that damage is localized and the type of damage is classified and the effects on the operating behavior of the lightweight composite structure ( 6 ).

Method according to Claim 1, characterized by the use of magneto-inductive impedance tomography.

Method according to Claim 4, characterized in that damage in the lightweight composite structure ( 6 ) are displayed two-dimensionally or three-dimensionally.

A method according to claim 4 or claim 5, characterized in that the type of damage is classified on the basis of the pictorial representation and the extent of the damage is localized and determined.

A method according to claim 1, characterized in that the excitation coils also serve as measuring coils.

Method according to claim 1, characterized by a combination of the methods according to claim 2 and claim 4.

Arrangement for a method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the planar coils ( 1 ) parallel and flat to the layers of the lightweight composite structure ( 6 ) and the SMD coils ( 2 ) perpendicular thereto together with their excitation and / or measuring electronics and optionally further sensors electrically isolated and distributed over zones to be monitored in the lightweight composite structure ( 6 ) and are grouped together to one or more measuring units which separately supply measured variables to a higher-level entity ( 7 ) deliver.

Arrangement according to claim 9, characterized in that the planar coils ( 1 ) as excitation coils and the SMD coils ( 2 ) serve as measuring coils or vice versa.

Arrangement according to claim 9, characterized in that the planar coils ( 1 ) and / or the SMD coils ( 2 ) each serve at the same time as exciter and measuring coils.

Arrangement according to at least one of claims 9 to 11, characterized in that a measuring unit consists of at least one planar coil ( 1 ), an SMD coil ( 2 ) and their located in the parent instance exciter and measuring electronics.

Arrangement according to at least one of claims 9 to 12, characterized in that the higher-level entity inside or outside the lightweight composite structure ( 6 ) is arranged.

Arrangement according to at least one of Claims 9 to 13, characterized in that an interface for the wired or wireless transmission of the measured variables to the higher-level entity ( 7 ) or from this to a higher-level instance.

Arrangement according to at least one of claims 9 to 14, characterized in that the exciter or measuring coils serve as a transmitter for a radio interface.

Arrangement according to at least one of claims 9 to 15, characterized in that one or more measuring units each on a carrier film ( 3 ) are applied.

Arrangement for a method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the lightweight composite structure ( 6 ) has electrically conductive and non-conductive areas.