Beiträge
tm
9/2013
Elektronisches
Messsystem
zur
Strukturzustandsüberwachung
Electronic
Measurement
System
for
Structural
Health
Monitoring
Andreas
Heinzelmann*,
Zürcher
Hochschule
für
Angewandte
Wissenschaften
ZHAW,
Winterthur,
Schweiz,
Christian
Dürager,
Eidgenössische
Materialprüfungs-
und
Forsc
h
ungsanstalt
EMPA,
Dübendorf,
Schweiz
*
Korrespondenzautor:
andreas.heinzelmann@zhaw.c
h
Zusammenfassung
Zur
Übe
r
wachung
von
Faserve
r
bundlö-
sungen
aus
kohle-
oder
glasfaserverstärktem
Kunststoff
sind
neue
Ansätze
notwendig.
De
r
Artikel
beschreibt
ein
elektro-
nisches
Messsystem
zur
integrierten
Strukturzustands
ü
berwa-
chung.
Neben
dem
universalen
Einsatz
werden
im
ersten
Teil
der
Aufbau
des
Sys
tems
so
w
ie
die
mess-
und
sig
naltech-
nischen
Eigenschaften
beschrieben.
In
zwe
iten
Teil
w
ird
die
algorithmische
Auswertung
der
Messsignale
mit
der
„
Empirical
Mode
Decomposition"
-Metho
de
erläutert.
Mit
de
r
Ellipsen-
Triangulationsmethode
lassen
sich
in
einem
Versuchsaufbau
Schädigungen
durch
Hagelkörner
mit
einem
Durch
messer
von
2
cm
in
einer
Karbon
platte
mit
einem
Durchmesser
vo
n 1 m
und
einer
Dicke
von
1
mm
auf
3
mm
genau
l
oka
l
is
i
eren.
~~~
Summary
Novel
approac
hes
are
required
to
mo
ni
tor
car-
bon
or
glass
fiber
compos
i
te
solutions.
This
article
describes
an
elec
t
ronic
measurement
system
for
integra
ted
structural
anal
ys
i
s.
T
he
first
part
ex
p
lai
ns
the
universal
app
l
icat
io
n,
mea-
surement,
a
nd
signal
cha
r
ac
teri
st
i
cs
of
the
system.
Th
e
seco
nd
part
explains
the
algorithm
ic
analysis
of
the
measurement
sig
-
nals
with
the
"empirical
mode
decomposition"
me
thod
.
The
ellipses
t
riangulation
algo
r
ithm
is
applied
to
a 1
-m
m-th
ick
car-
bon
pl
ate
(d
iameter
1 m)
da
mage
d
by
hailsto
n
es
of
diameter
2
cm.
The
algorithm
loca
l
izes
t
he
damage
wi
th
an
accuracy
of
3
mm.
Schlagwörter
Strukturüber
wac
hung,
intelligente
Sensornetze,
Datenana
l
yse,
Plattenwellenausb
r
eitung
~~~
Keywords
Structural
Health
Monitoring,
intelligent
sensor
networks,
data
analysis,
Guided
Ul
traso
nic
Wave
propagat
i
on
1
Einleitung
Faserverbundlösungen aus kohlefaserverstärktem
und
glasfaserverstärktem Kunststoff bieten unterschiedliche
Vorteile. Die Verbundwerkstoffe bestehen aus Glas- oder
Kohlefaser
mit
einem Harz (Matrix).
Durch
den
entspre-
chenden Aufbau der Fase
rn
und
der Matrix ergeben sich
entscheidende Werkstoffeigenschaften, wie z.B. sehr
hohe
mechanische Festigkeiten bei geringstem Gewich
t.
Die
Verbundwerkstoffe ermöglichen heutzutage neue oder
verbesserte Produkte in
den
verschiedensten Bereichen
wie Luftfahrt, Raumfahrt
oder
der Energieerzeugung.
Das Langzeitverhalten dieser Werkstoffe ist nicht
im
gleichen Maß
bekannt
wie das konventioneller
Werkstoffe. Für siche
rh
eitsrelevante Komponenten sind
die vorgeschriebenen Wartungsintervalle
und
Produkt-
lebenszyklen weit unter den Belastungsgrenzen der
Komponenten.
Dem
Strukturmonitoring, das heißt
der
fortlaufenden Überwachung der Komponenten mittels
geeigneter Technologien,
kommt
im Zusammenhang
mit
dem zunehmenden Alter wie auch den ansteigen-
den Anforderungen an deren Belastung
imm
er größere
Bedeutung zu. Vor allem bei sicherheitskritischen Kom-
ponenten wie
im
Flugzeugbau [ l ] gewinnen solche
Systeme
an
Bedeutung. Für diese Strukturüberwachung
ist ein Messsystem
notw
end
ig,
das
den
speziellen Anfor-
derungen gerecht wird.
Die Nachteile dieser Werkstoffe sind nicht
nur
das ge-
ringe Wi
sse
n
üb
er deren Langzeitverhalten sonde
rn
auch
der relative komplexe Schädigungsmechanismus.
Zum
Beispiel durch den Ein
sc
hlag eines Fremdkörpers (z.B.
tm
- Technisches Messen 80 (2013) 9 / DOI 10.1524/teme.2013.0036 © Oldenbou
rg
Wissenschaftsverlag
Aktor Sensor 3
0 0
~
Mess-
~
elektronik
•
Schädigung mit
~
~
Sig
na
l ver-
arbeitung
0 0
Sensor 1 Sensor 2
Bild
1 Aufbau eines Guided-Wave-Prüfsystems.
Steinschlag),
kann
die Struktur
im
Inneren zerstört wer-
den, wobei diese Schädigung nicht
von
aussen feststellbar
ist. Derzeit
kommen
sogenannte zerstörungsfreie Prüf-
verfahren, wie Ultraschall- oder Wirbelstrommessungen
zur Überprüfung solcher Strukturen zur Anwendung.
Ein Nachteil der genannten Methoden ist der relativ
hohe Zeitaufwand der notwendig ist,
um
eine Struktur
zu überprüfen.
Im
Gegensatz dazu ist bei der Struktur-
überwachung d
as
gesamte Prüfs
ys
tem, bestehend aus
Sensoren, Messelektronik und Auswerteeinheit ein T
ei
l
der Struktur. Dadurch ist
es
möglich die Struktur je-
derzeit
und
überall zu überprüfen bzw. zu überwachen.
In
diesem Artikel diskutieren wir ein Strukturüberwa-
chungssystem welches mit sogenannten Plattenwellen
oder
im
englischen genannt Guided Ultrasonic Wa-
ves
als
Überwachungsmethode eine Komposit-Struktur
automatisch
üb
erwachen kann. Das gesamte System be-
steht aus piezoelektrischen Eleme
nt
en
a
ls
Sensoren
und
Aktuatoren, der Messelektronik
und
Signalverarbeitung-
algorithmen
um
die Position der Schädigung
auf
der
Struktur feststellen zu können.
Die Aktoren bringen die Strukturwellen
in
die zu
un
-
tersuchende Komponente ein. Die Sensoren erfassen die
Strukturwellen
und
deren Ausbreitung, leiten das zuge-
hörige Messsignal an eine Messelektronik weiter, die mit
der entsprechenden Signalverarbeitung Schädigungen er-
kennt
und
lokalisiert (Bild 1
).
2
Anforderungen
an
das
Messsystem
Zur Strukturüberwachung sind am Markt einige Systeme
erhältlich, jedoch weisen diese S
ys
teme für die Entwick-
lung neuer Methoden
und
Ansätze Einschränkungen
in
der Anzahl der Messkanäle, der Leistung sowie
im
Fre-
quenzbereich des Signalgenerators auf. Einschränkungen
in der praktischen Handhabung sind teilweise vorhanden.
Als
Grundlage für das hier vorgestellte System diente das
in [2] beschriebene Sensornetzwerk. Die beiden Funktio-
nen Sensor
und
Aktor s
ind
gemeinsam in einem Node
untergebracht. Der
Nod
e ist drahtlos mit einem zen-
tr
alen
Hub
verbunden.
Auf
der Basis des drahtlosen
H
Sensornetzwerks, das aus maximal 8 Nodes und einem
zentralen
Hub
besteht, wurde eine neue Messelektronik
entwickelt. Ziel war
es
die Messelektronik mit den techni-
schen Anforderungen zur Strukturüberwachung weiter zu
verbessern,
so
dass eine optimale Erprobung von unter-
schiedlichen neuen Algorithmen
und
Verfahren möglich
ist. Aus verschiedenen Versuchen
mit
dem vorgängigen
System [2] ergab sich eine Aktorspannung von
lOOVPP'
um
mehr
Leistung über die Piezo-Aktoren
in
die zu
überwachende Struktur einzubringen.
Der
Aktor soll
ein sinusförmiges Ausgangssignal mit einem Hamming-
fenster erzeugen.
Zur
automatisierten Messung ist eine
Sweepfunktion vorzusehen, mit der ein vordefinierter
Frequenzbereich automatisch durchlaufen wird. Gleich-
zeitig soll das neue Messsystem eine Messempfindlichkeit
von 0,5 bis 200 mV
und
einen Arbeitsfrequenzbereich
des Aktors wie auch der Sensoren von 1 kHz bis 1
MHz
abdecken. Messungen an verschiedenen Objekten zeigten,
dass eine digitale Auflösung des AD-Wandlers von 14-Bit
ausreichend für die Stukturüberwachungsalgorithm
en
ist.
Eine Anpassung des Messbereichs durch einen variablen
Verstärker ist zwingend
no
twendig
um
die Messempfind-
lichkeit zu erhöhen.
Versuche mit dem drahtlosen System aus [2] zeigten
in verschiedenen Anwendungen
auf
Grund der drahtlo-
sen Installation eine sehr gute praktische Verwendbarkeit.
Jedoch ergab sich die Schwierigkeit, dass eine
ze
itliche
Zuordnung der Messsignale zwischen dem Aktor
und
zwischen den Sensoren
nur
im 500 ns-Bereich mög-
lich ist. Ursache für diese zeitliche Einschränkung ist
Piezo-Aktor-
Sensor 1
o~---
o~-__,
Piezo-Aktor-
Sensor 2
___
_,o
....._
__
o
o------i-
----
-1
~
----
--r---c
_L
80pF
_L
300
pF
T 80 pF
L300
pF
o------l-
----
-1
~
------
Bild
2 Elektrische Kopplung zwischen zwei Piezoelementen bei elektris
ch
leitender Struktur (oben schematischer Aufbau,
unten
Ersatzschaltbild).
1
291
Beiträge
die drahtlose übertragung. Durch statistische Verfah-
ren kann zwar die Latenzzeit zur Messsignalauswertung
minimiert werden, dies ist aber
nur
mit einer Viel-
zahl von Messreihen möglich.
Um
die Latenzzeit der
Funkübertragung auszuschliessen, wurde
im
neuen Sys-
tem
einerseits
auf
die Funkübertragung zwischen
den
Sensor-Aktor-Einheiten verzichtet
und
andererseits in je-
des Sensorsignal das Aktorsignal eingekoppelt.
Bei der Untersuchung
mit
verschiedenen Strukturen
ist erkennbar, dass elektrisch leitende Strukturen
mit
Pie-
30
Va
c
[V]
20
10
0
zoelementen als Sensoren
und
Aktoren eine Kopplung _
10
zwischen
dem
Aktor-
und
Sensorsignal in Abhängigkeit
von den Kapazitätswerten verursacht. Das Ersatzschalt-
bild für eine elektrisch leitende Struktur
mit
zwei
-20
Piezoelementen zeigt das Bild 2. Die kapazitive Kopplung
bei einem gemeinsamen Bezugspotential verursacht bei
den
einzelnen Sensoren bereits eine Messpannung
von
mehr
als 2 V
und
übersteuert den Sensor so, dass die
Messelektronik das relevante Sensorsignal nicht auswer-
ten
kann.
Um
dieses Problem zu minimieren sind alle
Messkanäle galvanisch getrennt und
mit
einer geringen
kapazitiven Kopplung aufgebaut.
3 Gesamtsystem
Der Prinzipaufbau des Gesamtsystems zeigt das Bild 3.
Das neue Überwachungssystem besteht aus einer Ak-
G
~
,___HRF_u_B___,
Actuator Unit
Sensor Unit
Bild 3
Prin
zipaufbau des Überwachungssystems.
H
t [us]
-
30
0
10
20
30
40
0 0,5
1,5
2 2,5
0
f [MHz]
-
20
-40
-
60
-80
-
100
Bild 4 Aktorimplus
im
Zeit-
und
im
Frequenzbereich.
toreinheit
und
aus 8 Sensoreinheiten für 8 Messkanäle.
Die Aktoreinheit erzeugt über einen FPGA
mit
Hilfe
des
14
-Bit-DA-Umsetzers die gewünschte Sinussignal-
form.
Um
eine
hohe
Signaltreue zu erhalten, wird das
Aktorsignal direkt
mit
dem FPGA
durch
eine Hardware-
komponente generiert.
Der Signalgenerator ist direkt über einen Systembus
mit
dem Softwarecore verbunden. Die Frequenzschritte
des Hardwaregenerators sind
in
0,18
Hz
-Stufen in der
Hardware über ein Register einstellbar. Die Amplitude
hat
einen Einstellbereich
von
256-Stufen
und
die Signal-
länge ist über ein Register zwischen 1
und
65.535 x 40 ns
wählbar. Die digitale Hardware besteht aus mehreren
Funktionsmodulen.
Zu
diesen Modulen gehören:
• das Interface-Modul für die Schnittstelle
zum
Softcore-
Pro
ze
ssor
• das Register-Modul für die Parameterie
rung
der Sig-
nalform,
Vorver-
stärker
Hochpass
~P-iez-o-__.
~
I>-
~1%1
_:lement
v
Verstärkung
Max:
+20dB
Min:
+20
dB
VGA
Bandpass
Max: +
47dB
Min: + S
dB
~
~
+S
~
;::j
-~25
/'1:;,0
1
.~
1 +
2
·
0
1 . 1
}
r-
1
1+Sm1
1 1
"'
+o.2 1 1
+Sm
-a
-'
a
l
+
o.s~
I
1
1
Vl
1
1
1
~s~I
1 -0.2 1
-Sm
1-'U
-~
2
.
0!
1
-2
.0 1 1
-2
.S
• einem Task-Logik-Modul
zur
Erzeugung der Signal-
form
und
• einem Look-Up-Table-Modul,
in
dem die Signalform
hinterlegt ist.
Bild 4 zeigt ein Aktorsignal
im
Zeit-
und
im
Frequenz-
bereich für eine Amplitude von
23
V
und
einer Dauer
von
40
us. Die Frequenzdarstellung ist in der Amplitude
normiert. Die erzeugende Taktfrequenz ist in diesem Fall
5 MHz. Für den Anwender lässt sich die Amplitudenhöhe
von 0 bis 100 V
und
die Signalfrequenz von 1
kHz
bis
1
MH
z einstellen. Die Dauer des Impulses
in
Anzahl von
Perioden ist ebenfalls wählbar.
Der
FPGA berechnet di-
rekt zum erzeugenden Sinussignal das Hamming-Fenster.
Das erzeugte Aktorsignal verstärkt eine bereitbandige
Signalstufe.
Im
Ausgangsverstärker der Signalautberei-
tung befindet sich ein Leistungsverstärker, der das
Ausgangssignal
auf
maximal 100
Vpp
verstärkt. Der
Leis
-
tungsverstärker mit einem Ausgangsstrom I
ou
t von
1,5
A/5
A peak
hat
eine hohe Leerlaufverstärkung von
140
dB
und
ist somit in der Lage, die Piezoaktoren direkt
hochdynamisch anzusteuern. Der Multiplexer (MUX) im
Bild 3 schaltet das Ausgangssignal wahlweise
auf
eines der
8 angeschlossenen Piezoelemente.
Der
in
der Aktoreinheit verwendete FPGA hat nicht
nur
die Aufgabe das Ausgangssignal zu erzeugen, sondern
er ist auch für die gesamte Steuerung der Signalerzeugung
und
Messdatenaufnahme zuständig. Über einen SPI-Bus
mit einer maximalen Übertragungsrate von 50 MBit/ s
und
zusätzlichen Steuerleitungen sind alle 8 Sensoreinhei-
ten mit
dem
zentralen FPGA der Aktoreinheit verbunden.
Der
ze
ntrale FPGA startet vor der e
ig
entlichen Signaler-
zeugung die Messung an den einzelnen Sensoreinheiten.
H
1
0
Bild
5 Prinzipaufbau der Signal-
aufbereitung.
Das Bild 5 veranschaulicht die Sensoreinheit
mit
der Aufbereitung der Signalamplitude. Die galva-
nisch getrennten Sensoreinheiten bestehen aus einem
Eingangsverstärker, einem Hoc
hpa
ss,
der das Span-
nungssignal nach
unten
auf
100 Hz begrenzt, einem
Zwischenverstärker mit variabler Verstärkung zwischen 5
und
47
dB
, einem Bandpass, der das Signal
auf
die obere
Grenzfrequenz
von
1
MHz
begrenzt
und
an einem 14-Bit-
AD-Wandler. Die Auswertung
und
d
as
Aufzeichnen des
Spannungssignals erfolgt je Messkanal durch einen FPGA
mit integriertem Softcoreprozessor. Das Ansteuern
und
Auslesen des AD-Wandlers
mit
10
MS/s
üb
e
rnimmt
eine
Hardwarefunktion
im
FPGA. Die Messdaten werden in
einem
32
MByte-Datenspeicher abgelegt
und
na
ch erfol
g-
ter Messung durch den ze
nt
ralen FPGA der Aktoreinheit
ausgelesen.
Z
ur
Auswertung der Messdaten
in
e
in
em praktischen
Umfeld steht eine drahtlose Datenverbindung zum
Hub
zur Verfügung. Der
Hub
enthält eine RF-Einheit
und
ei-
nem
Mikrocontroller mit USB-Schnittstelle. Er lässt sich
direkt über
USB
mit
dem Auswerte-PC verbinden. Das
Konfigurieren, die Ansteuerung des Aktors
und
der Sen-
soren er
fo
lgt mit e
in
er Anwendersoftware.
4 Anwendersoftware
und
Anwendungsbeispiel
Über die Anwendersoftware
auf
dem PC lassen sich die
Aktorsignalform
und
die Ausgangsspannung einste
ll
en
und
die Messung starten (Bild 6). Die Auswahl, wel-
cher Piezosensor für die Messung als Aktor
und
welche
Sensoren
als
Messaufnehmer arbeitet, ist
in
der Software
ebenfalls einstellbar hinterlegt.
1
293
Beiträge
•„
Propertie
s
Output
g'*1
5922\ol>p
O
Vpp
50Vpp
Me
.....,,....
'"'1ge
@ 1 kHz · l
OkHz
~
5
kHz
f)
l O
kHz
• l
OOkHz
" l
OOk
Hz
-1
MHz
lkHz
4 k
Hz
Hamning
wi
r-.Jow
0
no
Hamniog
window
@ Hamnlng
window
over entl
"'
sig
nal
d.Ji<rioo
(')
Hammlng
Window
vori11ble
Signal
leni,th
P
e!lod
100
\oPp
7kHz
l
OkHz
Reset
11
- 11
s....
11 c.nce1 1
Bild
6 Konfiguration der Strukturüberwachung in der An
we
ndersoft-
ware.
Die Auswertung der Signale kann wahlweise durch den
PC mit
den
Rohdaten der Messung oder durch die 9 Cy-
clone IV-FPGAs mit den Softcores
und
mit dem 288
MB
Arbeitsspeicher erfolgen. Die Auswertefunktionen kön-
nen
sowohl
in
Software als auch in Hardwarefunktionen
auf
dem FPGA ablaufen. Die FPGA-Plattform bietet
für die Signalverarbeitung die Design-Freiheit
und
die
Flexibilität für beliebige Architektur-
und
Algorithmus-
Codesign. Das modulare, rekonfigurierbare Design
mit
Schichtenmodell ist für die extreme Durchsatz-, Latenz-
und
Verarbeitungs-Anforderungen ausgelegt
und
kann
die verfügbaren Resssourcen optimal nutzen.
Mit
dem
System wurden verschiedene Objekte
und
Szenarien untersucht (Bild 7). Das Bild 8 zeigt das auf-
bereitete Sensorsignal
in
einer Testkonfiguration.
Im
Messsignal der 15.000 Einzelmesswerte ist der erste Si-
gnalverlauf vom Aktorsignal erzeugt
und
durch die
Bild
7 Messelektronik zur Strukturüberwachung
am
Testobjekt.
H
40
30
20
10
0
-
10
-
20
-
30
-40
0
500
Bild
8 Sensorsignal
an
einem Testobjekt.
1000
t [us]lSOO
Messelektronik in das Sensorsignal einkoppelt.
Es
dient
zur zeitlichen Synchronisation der weiteren Signalver-
läufe. Die nachfolgenden Signalimpulse sind die
vom
Piezosensor direkt aufgenommenen Signalsverläufe. Die
erste Wellenfront ist die direkt übertragene Welle
in
der
Struktur
und
anschliessend folgen reflektierte Signalim-
pulse. Zwischen
dem
Beginn des Synchronisationssignals
und
dem direkt übertragenen Signal liegt eine Verzöge-
rung
von
!':!..t
= 350 us. Dies ergibt eine Distanz von
!':!..s=v·!':!..t=
l,785m
(1)
bei einer Schallgeschwindigkeit von 5100 m/
s.
Diese Aus-
breitungsgeschwindigkeit gilt bei einer Anregefrequenz
v
on
100
kHz für den ersten symmetrischen Mode
(SO)
der Ausbreitungswelle. Für den ersten asymmetrischen
Mode (
AO)
liegt die Geschwindigkeit
im
Versuchsauf-
bau
bei 1700
m/s.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit
und
somit die Signalverzögerung hängt einerseits vom Wel-
lenmode
und
andererseits von der Anregefrequenz ab.
5 Signalauswertung der Guided Ultrasonic
Waves und Empirical Mode Decomposition
Verschiedene Verfahren zur Signalauswertung werden
derzeit untersucht.
Guided Ultrasonic
Wa
v
es
(GUW) fin-
den vermehrt für die überwachung von plattenähnlichen
Strukturen Einsatz, da diese Art von Strukturwellen sich
über eine relative grosse Distanz über die Struktur aus-
breiten
und
mit einer möglichen Schädigung in der
Struktur interagieren. Damit ist
es
möglich von einem
Ort
aus eine Struktur, wie z.B. einen Flugzeugtragflü-
gel, zu überwachen, ohne
im
Voraus den genauen
Ort
der Schädigung zu kennen. Regt
man
eine Struktur
mit
einem einfachen Impuls an, teilt sich dieser einfache Im-
puls in verschiedenen Moden auf. Somit sind
in
einer
Struktur immer mehrere Moden mit gleic
her
Frequenz
jedoch mit unterschiedlicher Ausbreitungsgeschwindig-
keit vorhanden. Für die Ermittlung
der
Position einer
Schädigung muss der Algorithmus diese einzelnen Mo-
den separieren. Dazu zeigt diese Arbeit die sogenannte
Empirical
Mod
e De
co
mposition (EMD).
Diese Art der
Mod
enseperation wurde von Norden
E.
Huang
erstmals 1996 an der
NASA
vorgestellt [6]. Mit
der Empirical Mode Decomposition (EMD) ist
es
möglich