DE102019124614A1 - Measuring head for non-destructive testing of an object, measuring system and method for testing weld seams on fiber composite materials - Google Patents

Measuring head for non-destructive testing of an object, measuring system and method for testing weld seams on fiber composite materials Download PDF

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Matthias Gerhardt
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Abstract

Ein Messkopf zur zerstörungsfreien Prüfung eines Gegenstandes umfasst einen piezoelektrischen Wandler (2) mit einer Oberfläche (5) zum Aufsetzen auf den Gegenstand, eine Haltestruktur (4) zum Halten des Messkopfes und ein zwischen dem piezoelektrischen Wandler (2) und der Haltestruktur angeordnetes Elastomer (6).A measuring head for the non-destructive testing of an object comprises a piezoelectric transducer (2) with a surface (5) to be placed on the object, a holding structure (4) for holding the measuring head and an elastomer (2) arranged between the piezoelectric transducer (2) and the holding structure ( 6).

Description

Technisches GebietTechnical area

Ausführungsbeispiele befassen sich mit Messköpfen zur zerstörungsfreien Prüfung eines Gegenstandes, insbesondere mit mehrfach verwendbaren Messköpfen.Exemplary embodiments deal with measuring heads for non-destructive testing of an object, in particular with measuring heads that can be used repeatedly.

Hintergrundbackground

Messköpfe zur zerstörungsfreien Prüfung von Gegenständen können piezoelektrische Wandler aufweisen, die sowohl den Gegenstand mechanisch anregen als auch dessen Reaktion auf die Anregung messen. Piezoelektrische Wandler können, bedingt durch den direkten und indirekten piezoelektrischen Effekt, als Sensoren und auch als Aktoren verwendet werden und eignen sich daher gut für eine zerstörungsfreie Strukturprüfung. Zur Prüfung kann der piezoelektrische Wandler über ein Übertragungsmedium auf eine Prüfstruktur bzw. einen Gegenstand appliziert und mit elektrischer Spannung angeregt werden, sodass der Wandler das Material des Gegenstandes in Schwingung versetzt. Dazu wird beispielsweise der d31-Effekt des Wandlers genutzt. Das Übertragungsmedium sollte eine feste Verbindung zum Gegenstand herstellen und bewirken, dass lediglich das gekoppelte System aus Wandler und Gegenstand angeregt wird. Häufig wird dafür ein Zweikomponenten-Epoxid-Klebstoff verwendet, der die elektromechanische Kopplung zwischen dem Wandler und der Prüfstruktur herstellt. Befindet sich der Wandler in Schwingung, entsteht durch die elektromechanische Kopplung eine lokale Schwingung auf der Prüfstruktur. Das Schwingverhalten ändert sich je nach Strukturzustand und lässt sich über die Messung der elektromechanischen Impedanz am piezoelektrischen Wandler qualitativ identifizieren. Eine gute und störungsfreie elektromechanische Kopplung ist folglich erforderlich, um den Strukturzustand zu überwachen. Eine geeignete und übliche Klebeverbindung mit beispielsweise einem Zweikomponenten-Epoxid-Klebstoff ist jedoch nicht wieder lösbar, sodass je Messung ein Wandler benötigt wird und am geprüften Gegenstand der Wandler oder zumindest Reste des befestigten Wandlers verbleiben. Das macht dies herkömmliche Verfahren in der Praxis für viele Gegenstände ungeeignet oder zumindest teuer und grenzt dadurch die Anwendbarkeit des Verfahrens stark ein.Measuring heads for the non-destructive testing of objects can have piezoelectric transducers that both mechanically excite the object and measure its reaction to the excitation. Due to the direct and indirect piezoelectric effect, piezoelectric converters can be used as sensors and also as actuators and are therefore well suited for non-destructive structural testing. For testing, the piezoelectric transducer can be applied to a test structure or an object via a transmission medium and excited with electrical voltage so that the transducer sets the material of the object in vibration. For example, the d31 effect of the converter is used for this purpose. The transmission medium should establish a firm connection to the object and ensure that only the coupled system of transducer and object is excited. A two-component epoxy adhesive is often used for this, which creates the electromechanical coupling between the transducer and the test structure. If the transducer is vibrating, the electromechanical coupling creates a local vibration on the test structure. The vibration behavior changes depending on the structural condition and can be qualitatively identified by measuring the electromechanical impedance on the piezoelectric transducer. A good and trouble-free electromechanical coupling is therefore necessary in order to monitor the structural condition. However, a suitable and customary adhesive connection with, for example, a two-component epoxy adhesive cannot be released again, so that a transducer is required for each measurement and the transducer or at least remnants of the attached transducer remain on the tested object. This makes this conventional method unsuitable or at least expensive in practice for many objects and thereby severely limits the applicability of the method.

Es besteht ein Bedarf zur Erhöhung der Flexibilität bei der zerstörungsfreien Prüfung von Gegenständen.There is a need to increase flexibility in the non-destructive testing of articles.

ZusammenfassungSummary

Ein Ausführungsbeispiel eines Messkopfes zur zerstörungsfreien Prüfung eines Gegenstandes umfasst einen piezoelektrischen Wandler mit einer Oberfläche zum Aufsetzen auf den Gegenstand und eine Haltestruktur zum Halten des Messkopfes. Zwischen dem piezoelektrischen Wandler und der Haltestruktur ist ein Elastomer angeordnet. Ausführungsbeispiele von Messköpfen können flexibel verwendet werden, da diese reversibel an das zu untersuchende Bauteil bzw. den zu untersuchenden Gegenstand angepresst und danach wieder entfernt werden können. Ein geeignet gewähltes Elastomer kann verhindern, dass während der Messung auch die Haltestruktur des Messkopfes mechanisch angeregt wird, was die Qualität der Messung negativ beeinflussen würde. Mittels der Ausführungsbeispiele von Messköpfen kann im Wesentlichen der zu untersuchende Gegenstand mechanisch angeregt werden, wenngleich auch andere Strukturen Teil des Messkopfes sein können, die jedoch vom piezoelektrischen Wandler durch das Elastomer entkoppelt sind. Beispielsweise kann die Haltestruktur verwendet werden, den Messkopf an eine größere Messvorrichtung anzubinden, ohne dass die Messung durch sie beeinflusst wird.One embodiment of a measuring head for non-destructive testing of an object comprises a piezoelectric transducer with a surface for placing on the object and a holding structure for holding the measuring head. An elastomer is arranged between the piezoelectric transducer and the holding structure. Embodiments of measuring heads can be used flexibly, since they can be reversibly pressed against the component to be examined or the object to be examined and then removed again. A suitably selected elastomer can prevent the holding structure of the measuring head from being mechanically excited during the measurement, which would negatively affect the quality of the measurement. By means of the exemplary embodiments of measuring heads, the object to be examined can essentially be mechanically excited, although other structures can also be part of the measuring head, but which are decoupled from the piezoelectric transducer by the elastomer. For example, the holding structure can be used to connect the measuring head to a larger measuring device without the measurement being influenced by it.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen hat das Elastomer eine Shore-A-Härte von weniger als 25. Eine Härte in diesem Bereich kann zu einer ausreichenden mechanischen Isolation des piezoelektrischen Wandlers von der Haltestruktur führen.According to some exemplary embodiments, the elastomer has a Shore A hardness of less than 25. A hardness in this range can lead to sufficient mechanical insulation of the piezoelectric transducer from the holding structure.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist das Elastomer ein Silikon. Silikone haben sich aufgrund der mechanischen Eigenschaften und der Verarbeitbarkeit als geeignete Materialien für das Elastomer des Messkopfes herausgestellt.According to some exemplary embodiments, the elastomer is a silicone. Because of their mechanical properties and processability, silicones have proven to be suitable materials for the elastomer of the measuring head.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen sind der piezoelektrische Wandler und die Haltestruktur mittels des Elastomers der oben genannten Härte miteinander vergossen. Dies ermöglicht sowohl auf einfache Art und Weise einen Messkopf herzustellen als auch diesen kompakt zu halten.According to some exemplary embodiments, the piezoelectric transducer and the holding structure are cast with one another by means of the elastomer of the hardness mentioned above. This enables both a measuring head to be produced in a simple manner and also to keep it compact.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist die Oberfläche zum Aufsetzen auf den Gegenstand frei von der Vergussmasse, was eine Beeinträchtigung der Messung verhindern kann.According to some exemplary embodiments, the surface for placing on the object is free of the potting compound, which can prevent the measurement from being impaired.

Ein Ausführungsbeispiel eines Messsystems zur zerstörungsfreien Prüfung eines Gegenstandes umfasst einen Messkopf und eine Anpressvorrichtung, die ausgebildet ist, um den Messkopf während einer Messung mit vorgegebener Anpresskraft auf den Gegenstand zu pressen. Ein solches Messsystem kann reversibel und dennoch reproduzierbar Messungen an zu untersuchenden Gegenständen vornehmen.An exemplary embodiment of a measuring system for the non-destructive testing of an object comprises a measuring head and a pressing device which is designed to press the measuring head onto the object with a predetermined contact force during a measurement. Such a measuring system can carry out reversible and nevertheless reproducible measurements on objects to be examined.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Anpressvorrichtung einen Roboterarm, was Messungen an nahezu beliebigen Geometrien der zu untersuchenden Gegenstände ermöglichen kann.According to some exemplary embodiments, the pressing device comprises a robot arm, what Can enable measurements on almost any geometries of the objects to be examined.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist die Anpressvorrichtung ausgebildet, die Anpresskraft konstant zu halten, was die Aussagekraft wiederholter Messungen verbessern kann.According to some exemplary embodiments, the pressing device is designed to keep the pressing force constant, which can improve the informative value of repeated measurements.

Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Prüfung von Schweißnähten an Faserverbundwerkstoffen umfasst ein Anpressen eines Ausführungsbeispiels eines Messkopfs am Faserverbundwerkstoff in einer Umgebung der Schweißnaht und ein Anregen des Materials des Faserverbundwerkstoffes mittels des piezoelektrischen Wandlers. Das Verfahren umfasst ferner ein Messen einer Reaktion des Faserverbundwerkstoffes auf die Anregung mittels des piezoelektrischen Wandlers und ein Auswerten der gemessenen Reaktion, um auf eine Integrität der Schweißnaht zu schließen. Ausführungsbeispiele dieses Verfahrens kann das Prüfen von Faserverbundwerkstoffen bzw. deren Schweißnähten ermöglichen, ohne dass ungewollt Reste der Messvorrichtung am Faserverbundwerkstoff verbleiben, was beispielsweise bei Leichtbauten, die Faserverbundwerkstoffe einsetzen, unakzeptabel sein kann.An exemplary embodiment of a method for testing weld seams on fiber composite materials comprises pressing an exemplary embodiment of a measuring head against the fiber composite material in the vicinity of the weld seam and exciting the material of the fiber composite material by means of the piezoelectric transducer. The method further comprises measuring a reaction of the fiber composite material to the excitation by means of the piezoelectric transducer and evaluating the measured reaction in order to infer an integrity of the weld seam. Embodiments of this method can enable the testing of fiber composites or their weld seams without unwanted residues of the measuring device remaining on the fiber composite, which can be unacceptable, for example, in lightweight constructions that use fiber composites.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Auswerten der Reaktion ein Vergleichen der Reaktion mit der vorbekannten Reaktion eines Gutteils auf die Anregung, wodurch die Aussagekraft der Messung verbessert werden kann.According to some exemplary embodiments, the evaluation of the reaction comprises a comparison of the reaction with the previously known reaction of a good part to the excitation, whereby the informative value of the measurement can be improved.

FigurenlisteFigure list

Einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft näher erläutert:

  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Messkopfes zur zerstörungsfreien Prüfung eines Gegenstandes;
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Messsystems zur zerstörungsfreien Prüfung eines Gegenstandes; und
  • 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Prüfung von Schweißnähten an Faserverbundwerkstoffen.
Some examples of devices and / or methods are explained in more detail below with reference to the accompanying figures, merely by way of example:
  • 1 shows an embodiment of a measuring head for non-destructive testing of an object;
  • 2 shows an embodiment of a measuring system for non-destructive testing of an object; and
  • 3 FIG. 11 shows a flow diagram of an exemplary embodiment of a method for testing weld seams on fiber composite materials.

Beschreibungdescription

Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen einige Beispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.Various examples will now be described in more detail with reference to the accompanying figures, in which some examples are shown. In the figures, the strengths of lines, layers and / or areas may be exaggerated for clarity.

Während sich weitere Beispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, sind dementsprechend einige bestimmte Beispiele derselben in den Figuren gezeigt und werden nachfolgend ausführlich beschrieben. Allerdings beschränkt diese detaillierte Beschreibung weitere Beispiele nicht auf die beschriebenen bestimmten Formen. Weitere Beispiele können alle Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken, die in den Rahmen der Offenbarung fallen. Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente, die bei einem Vergleich miteinander identisch oder in modifizierter Form implementiert sein können, während sie die gleiche oder eine ähnliche Funktion bereitstellen.Accordingly, while other examples are susceptible of various modifications and alternative forms, some specific examples thereof are shown in the figures and will be described in detail below. However, this detailed description does not limit other examples to the particular forms described. Other examples may cover all modifications, equivalents, and alternatives that come within the scope of the disclosure. Throughout the description of the figures, the same or similar reference symbols refer to the same or similar elements which, when compared with one another, may be identical or implemented in a modified form while they provide the same or a similar function.

Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, die Elemente direkt, oder über ein oder mehrere Zwischenelemente, verbunden oder gekoppelt sein können. Wenn zwei Elemente A und B unter Verwendung eines „oder“ kombiniert werden, ist dies so zu verstehen, dass alle möglichen Kombinationen offenbart sind, d. h. nur A, nur B sowie A und B, sofern nicht explizit oder implizit anders definiert. Eine alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen ist „zumindest eines von A und B“ oder „A und/oder B“. Das Gleiche gilt, mutatis mutandis, für Kombinationen von mehr als zwei Elementen.It will be understood that when an element is referred to as being “connected” or “coupled” to another element, the elements may be connected or coupled directly, or through one or more intermediate elements. When two items A and B are combined using an "or" it is to be understood that all possible combinations are disclosed; H. only A, only B as well as A and B, unless explicitly or implicitly defined otherwise. An alternative phrase for the same combinations is “at least one of A and B” or “A and / or B”. The same applies, mutatis mutandis, to combinations of more than two elements.

Die Terminologie, die hier zum Beschreiben bestimmter Beispiele verwendet wird, soll nicht begrenzend für weitere Beispiele sein. Wenn eine Singularform, z. B. „ein, eine“ und „der, die, das“ verwendet wird und die Verwendung nur eines einzelnen Elements weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch Pluralelemente verwenden, um die gleiche Funktion zu implementieren. Wenn eine Funktion nachfolgend als unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert beschrieben ist, können weitere Beispiele die gleiche Funktion unter Verwendung eines einzelnen Elements oder einer einzelnen Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweist“ und/oder „aufweisend“ bei Gebrauch das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben präzisieren, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/einer Gruppe derselben ausschließen.The terminology used herein to describe specific examples is not intended to be limiting of additional examples. When a singular form, e.g. B. "ein, an" and "der, die, das" is used and the use of only a single element is neither explicitly nor implicitly defined as mandatory, further examples can also use plural elements to implement the same function. When a function is described below as being implemented using multiple elements, other examples may implement the same function using a single element or a single processing entity. It is further understood that the terms “comprises”, “comprising”, “having” and / or “having” the presence of the specified features, integers, steps, operations, processes, elements, components and / or a group thereof when used Specify but not exclude the presence or addition of one or more other characteristics, integers, steps, operations, processes, elements, components, and / or a group thereof.

Sofern nicht anderweitig definiert, werden alle Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) hier in ihrer üblichen Bedeutung auf dem Gebiet verwendet, zu dem Beispiele gehören.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) are used here with their normal meaning used in the field to which examples belong.

1 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für einen Messkopf 1 zur zerstörungsfreien Prüfung eines Gegenstandes 10. Der Messkopf 1 umfasst einen piezoelektrischen Wandler 2 mit einer Oberfläche 5 zum Aufsetzen auf den Gegenstand 10. Der Messkopf 1 umfasst ferner eine Haltestruktur 4 zum Halten des Messkopfes 1. Zwischen dem piezoelektrischen Wandler 2 und der Haltestruktur 4 befindet sich ein Elastomer 6. Der Gegenstand kann jedwedes Material haben, das sich zu Schwingungen anregen lässt. Auch die Oberfläche des Gegenstandes kann beliebige Formen haben, wobei gegebenenfalls die Form der Oberfläche 5 des piezoelektrischen Wandlers 2 an die Form der Oberfläche des Gegenstandes 10 angepasst werden kann. Die Haltestruktur 4 hat im Beispiel der 1 eine zylindrische Geometrie, jedoch sind in weiteren Ausführungsbeispielen beliebige andere Geometrien denkbar, die für die Anbindung des Messkopfes 1 an weitere Bauteile günstig sind. 1 shows a schematic representation of an example of a measuring head 1 for non-destructive testing of an object 10 . The measuring head 1 includes a piezoelectric transducer 2 with a surface 5 to be placed on the object 10 . The measuring head 1 further comprises a support structure 4th to hold the measuring head 1 . Between the piezoelectric transducer 2 and the support structure 4th there is an elastomer 6th . The object can be made of any material that can be excited to vibrate. The surface of the object can also have any shape, where appropriate the shape of the surface 5 of the piezoelectric transducer 2 to the shape of the surface of the object 10 can be customized. The support structure 4th has in the example of 1 a cylindrical geometry, but in further exemplary embodiments any other geometries are conceivable for the connection of the measuring head 1 to other components are cheap.

Vorteilhaft können zum Beispiel Leichtbaumaterialien, die besonders empfindlich sein können, mir einem derartigen Messkopf zerstörungsfrei untersucht werden. Dabei kann zum Beispiel die Struktur eines Faserverbundwerkstoffes selbst überprüft werden, beispielsweise eines mehrlagigen Glasfaser- oder Kohlefaserverbundwerkstoffes. Alternativ oder ergänzend können auch Fügestellen zerstörungsfrei geprüft werden, beispielsweise Verklebungen oder Schweißnähte zwischen zwei Bauteilen.For example, lightweight construction materials, which can be particularly sensitive, can advantageously be examined non-destructively with such a measuring head. For example, the structure of a fiber composite material itself can be checked, for example a multi-layer glass fiber or carbon fiber composite material. As an alternative or in addition, joints can also be tested non-destructively, for example adhesions or weld seams between two components.

Das Elastomer 6 kann geeignetes Material und geeignete Dimensionierung aufweisen, um den piezoelektrischen Wandler 2 von der Haltestruktur 4 mechanisch zu entkoppeln. Beispielsweise kann das Elastomer eine Shore-A-Härte von weniger als 30, von weniger als 25, oder von weniger als 20 aufweisen, wenn die Shore-A-Härte nach DIN EN ISO 868 bestimmt wird. Elastomere, die sich als geeignet herausgestellt haben, sind beispielsweise Silikone.The elastomer 6th can have suitable material and suitable dimensions for the piezoelectric transducer 2 from the support structure 4th mechanically decoupled. For example, the elastomer can have a Shore A hardness of less than 30, of less than 25, or of less than 20 if the Shore A hardness is after DIN EN ISO 868 is determined. Elastomers that have been found to be suitable are, for example, silicones.

In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind der piezoelektrische Wandler 2 und die Haltestruktur 4 mittels einer als Elastomer dienenden Silikonmasse 6 miteinander vergossen, um einen einfach handhabbaren und kompakten Messkopf zu erhalten. Die Oberfläche 5 zum Aufsetzen auf den Gegenstand 10 ist frei von der Vergussmasse.In the in 1 The embodiment shown are the piezoelectric transducer 2 and the support structure 4th by means of a silicone mass serving as an elastomer 6th Potted together in order to obtain an easy-to-use and compact measuring head. The surface 5 to be placed on the object 10 is free of the potting compound.

In anderen Worten zeigt 1 einen Messkopf, mit dem ein piezoelektrischer Wandler reversibel an die Prüfstruktur gekoppelt und die elektromechanische Impedanzmessung für die Strukturüberwachung durchgeführt werden kann. Der Messkopf besteht aus einer Stiftstruktur, einem Isolationsmedium und einem piezoelektrischen Wandler. Der Messkopf wird zur Herstellung der elektromechanischen Kopplung mit einer definierten Kraft F gegen die Prüfstruktur bzw. den Gengenstand 10 gedrückt. Befindet sich der piezoelektrische Wandler in Schwingung, wird im Wesentlichen nur die elektromechanisch gekoppelte Prüfstruktur mechanisch angeregt. Der piezoelektrische Wandler ist durch das Isolationsmedium mechanisch von der Stiftstruktur entkoppelt, sodass sie die elektromechanische Impedanzmessung nicht beeinträchtigt. Dabei wird als Isolationsmaterial ein geeignetes Material mit bestimmten geometrischen und physikalischen Parametern ausgewählt, um die Schwingungsübertragung auf die Prüfstruktur nicht vollständig zu dämpfen aber gleichzeitig die Stiftstruktur vom piezoelektrischen Wandler mechanisch zu isolieren.In other words shows 1 a measuring head with which a piezoelectric transducer can be reversibly coupled to the test structure and the electromechanical impedance measurement for structure monitoring can be carried out. The measuring head consists of a pin structure, an insulation medium and a piezoelectric transducer. The measuring head is used to produce the electromechanical coupling with a defined force F against the test structure or the genome 10 pressed. If the piezoelectric transducer is vibrating, essentially only the electromechanically coupled test structure is mechanically excited. The piezoelectric transducer is mechanically decoupled from the pin structure by the insulation medium, so that it does not impair the electromechanical impedance measurement. A suitable material with certain geometric and physical parameters is selected as the insulation material in order not to completely dampen the transmission of vibrations to the test structure but at the same time to mechanically isolate the pin structure from the piezoelectric transducer.

Derartige Messköpfe können eine Vielzahl von Vorteilen aufweisen. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen muss kein zusätzliches Medium auf die Prüfstruktur appliziert werden. Durch die Reversibilität der mechanischen Kopplung kann derselbe Messkopf mehrfach und an veränderlichen Messstellen angewandt werden. Der Einfluss des Messaufbaus auf die zu prüfende Struktur ist im Vergleich zum klassischen Verfahren mit verklebtem Sensornetzwerk deutlich verringert. Die mechanischen Eigenschaften des piezoelektrischen Wandlers werden im Vergleich nur geringfügig beeinflusst.Such measuring heads can have a number of advantages. Compared to conventional solutions, no additional medium has to be applied to the test structure. Due to the reversibility of the mechanical coupling, the same measuring head can be used multiple times and at variable measuring points. The influence of the measurement setup on the structure to be tested is significantly reduced compared to the classic method with a bonded sensor network. The mechanical properties of the piezoelectric transducer are only slightly influenced in comparison.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Messsystems 20 zur zerstörungsfreien Prüfung eines Gegenstandes 10 mittels eines Messkopfes 1. 2 shows an embodiment of a measuring system 20th for non-destructive testing of an object 10 by means of a measuring head 1 .

Zusätzlich zum Messkopf 1 weist das Messsystem 20 eine Anpressvorrichtung 22 auf, die unter anderem dazu dient, den Messkopf 1 während einer Messung mit vorgegebener Anpresskraft auf den Gegenstand 10 zu pressen. Als Beispiel für eine Prüfung ist in 2 die Überprüfung einer Schweißnaht 24 zwischen zwei vormals getrennten Elementen gezeigt. Dafür kann der Messkopf 1 beispielsweise in der näheren Umgebung oder auf der Schweißnaht 24 selbst aufgesetzt werden. Die Anpressvorrichtung 22 dient zum Erzeugen einer vorbestimmten Anpresskraft, die erforderlich ist, um die Zerstörungsfreie Prüfung durchführen zu können. Die Anpresskraft kann zum einen während einer Messung konstant gehalten werden. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können jedoch auch für aufeinanderfolgende Messungen am selben Gegenstand unterschiedliche Anpresskräfte gewählt werden, um möglicherweise durch die resultierende unterschiedliche Kopplung auf unterschiedliche Effekte im untersuchten Gegenstand sensitiv zu sein.In addition to the measuring head 1 instructs the measuring system 20th a pressing device 22nd on, which serves, among other things, the measuring head 1 during a measurement with a given contact force on the object 10 to press. An example of an exam is in 2 checking a weld 24 shown between two previously separated elements. The measuring head can do this 1 for example in the immediate vicinity or on the weld seam 24 can be set up by yourself. The pressing device 22nd is used to generate a predetermined contact pressure that is required to be able to carry out the non-destructive test. On the one hand, the contact pressure can be kept constant during a measurement. According to further exemplary embodiments, however, different contact pressure forces can also be selected for successive measurements on the same object, in order to be sensitive to different effects in the examined object, possibly due to the resulting different coupling.

Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform ist die Anpressvorrichtung ein Roboterarm, der zusätzlich den Messkopf 1 positionieren kann. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können beliebige andere Vorrichtungen verwendet werden, die es ermöglichen, den Messkopf 1 mit konstanter oder variabler vorbestimmter Kraft auf den Gegenstand 10 zu drücken.At the in 2 The embodiment shown, the pressing device is a robot arm, which also has the measuring head 1 can position. According to further exemplary embodiments can any other devices can be used that allow the measuring head 1 with constant or variable predetermined force on the object 10 to press.

Mittels des in 2 schematisch dargestellten Messsystems 20 können flexibel Prüfungen an Bauteilen unterschiedlichster Geometrie vorgenommen werden. Beispielweise können im Flugzeugbau mittels Verklebungen oder Schweißnähten miteinander verbundene Rumpf- oder Flügelteile zerstörungsfrei geprüft werden. Solche Leichtbauteile werden häufig aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt, für die die zerstörungsfreie Prüfung mittels eines Messkopfes 1 vorteilhaft durchgeführt werden kann.Using the in 2 schematically shown measuring system 20th flexible tests can be carried out on components with a wide variety of geometries. For example, in aircraft construction, fuselage or wing parts connected to one another by means of adhesives or weld seams can be tested non-destructively. Such lightweight components are often made of fiber composite materials, for which the non-destructive testing by means of a measuring head 1 can be carried out advantageously.

3 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Prüfung von Schweißnähten oder Klebstellen an Faserverbundwerkstoffen. 3 FIG. 11 shows a flow diagram of an exemplary embodiment of a method for testing weld seams or adhesive points on fiber composite materials.

Das Verfahren umfasst zunächst ein Anpressen 32 eines Messkopfs am Faserverbundwerkstoff in einer Umgebung der Schweißnaht oder der Klebstelle, sowie ein Anregen 34 des Materials des Faserverbundwerkstoffes mittels des piezoelektrischen Wandlers.The method initially includes pressing 32 a measuring head on the fiber composite material in the vicinity of the weld seam or the adhesive point, as well as excitation 34 the material of the fiber composite material by means of the piezoelectric transducer.

Das Verfahren umfasst ferner ein Messen 36 einer Reaktion des Faserverbundwerkstoffes auf die Anregung mittels des piezoelektrischen Wandlers und das Auswerten 38 der Reaktion, um auf eine Integrität der Schweißnaht oder der Klebstelle zu schließen.The method further includes measuring 36 a reaction of the fiber composite material to the excitation by means of the piezoelectric transducer and the evaluation 38 the reaction to infer an integrity of the weld seam or the adhesive joint.

Das Auswerten 38 der Reaktion kann mit beliebigen Signalverarbeitungsverfahren erfolgen, beispielsweise unter Verwendung einer Transformation in den Frequenzbereich, um einzelne Anregungsfrequenzen identifizieren zu können. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das Auswerten 38 der Reaktion ergänzend oder alternativ ein Vergleichen der Reaktion mit der vorbekannten Reaktion eines Gutteils auf die Anregung umfassen. Ein Gutteil ist ein Teil, von dem a priori bekannt ist, dass die zu untersuchende Eigenschaft die Qualitätsstandards erfüllt. Ein Vergleich der gemessenen Reaktion mit einer vorab aufgezeichneten Reaktion eines solchen Gutteils als Referenz kann die Bewertung einfach und zuverlässig ermöglichen.The evaluation 38 the reaction can take place with any signal processing method, for example using a transformation into the frequency range in order to be able to identify individual excitation frequencies. According to further exemplary embodiments, the evaluation can 38 in addition or as an alternative to the reaction, comprise comparing the reaction with the previously known reaction of a good part to the excitation. A good part is a part of which it is known a priori that the property to be examined meets the quality standards. A comparison of the measured reaction with a previously recorded reaction of such a good part as a reference can make the assessment simple and reliable.

Ausführungsbeispiele von Messköpfen sind nicht nur zur Prüfung von Schweißnähten oder Klebstellen an Faserverbundwerkstoffen, sondern auch in vielen anderen Anwendungsfällen einsetzbar. Beispielsweise überall dort, wo eine Struktur auf Abweichungen geprüft werden soll. In der Produktionstechnik kann der Messkopf in bestehende Prozesse integriert werden und die Qualitätsbewertung von strukturellen Fertigungsprozessen unterstützen. In der Instandhaltung kann damit eine Kontrolle von Schäden der Prüfstruktur bzw. an einem Gegenstand erfolgen.Embodiments of measuring heads can be used not only for testing weld seams or adhesive points on fiber composite materials, but also in many other applications. For example, wherever a structure needs to be checked for deviations. In production technology, the measuring head can be integrated into existing processes and support the quality assessment of structural manufacturing processes. In maintenance, damage to the test structure or to an object can thus be checked.

Im Structural Health Monitoring kann eine vorausschauende, bedarfsgerechte Wartung von stationären oder mobilen Systemen und Anlagen (z.B. Maschinen oder Fahrzeugen) ohne Modifikation der Systeme bzw. der Anlagen/Gegenstände erfolgen.In structural health monitoring, predictive, needs-based maintenance of stationary or mobile systems and plants (e.g. machines or vehicles) can be carried out without modifying the systems or the plants / objects.

Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorher detaillierten Beispiele und Figuren beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein gleiches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das andere Beispiel zusätzlich einzuführen.The aspects and features that are described together with one or more of the previously detailed examples and figures can also be combined with one or more of the other examples in order to replace an identical feature of the other example or to add the feature in the other example to introduce.

Durch die Beschreibung und Zeichnungen werden nur die Grundsätze der Offenbarung dargestellt. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele grundsätzlich ausdrücklich nur illustrativen Zwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen. Alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Beispiele der Offenbarung sowie konkrete Beispiele derselben umfassen deren Entsprechungen.The description and drawings only represent the principles of the disclosure. Furthermore, all examples listed here are expressly intended for illustrative purposes only, in order to support the reader in understanding the principles of the disclosure and the concepts contributed by the inventor (s) for the further development of the technology. All statements herein about principles, aspects, and examples of the disclosure, as well as specific examples of the same, include their equivalents.

Ein als „Mittel zum...“ Ausführen einer bestimmten Funktion bezeichneter Funktionsblock kann sich auf eine Schaltung beziehen, die ausgebildet ist zum Ausführen einer bestimmten Funktion. Somit kann ein „Mittel für etwas“ als ein „Mittel ausgebildet für oder geeignet für etwas“ implementiert sein, z. B. ein Bauelement oder eine Schaltung ausgebildet für oder geeignet für die jeweilige Aufgabe.A function block referred to as “means for ...” performing a specific function can refer to a circuit that is designed to perform a specific function. Thus, a “means for something” can be implemented as a “means designed for or suitable for something”, e.g. B. a component or a circuit designed for or suitable for the respective task.

Ein Blockdiagramm kann zum Beispiel ein grobes Schaltdiagramm darstellen, das die Grundsätze der Offenbarung implementiert. Auf ähnliche Weise können ein Flussdiagramm, ein Ablaufdiagramm, ein Zustandsübergangsdiagramm, ein Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse, Operationen oder Schritte repräsentieren, die zum Beispiel im Wesentlichen in computerlesbarem Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden, ungeachtet dessen, ob ein solcher Computer oder Prozessor explizit gezeigt ist. In der Beschreibung oder in den Patentansprüchen offenbarte Verfahren können durch ein Bauelement implementiert werden, das ein Mittel zum Ausführen eines jeden der jeweiligen Schritte dieser Verfahren aufweist.For example, a block diagram may represent a high level circuit diagram that implements the principles of the disclosure. Similarly, a flowchart, sequence diagram, state transition diagram, pseudocode, and the like may represent various processes, operations, or steps, for example, essentially represented in computer-readable medium and thus performed by a computer or processor, whether or not such Computer or processor is shown explicitly. Methods disclosed in the description or in the claims can be implemented by a device having a means for performing each of the respective steps of these methods.

Es versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte, Prozesse, Operationen oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll, sofern dies nicht explizit oder implizit anderweitig, z. B. aus technischen Gründen, angegeben ist. Daher werden diese durch die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Ferner kann bei einigen Beispielen ein einzelner Schritt, Funktion, Prozess oder Operation mehrere Teilschritte, -funktionen, -prozesse oder -operationen einschließen und/oder in dieselben aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht explizit ausgeschlossen sind.It should be understood that the disclosure of multiple steps, processes, operations, or functions disclosed in the specification or claims is not intended to be in order is to be interpreted, unless otherwise explicitly or implicitly, e.g. B. is given for technical reasons. Therefore, the disclosure of several steps or functions does not limit them to a specific order, unless these steps or functions are not interchangeable for technical reasons. Further, in some examples, a single step, function, process, or operation may include and / or be broken into multiple sub-steps, functions, processes, or operations. Such sub-steps can be included and part of the disclosure of this single step, unless they are explicitly excluded.

Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Während jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hier explizit vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.Furthermore, the following claims are hereby incorporated into the detailed description, where each claim can stand on its own as a separate example. While each claim may stand on its own as a separate example, it should be noted that although a dependent claim in the claims may refer to a particular combination with one or more other claims, other examples also combine the dependent claim with the subject matter of each other dependent or independent claims. Such combinations are explicitly suggested here unless it is indicated that a particular combination is not intended. Furthermore, features of a claim are also intended to be included for any other independent claim, even if that claim is not made directly dependent on the independent claim.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

  • DIN EN ISO 868 [0022]DIN EN ISO 868 [0022]

Claims (10)

Messkopf (1) zur zerstörungsfreien Prüfung eines Gegenstandes (10), umfassend: ein piezoelektrischer Wandler (2) mit einer Oberfläche (5) zum Aufsetzen auf den Gegenstand (10); eine Haltestruktur (4) zum Halten des Messkopfes; und ein zwischen dem piezoelektrischen Wandler (2) und der Haltestruktur angeordnetes Elastomer (6).Measuring head (1) for non-destructive testing of an object (10), comprising: a piezoelectric transducer (2) having a surface (5) for placing on the object (10); a holding structure (4) for holding the measuring head; and an elastomer (6) arranged between the piezoelectric transducer (2) and the holding structure. Messkopf nach Anspruch 1, wobei das Elastomer (6) eine Shore-A-Härte von weniger als 25 aufweist.Measuring head after Claim 1 , wherein the elastomer (6) has a Shore A hardness of less than 25. Messkopf nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Elastomer (6) ein Silikon ist.Measuring head after Claim 1 or 2 , wherein the elastomer (6) is a silicone. Messkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der piezoelektrische Wandler (2), und die Haltestruktur mittels des Elastomers miteinander vergossen sind.Measuring head according to one of the preceding claims, wherein the piezoelectric transducer (2) and the holding structure are cast with one another by means of the elastomer. Messkopf nach Anspruch 4, wobei die Oberfläche zum Aufsetzen auf den Gegenstand frei von dem Elastomer ist.Measuring head after Claim 4 wherein the surface for placing on the article is free of the elastomer. Messsystem (20) zur zerstörungsfreien Prüfung eines Gegenstandes, umfassend; einen Messkopf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche; und einer Anpressvorrichtung (22), die ausgebildet ist, um den Messkopf während einer Messung mit vorgegebener Anpresskraft auf den Gegenstand zu pressen.A measuring system (20) for non-destructive testing of an object, comprising; a measuring head according to one of the preceding claims; and a pressing device (22) which is designed to press the measuring head onto the object with a predetermined pressing force during a measurement. Messsystem gemäß Anspruch 6, wobei die Anpressvorrichtung einen Roboterarm umfasst.Measuring system according to Claim 6 , wherein the pressing device comprises a robotic arm. Messsystem gemäß Anspruch 7, wobei die Anpressvorrichtung ausgebildet ist, die Anpresskraft konstant zu halten.Measuring system according to Claim 7 , wherein the pressing device is designed to keep the pressing force constant. Verfahren zur Prüfung von Schweißnähten oder Klebstellen an Faserverbundwerkstoffen, umfassend: Anpressen (32) eines Messkopfs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 am Faserverbundwerkstoff in einer Umgebung der Schweißnaht oder der Klebstelle; Anregen (34) des Materials des Faserverbundwerkstoffes mittels des piezoelektrischen Wandlers; Messen (36) einer Reaktion des Faserverbundwerkstoffes auf die Anregung mittels des piezoelektrischen Wandlers; und Auswerten (38) der Reaktion, um auf eine Integrität der Schweißnaht oder der Klebstelle zu schließen.A method for testing weld seams or adhesive points on fiber composite materials, comprising: pressing (32) a measuring head according to one of the Claims 1 to 5 on the fiber composite material in the vicinity of the weld seam or the adhesive point; Exciting (34) the material of the fiber composite material by means of the piezoelectric transducer; Measuring (36) a reaction of the fiber composite material to the excitation by means of the piezoelectric transducer; and evaluating (38) the reaction in order to infer an integrity of the weld seam or the adhesive joint. Verfahren gemäß Ansprüche 9, wobei das Auswerten (38) der Reaktion ein Vergleichen der Reaktion mit der vorbekannten Reaktion eines Gutteils auf die Anregung umfasst.Procedure according to Claims 9 wherein evaluating (38) the reaction comprises comparing the reaction with the previously known reaction of a good part to the excitation.
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Norm DIN EN ISO 868 2003-10-00. Kunststoffe und Hartgummi - Bestimmung der Eindruckhärte mit einem Durometer (Shore-Härte) (ISO 868:2003); Deutsche Fassung EN ISO 868:2003. 12 S. *

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