CIplus
Band 2/2017
S uc u al Heal h Moni o ing on
Fase e bunds uk u en mi els
Piezosenso en –Un e suchungen zum
expe imen ellen Design
Thomas Ba z-Beiels ein, Jochen Blau ock, Sebas ian K ey, Yixi Fu,
Niclas Kallenbach, Ma c Mölle
STRUCTURAL HEALTH MONITORING VON
FASERVERBUNDSTRUKTUREN MITTELS PIEZOSENSOREN
– UNTERSUCHUNGEN ZUM EXPERIMENTELLEN DESIGN
THOMAS BARTZ-BEIELSTEIN, JOCHEN BLAUROCK, SEBASTIAN KREY, YIXI FU,
NICLAS KALLENBACH, MARC M¨OLLER
Zusammen assung. Fase e bundwe ks o e (FVW) und Composi es haben in de Lu - und
Raum ah indus ie, im Au omobilbau, beim Bau on Windene gieanlagen und in ielen wei-
e en zukun s ¨ach igen B anchen eine g oße Bedeu ung. Maßnahmen, die ein E kennen on
Sch¨adigungen simul an zu En s ehung e m¨oglichen und Res be iebszei en p ognos izie en
k¨onnen, sind geeigne , die Lebensdaue on FVW-Kons uk ionen zu e h¨ohen. Da ¨ube hinaus
is eine zus andso ien ie e und somi kos ene ek i e Wa ung diese Bau eile m¨oglich. Sowohl
die P ognose, als auch die De ek ion on Sch¨aden w¨u de den essou censchonenden Einsa z
diese We ks o g uppe e m¨oglichen. Das sogenann e S uc u al Heal h Moni o ing (SHM)
bezeichne in diesem Zusammenhang eine Me hode, die es e m¨oglich , kon inuie lich Anhal s-
punk e ¨ube die Funk ions ¨ahigkei on Bau eilen und Kons uk ionen zu e hal en. Diese A -
ikel besch eib die Planung, Du ch ¨uh ung und Analyse on SHM-Expe imen en. Das Haup -
ziel bes and in de Planung on Expe imen en zu Gewinnung on Messda en mi els piezo-
elek ischen Elemen en au Ve suchs a eln, bei denen bewuss S uk u besch¨adigungen einge-
b ach wu den. S a is ische Auswe ungsme hoden sollen au ih e Eignung ge es e we den,
R¨uckschl¨usse aus den expe imen ell gewonnenen Da en au die A de S uk u besch¨adigungen
zu ziehen.
Keywo ds. Design o Expe imen s; S uc u al Heal h Moni o ing; Fase e bundwe ks o e;
Signalanalyse
SPOTSe en Lab, TH K¨
oln, F10, S einm¨
ulle allee 1, 51643 Gumme sbach, Ge many
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[email p o ec ed], [email p o ec ed], [email p o ec ed],
[email p o ec ed].
1
SHM VON FVW MITTELS PIEZOSENSOREN 2
1. Einlei ung
Fase e bundwe ks o e (FVW) und We ks o e bund-Sys eme, sogenann e Composi es, ha-
ben in zahl eichen B anchen g oße Bedeu ung. Ai bus e bau in seinem Supe jumbo A 380 bis
zu 22 % kohlens o ase e s ¨
a k e Kuns s o e (CFK), Boeing se z im D eamline sei 2009 bis
zu 50 % FVW ein. He s elle on Handhabungssys emen an G oßse iena bei spl¨
a zen subs i uie-
en aus e gonomischen G ¨
unden bishe ige me allische L¨
osungen du ch CFK. Windene gieanlagen
e wenden eben alls diese neuen We ks o konzep e. Diese Anwendungen wa en bis o wenigen
Jah en undenkba , weil sie en wede ¨
okonomisch nich sinn oll, echnisch nich umse zba ode
schlich weg nich no wendig wa en.
De wesen liche Hin e g und beim Einsa z on ase e s ¨
a k en Ve bundsys emen is in de
¨
ube wiegenden Meh zahl de Anwendungen die m¨
ogliche Gewich s eduk ion. Das unbes ei ba
o handene Leich baupo enzial l¨
ass sich in de P axis jedoch nich imme oll ausnu zen, da
das Schadens e hal en on ase e s ¨
a k en Kuns s o en wei aus komplexe als bei me allischen
We ks o en is . Da ¨
ube hinaus we den Sch¨
adigungen h¨
au ig nich ode nu seh schwe en deck
und ¨
uh en im ung¨
uns igs en Fall zum schlaga igen To al e sagen de gesam en S uk u . Aus
diesem G und we den ase e s ¨
a k e Bau eile iel ach mi hohen Siche hei en dimensionie .
Dies wide sp ich jedoch dem Lei gedanken nach eine schlanken Kons uk ion beim Einsa z
diese We ks o g uppe.
Maßnahmen, die ein E kennen on Sch¨
adigungen simul an zu En s ehung e m¨
oglichen und
Res be iebszei en p ognos izie en k¨
onnen, sind geeigne , die Lebensdaue on FVW-Kons uk-
ionen zu e h¨
ohen. Da ¨
ube hinaus kann eine zus andso ien ie e und somi kos ene ek i e Wa -
ung diese Bau eile du chge ¨
uh we den. Sowohl die P ognose, als auch die e ek i e De ek ion
on Sch¨
aden w¨
u de die Vo ausse zung ¨
u einen essou censchonenden Einsa z diese We ks o -
g uppe scha en und dami einen wesen lichen Bei ag zum gesellscha lich gewoll en Einsa z on
umwel e ¨
aglichen Technologien leis en. Die dynamische En wicklung im Be eich de Wind-
ene gie und die e s en G oßse ien-Anwendungen in de Au omobilindus ie we den den Beda
an de a ige Technologie in Zukun wachsen lassen.
Das sogenann e S uc u al Heal h Moni o ing (SHM) bezeichne in diesem Zusammenhang
eine Me hode, die es e m¨
oglich , kon inuie lich Anhal spunk e ¨
ube die Funk ions ¨
ahigkei on
Bau eilen und Kons uk ionen zu e hal en (Wo den u. a., 2007). Es wi d quasi in Ech zei de
Zus and de Anlage an eine zen ale E assungss elle ¨
ube mi el . Bei de E kennung on e -
waigen Anomalien we den, so e n e o de lich, geeigne e Maßnahmen eingelei e . Dies e laub
zum Beispiel eine zus andso ien ie e Wa ung de Kons uk ion und im Ideal all konk e e Vo -
he sagen ¨
ube die Res be iebszei de beobach e en Bau eile. Im Gegensa z zu eak i en ode
p ¨
a en i en Ins andhal ungss a egien bie e eine zus andso ien ie e Ins andhal ung on Ma-
schinen und Anlagen den g ¨
oß en ¨
okonomischen Vo eil.
Zu Zei gib es einige Fo schungsp ojek e, die sich mi SHM be assen. So un e such das
Fase ins i u B emen das Ausb ei ungs e hal en on Lamb-Wellen in Composi es zu Nu zung
als Schadenssenso . Auch das Deu sche Zen um ¨
u Lu - und Raum ah besch¨
a ig sich mi
diese Mess echnik. Die F aunho e Gesellscha un e such in diesem Zusammenhang in ih e
Adap onik-Allianz d ah lose Senso ne ze zu Ve bindung on piezoelek ischen De ek o en.
Diese A ikel besch eib die Planung, Du ch ¨
uh ung und Analyse de Expe imen e un e be-
sonde e Be ¨
ucksich igung de Signal e a bei ung. Das Haup ziel bes and in de Planung on
Expe imen en zu Gewinnung on Messda en mi els piezoelek ischen Elemen en au Ve suchs-
a eln, bei denen bewuss S uk u besch¨
adigungen eingeb ach wu den. S a is ische Auswe -
ungsme hoden sollen au ih e Eignung ge es e we den, R¨
uckschl¨
usse aus den expe imen ell
gewonnenen Da en au die A de S uk u besch¨
adigungen zu ziehen.
SHM VON FVW MITTELS PIEZOSENSOREN 3
Im Folgenden p ¨
asen ie en wi eine s a is ische Analyse zu En wicklung on Ve ah en ¨
u die
S uk u ¨
ube wachung on Fase -Kuns o -Ve bunden. Die Du ch ¨
uh ung de Messungen basie
au de Ve wendung on Lamb-Wellen, die mi den au de S uk u obe l¨
ache applizie en pie-
zoelek ischen Elemen en ange eg und gemessen we den. Die Ve suchs a eln liegen in gleichen
G ¨
oßen und jeweils ohne bzw. mi Besch¨
adigungen o . Die S uk u sch¨
aden we den du ch Boh-
ungen mi a iie enden Du chmesse simulie . Anschließend inde die Signal e a bei ung und
die au e schiedenen Fea u es und Ein lussg ¨
oßen de Messsignale basie enden Auswe ungen
s a . Als E gebnis we den E kenn nisse ¨
ube die M¨
oglichkei de Schadense kennung e hal en.
De A ikel gliede sich wie olg : Abschni 2 besch eib die Au gabens ellung. De Ve -
suchsau bau wi d im Abschni 3 besch ieben. Die Besch eibung de Expe imen e be inde sich
im Abschni 4. Die E gebnisse we den im Abschni 5 analysie . Abschni 6 gib eine Zusam-
men assung und einen Ausblick.
2. Au gabens ellung
Diese A ikel ass ak uelle E gebnisse aus de Fo schungsg uppe ISAFAN zusammen.1Im
P ojek ISAFAN we den die olgenden F ages ellungen aus dem Be eich des SHMs bea bei e :
•Welche Senso echnik is geeigne , um die ¨
Ande ungen in de Fase e bunds uk u au -
zunehmen?
•Welche Ve sagensmechanismen sind in den be ach e en Anwendungen dominie end?
•Welche p eiswe en, nich -in asi en Senso en sind geeigne ?
Die e o de lichen s a is ischen Auswe ungen sowie die Planung de Expe imen e wu den im
SPOTSe en Lab an de TH K¨
oln du chge ¨
uh .2
2.1. Fase -Kuns s o -Ve bunde. “Ein Ve bundwe ks o is ein We ks o aus zwei ode meh
e bundenen Ma e ialien“ (Bonne , 2016). Fase -Kuns s o -Ve bunde (FKV) geh¨
o en zu de
G uppe de FVW und bes ehen zum einen aus Fase n mi hohe gewich sbezogene Fes igkei
bzw. S ei igkei , zum ande en aus eine iel ¨
al ig ges al ba en Be ungsmasse (Ma ix) (Eh en-
s ein, 2006). Du ch diese Ve bindung we den die posi i en Eigenscha en de Einzelkomponen en
kombinie . Die anliegenden mechanischen Las en we den du ch hoch es e Fase n ¨
ube nommen,
w¨
ah end die Ma ix die Fase n in de o gegebenen Posi ion ixie und s ¨
u z (Sch¨
u mann,
2005). Die mechanischen Eigenscha en on FKV sind im Wesen lichen abh¨
angig om Volumen-
e h¨
al nis Fase /Ma ix und on de Ano dnung de Ve s ¨
a kungs ase n in de Ma ix (Bonne ,
2016).
Die Fase n ¨
ube nehmen die am Bau eil anliegenden Las en, wobei sie hohe S ei igkei en
und Fes igkei en mi b ingen m¨
ussen. Da ¨
u sind s a ke a oma e Bindungen die Vo ausse zung.
Da ¨
ube hinaus wi d eine m¨
oglichs ge inge Dich e ¨
u einen idealen Leich bau-We ks o ge o -
de . Beide Fo de ungen e ¨
ullen S o e in Fase o m. Neben de Ve s ¨
a kungs ase is die Ma ix
die zwei e Komponen e eines Fase e bundwe ks o es. Die Fase n we den mi de Ma ix im-
p ¨
agnie , so dass nach de Ve a bei ung ein o ms abiles Bau eil en s eh .
Die in diesem A ikel besch iebenen Ve suche wu den an 2,5 mm dicken FKV-Ve suchs a eln
aus einem o ho open Glas ase -Epoxidha z-K euz e bund (GF-EP) de Kodie ung ((0/90)G−
Gewebe)sdu chge ¨
uh . Bei de Gewebea handel es sich um E-Glas-Gewebe mi Leinwand-
bindung (Fu, 2017). Die mechanischen Eigenscha en des Lamina s in Haup - und Schub ich ung
bei einem Fase olumengehal (FVG) on 58-62% be agen E1=17,25 GPa (Ke ich ung) , E2
=16,99 GPa (Schuss ich ung), G21 =6,07 GPa.
1h p://www.isa an.de
2h p://www.spo se en.de
SHM VON FVW MITTELS PIEZOSENSOREN 4
2.2. Schadensa en. Du ch den komplexen Au bau on FKV e geben sich iele U sachen ¨
u
Sch¨
adigungen. Das Au e en on po enziellen Sch¨
aden kann dabei in d ei Klassen einge eil
we den (Fa a u. o he s, 2003):
(1) Ink emen elle Schadenszunahme
(2) Disk e e planm¨
aßige Schadenszunahme
(3) Disk e e auße planm¨
aßige Schadenszunahme
Insbesonde e die Schadensen s ehungen un e (1) und (2) k¨
onnen du ch egelm¨
aßige und ku ze
Wa ungsin e alle eduzie , wenn nich soga ganz e mieden we den. ¨
Ubliche weise e olgen
diese P ¨
u ungen on Bau eilen nach es geleg en Zei en. Die Inspek ionsin e alle m¨
ussen so
gew¨
ahl sein, dass Sch¨
adigungen e kennba sind, be o es zu einem To alaus all komm . Diese
egelm¨
aßigen und engmaschigen Inspek ionen sind jedoch ¨
okonomisch be ach e nich sinn oll
und bei wi scha lich genu z en Anlagen o mals nu schwe umse zba . Beim Einsa z on FVW
im Konsumg¨
u e be eich, wie beispielsweise bei Au omobilen, is de e h¨
oh e Inspek ionsau wand
zus¨
a zlich nu schwe e mi elba und h¨
au ig ein gewich iges Kau hinde nis.
Bei disk e en auße planm¨
aßigen Schadense eignissen s eh hingegen das ge egel e E kennen
on e waigen Sch¨
aden im Vo de g und. Eine Ein i s o he sage is bei de a igen Schadense eig-
nissen hingegen ¨
ollig ausgeschlossen. T o zdem is es in diesen F¨
allen hil eich, eine Aussage ¨
ube
A und Um ang de Sch¨
adigung e en zu k¨
onnen. Ein geeigne es P ognose e ah en k¨
onn e so
den wei e en Ve lau des Schadens e kl¨
a en und wei e e Maßnahmen s eue n.
Beim Ve sagen on Fase e bunds uk u en e en un e schiedliche Schadensbilde au . Die
o ausschauende De ek ion des Schadensbildes h¨
ang dabei maßgeblich om Ein i de e s en
Ve ¨
ande ungen am Bau eil ab. Schadensu sachen k¨
onnen hie bei sein:
•¨
Ube las ung
•E osion
•E m¨
udung
•Sch¨
aden an de Beschich ung
•Sch¨
aden an den Ve klebungen
•Beulen
•Disk e e und auße planm¨
aßige s uk-
u elle Sch¨
aden du ch Impac (Vogel-
schlag, Bli z, e c.)
Hin e den au e enden Schadensbilde n liegen bei Fase e bunds uk u en komplexe Ve sa-
gensmechanismen, die je nach Schadensu sache un e schiedliche De ek ionsme hoden e o de n.
De un e schiedliche Cha ak e on Fase und Ma ix zwing zu eine Un e scheidung zwischen
in e lamina en B ¨
uchen (Delamina ion) und in alamina en B ¨
uchen (Fase - und Zwischen ase -
b ¨
uchen) en sp echend Abbildung 1.
Abbildung 1. Die in alamina en Ve sagensmoden (Fase - und Zwischen ase -
b uchmoden) de unidi ek ionalen Schich nach Puck (Puck, 1996).
SHM VON FVW MITTELS PIEZOSENSOREN 5
W¨
ah end Delamina ionssch¨
aden im mak oskopischen Be eich au e en, e o de n Un e su-
chungen on Fase - und Zwischen ase b ¨
uchen Be ach ungen im mik oskopischen Be eich. Die
un e schiedlichen Schadensmechanismen, zwei Fase - und d ei Zwischen ase b uchmoden in d¨
unn-
wandigen Lamina en ( gl. Abbildung 1), haben hie bei auch einen maßgeblichen Ein luss au die
eingese z e Senso echnik und die zugeh¨
o igen Vo he sagemodelle. Auch wenn das Ve sagen on
Lamina en bei s a ische und zyklische Beansp uchung ph¨
anomenologisch ¨
ahnlich is , ¨
uh en e -
schiedene Belas ungsa en zu un e schiedlichen Ve sagensmoden, die ¨
u eine ¨
Ube wachung ein-
deu ig cha ak e isie sein m¨
ussen. Bei eine z¨
ugig bis zum B uch ges eige en L¨
angszugbelas ung
we den die Fase n ze issen, d.h. ih e Koh¨
asi es igkei wi d ¨
ube sch i en. Fase b uch un e
E m¨
udungsbelas ung hingegen e l¨
au seh komplex und wi d seh s a k on de Ma ix beein-
luss . Du ch Schlagbelas ungen (Impac s) en s ehen im Inne en des Meh schich e bunds in e -
lamina e Abl¨
osungen zwischen den Schich en, die an de Obe l¨
ache des Bau eils meis nich zu
e kennen sind. Un e wei e e Beansp uchung k¨
onnen g oß l¨
achige Delamina ionen zwischen den
Schich en en s ehen, die ab up zu einem ¨
uhzei igen, ka as ophalen Ve sagen ¨
uh en.
Sch¨
aden an Fl¨
ugeln eine Windk a anlage sind beispielsweise ypische Sch¨
aden, wie sie au -
g und on Kons uk ions ehle n, ¨
Ube las ung ode Fehle n w¨
ah end de He s ellung au e en.
Sie we den gegenw¨
a ig in de Regel du ch eine Sich p ¨
u ung de ek ie . Da die Zug¨
anglichkei
de a ige Kons uk ionen e s ¨
andliche weise h¨
ochs au wendig is , is ein ie g ei endes Ve -
s ¨
andnis des Ve sagens e hal ens und eine en sp echende senso ges ¨
u z e ¨
Ube wachung na ¨
u lich
¨
ube aus w¨
unschenswe .
2.3. Piezoelek i ische Wandle . Die E assung on Messwe en zu De ek ion on Sch¨
aden an
de S uk u soll ideale weise ze s ¨
o ungs ei du chge ¨
uh we den. Die Quali ¨
a eines We ks ¨
ucks
wi d hie bei ge es e , ohne das Ma e ial selbs zu besch¨
adigen. Dazu we den physikalische E ek-
e ausgenu z , welche haup s¨
achlich in die zwei G uppen De ek oskopie und Qualime ie einge-
eil we den k¨
onnen. Beispiele sind eingebe e e ase op ische Senso en zu Dehnungsmessung,
minia u isie e Beschleunigungssenso en zu E kennung on Vib a ionen, das ak i e Ul aschall-
p ¨
u e ah en und das passi e Ve ah en zu Schallemissionsp ¨
u ung ode Acous ic Emission
Tes ing sowie die elek omechanische Impedanzmessung.
In unse en Expe imen en wu den unde piezoelek ische Ke amiken ¨
u die An egung on
Ul aschallwellen eingese z . Piezoelek ische Ma e ialien haben die Eigenscha , dass eine me-
chanische De o ma ion eine zu diese De o ma ion p opo ionale elek ische Ladung e zeug , die
als elek ische Spannung abgeg i en wi d (di ek e piezoelek ische E ek ). Umgekeh kann
das Anlegen eine elek ischen Spannung eine mechanische De o ma ion e zeugen ( ezip oke
ode in e se piezoelek ische E ek ) (Winne u. a., 2015). Beide Wi k ich ungen wu den ¨
u
die Ve suche ausgenu z :
•Um Ul aschallwellen zu e zeugen, wu de eine elek ische Spannung angeleg . Dabei wu -
den die Piezowandle als Piezo-Ak o en zum Aussenden on Schall eingese z .
•Zum Emp angen on Schall wu den die Piezowandle als Piezo-Senso en eingese z .
In de echnischen Anwendung kommen p im¨
a d ei piezoelek ische We ks o e zum Einsa z:
Blei-Zi kona -Ti ana (PZT), Ba ium i ana (BTO) und Poly inyliden luo id (PVDF). Bei un-
se en Un e suchungen wu den unde piezoelek ische Elemen e aus Blei-Zi kona -Ti ana e -
wende . Bei den unden PZTs is die Abs ahlcha ak e is ik de Ul aschallwellen adialsymme-
isch. F¨
u die Ve suche wu den die PZTs du ch eine d¨
unne, m¨
oglichs s ei e Klebs o schich
mi de S uk u obe l¨
ache e bunden.
3. Ve suchsau bau
Da die P ¨
azision und Ve auensw¨
u digkei de Messe gebnisse s a k on de A de Messung
an de S uk u abe zus¨
a zlich auch on de Posi ion und de en Messgenauigkei abh¨
ang , is die
SHM VON FVW MITTELS PIEZOSENSOREN 6
Abbildung 2. Schema ische Ve suchsau bau. Abbildung en nommen aus Fu
(2017).
op imale Posi ionie ung de ausgew¨
ahl en Schadensde ek ionssenso en ¨
u spezielle indus ielle
Anwendungen on g oße Bedeu ung.
Im Folgenden we den Expe imen e besch ieben, um die e wende en Senso en ideal zu pla -
zie en, so dass Sch¨
adigungen mi eine maximalen Wah scheinlichkei ich ig de ek ie we den
k¨
onnen. Du ch Ve ah en de Sys emiden i ika ion lassen sich In o ma ionen aus dem geplan en
Simula ionsmodell zum ak uellen S uk u zus and e mi eln. Mi els Ko ela ion de einzelnen
Mess elde soll eine e besse e Aussage ¨
ube die Sch¨
adigungszonen e m¨
oglich we den. De Ve -
suchsau bau is in Abbildung 2 schema isch da ges ell .
Die wesen lichen Ha dwa ekomponen en um assen einen Compu e , einen Funk ionsgene a o ,
ein Oszilloskop, einen Ak o e s ¨
a ke , welche das Signal des Funk ionsgene a o s au ca. 60 V
e s ¨
a k , einen Messsignal il e /- e s ¨
a ke sowie eine Noppenschaums o ma e. Ein wei e e
Bes and eil des Ve suchsau baus wa en meh e e au die Obe l¨
ache de S uk u de GF-EP-
Pla e au gekleb e, unde piezoelek ische Elemen e. Um die S uk u zu Schwingungen anzu e-
gen, wu de an das als Ak o eingese z e piezoelek ische Elemen ein Spannungssignal angeleg .
Die ange eg e Welle b ei e e sich in de S uk u aus. Das du ch das als Senso eingese z e pie-
zoelek ische Elemen emp angene Signal wude mi Hil e eines Oszilloskops gemessen und zu
Da s ellung an den Rechne gesende . Hie bei wu den di ek e und in e se piezoelek ische E -
ek e ausgenu z . Das analoge Signal wu de in ein digi ales Signal kon e ie und als comma
sepa a ed alue(CSV) Da ei im Rechne gespeiche .
Die An ege equenz wu de en sp echend de Resonanz equenz de Ve suchspla e bes imm .
De Ak o wu de mi einem sinus ¨
o migen Bu s mi 5 Pe ioden ange eg . Eine Pe iode des
Senso signals bes eh aus 90 Samples. Die Ab as a e be ¨
ag 15,625 MSa
/s, welches eine Ab as -
equenz s on 15,625 MHz en sp ich .
3.1. Vo e suche. Zu Op imie ung des Ve suchsau baus wu den Vo e suche du chge ¨
uh .
Hie ¨
u s and de in Abbildung 3 gezeig e Ve suchsau bau zu Ve ¨
ugung. In de Abbildung sind
die olgenden Elemen e da ges ell :
(1) Red Pi aya (da a acquisi ion)
(2) Ak o e s ¨
a ke
(3) Messsignal il e /- e s ¨
a ke
SHM VON FVW MITTELS PIEZOSENSOREN 7
Abbildung 3. 1. Red Pi aya (da a acquisi ion), 2. Ak o e s ¨
a ke , 3.
Messsignal il e /- e s ¨
a ke 4. Ve suchs a el (400 mm ×400 mm GF-EP-Pla e)
5. Piezoelemen 6. Noppenschaums o ma e. Abbildung en nommen aus Fu
(2017).
(4) Ve suchs a el (400 mm ×400 mm GF-EP-Pla e)
(5) Piezoelemen
(6) Noppenschaums o ma e
Abbildung 4 zeig die de inie en Posi ionen au de S uk u obe l¨
ache ¨
u die Applizie ung de
Piezoelemen e. Die Elemen e wu den on 0 bis 22 numme ie . Zu Du ch ¨
uh ung des Vo e -
suchs wu de das Tes signal an den Piezo-Ak o an de Posi ion 0 angeleg . Die Piezoelemen e au
den ande en Punk en unk ionie en dann als Senso en. Dabei k¨
onnen zwei Senso signale gleich-
zei ig du ch das Oszilloskop gemessen we den. Insgesam we den ¨
u die Vo e suchspla e 22
Ak o -Senso -Kon igu a ionen mi jeweils zwei Beobach ungen gemessen, so dass die Da en on
insgesam 44 Beobach ungen e ass we den. Abbildung 5 zeig das Signal am Senso 8. Es is zu
e kennen, dass das Senso signal eilweise mi dem am Senso gemessenen Ak o signal gemisch
da ges ell wi d, so dass de S a punk des Senso signals schwe abzulesen is . Das ¨
uh zu de
alschen E mi lung de Eigenscha on Time o Fligh (TOF), die ¨
u die ma hema ische Aus-
we ung on g oße Bedeu ung is . Auße dem liegen die Kabel ¨
u die Spannungs e so gung am
Ak o und die Kabel ¨
u die Messung am Senso zu nah aneinande . Dies ha ein ¨
Ube sp echen
des Ak o signals au den Senso zu Folge. Dies beein ¨
ach ig den Messp ozess und esul ie
in eine schlech en Da enquali ¨
a . Zus¨
a zlich liegen die mi den Piezoelemen en e l¨
o e en Ka-
bel di ek au eine H¨
al e de zu un e suchenden S uk u . Diese Au b ingung de zus¨
a zlichen
Kabelmasse kann eine ¨
u den Ve such une w¨
unsch e D¨
amp ung des Signals bewi ken. Um den
Messp ozess und die Da enquali ¨
a zu e besse n, wu de de Ve suchsau bau op imie .
3.2. Op imie ung des Ve suchsau baus. Zu Op imie ung des Ve suchsau baus we den ol-
gende Maßnahmen du chge ¨
uh . Die zwei Ve l¨
ange ungskabel zwischen dem Mess e s ¨
a ke und
den Senso en we den gespa . Um den Ein luss de Signallau zei zu minimie en, wu de das Ak-
o signal ¨
ube einen Tas kop mi 10:1 Spannungs eile am Ausgang des Ak o e s ¨
a ke s gemes-
sen. Dami die Au b ingung de zus¨
a zlichen Kabelmasse au de zu un e suchenden S uk u
e hinde wi d, wu de das in Abbildung 6 gezeig e Gi e e wende . De Mess e s ¨
a ke kann
SHM VON FVW MITTELS PIEZOSENSOREN 14
Abbildung 13. Messkon igu a ionen. Abbildung en nommen aus Fu (2017).
Tabelle 1. Mess eihen de Haup e suche
N . Zus and de S uk u Messungen
Pla e 1 ohne Sch¨
adigung, 5 mm-, 10 mm- und 20 mm-Boh ungen 320
Pla e 2 ohne Sch¨
adigung, 5 mm-, 10 mm- und 20 mm-Boh ungen 320
Pla e 3 ohne Sch¨
adigung, 5 mm-, 10 mm- und 20 mm-Boh ungen 320
Pla e 4 ohne Sch¨
adigung, 1 mm-Boh ung 150
Winkel, D eh ich ung, Dis anz und o he gesag e Dis anz noch wei e e Fea u es und Ein luss-
g ¨
oßen ben¨
o ig , die im Folgenden e kl¨
a we den. Die Analyse mi meh e en Fea u es und Ein-
lussg ¨
oßen ¨
u Haup e suche beg ¨
unde sich au die E h¨
ohung de Zu e l¨
assigkei de Model-
lie ungen ¨
u die Schadensde ek ion. Bei den zus¨
a zlichen Fea u es handel es sich im Einzelnen
um:
Winkelko ek u : Die Fase n de Ve suchs a eln wu den nich genau in 0◦und 90◦Win-
kel e leg , wobei eine Abweichung on unge ¨
ah 3◦(op isch mi dem Winkelmesse
gemessen) bes and. Da aus e gib sich die sogenann e Winkelko ek u , die als wei e e
Ein lussg ¨
oße be ¨
ucksich ig wu de. Zu au oma isie en E mi lung de Winkelko ek-
u au Basis de Senso da en wu de eine linea e Reg ession zu Vo he sage de Dis anz
mi den Reg esso en de ToF, des Winkels und de D eh ich ung du chge ¨
uh .
(1) ˆy=ˆ
β0+ˆ
β1×T o +ˆ
β2×(Winkel +W inkelko ek u ) + ˆ
β3×D eh ich ung.
De Winkel wu de du ch die Winkelko ek u ko igie , bis die D eh ich ung keinen
Ein luss meh au die Dis anz o he sage ha bzw. de Pa ame e ˆ
β3= 0 is .
Di e enz de Winkelko ek u en: Die Ein lussg ¨
oße Di e enz de Winkelko ek u en
bezeichne die Di e enz zwischen den Winkelko ek u en aus de Analyse jeweils mi de
Re e enzmessung und mi de Messung mi Sch¨
adigung.
PSD 1-5: Das Fea u e PSD wu de in Abschni 3.3 o ges ell . W¨
ah end in de Analyse
de Vo e suche nu de Maximalwe de spek alen Leis ungsdich e ¨
ube das F equenz-
band (PSD 1) be ¨
ucksich ig wu de, wu den die ¨
un Maximalwe e de PSD (PSD 1-5)
zu Analyse de Haup e suche be ¨
ucksich ig .
SHM VON FVW MITTELS PIEZOSENSOREN 15
F equenz (FQ) 1-5: Die ¨
un zu PSD 1-5 geh¨
o enden F equenzwe e.
F equenz¨
ande ung: Bin¨
a es Me kmal, das angib , ob sich eine on de ¨
un F equenzen
FQ 1-5 im Ve gleich zu den F equenzen aus den Re e enzmessda en de jeweiligen Pla e
ge¨
ande ha .
Di e enz de o he gesag en Dis anzen: In de Analyse de Haup e suche wu den
die eale Dis anz zwischen dem Ak o und dem Senso , die du ch die linea e Reg ession
(siehe die Sch¨
a zgleichung 1) o he gesag e Dis anz sowie die Di e enz den o he gesag-
en Dis anzen als Ein lussg ¨
oßen e wende . Hie bei is die Di e enz de o he gesag en
Dis anzen die Di e enz zwischen den o he gesag en Dis anzen aus de Analyse jeweils
mi de Re e enzmessung und mi de Messung mi Sch¨
adigung.
4.3. Schadensklassi ika ion. In diese Un e suchung wu den zwei Klassen zu Schadensklas-
si ika ion e wende :
(1) Ve suchs a eln ohne Besch¨
adigung und
(2) Ve suchs a eln mi Besch¨
adigung.
Du ch die Expe imen e wu de e mi el , wie iele Da ens¨
a ze anhand de s a is ischen Analyse
zu Schadensde ek ion de Ve suchs a eln e kann we den. Dabei wu den ein logis isches Re-
g essionsmodell (Ha ell, 2001), ein En scheidungsbaum (engl. ee) (B eiman u. a., 1984) und
ein En scheidungswald (engl.: andom o es ) (B eiman, 2001) e wende . Zum P ¨
u en de Zu-
e l¨
assigkei de jeweiligen Modellie ungen wu de eine K euz alidie ung eingese z . Es e geben
sich ie F¨
alle bei de 2-Klassen- Klassi izie ung, die in eine Kon usionsma ix da ges ell we den
k¨
onnen:
(1) De Da ensa z geh¨
o zu eine Pla e ohne Besch¨
adigung und das Modell ha dies ich ig
klassi izie ( ich ig nega i ).
(2) De Da ensa z geh¨
o zu eine Pla e ohne Besch¨
adigung und das Modell ha die Pla e
als mi Besch¨
adigung klassi izie ( alsch posi i ).
(3) De Da ensa z geh¨
o zu eine Pla e mi Besch¨
adigung und das Modell ha dies ich ig
klassi izie ( ich ig posi i ).
(4) De Da ensa z geh¨
o zu eine Pla e mi Besch¨
adigung und das Modell ha dies als
Ve suchs a el ohne Schaden o he gesag ( alsch nega i ).
5. Analyse
Die Da en wu den bei de sepa a en Un e suchung en sp echend de Boh ungs ¨
oße ge enn ,
wobei de Boh ungsdu chmesse zwischen 5 mm, 10 mm und 20 mm a iie . F¨
u die Klassi ika ion
bei jede Boh ungs ¨
oße s anden 550 Beobach ungen (Re e enzmessda en: 80 ×3 + 70 = 310
Beobach ungen, Messda en on den Pla en 1-3 mi Boh ung: 80 ×3 = 240 Beobach ungen) zu
Ve ¨
ugung.
Die K euz alidie ung wu de zum P ¨
u en de Zu e l¨
assigkei de jeweiligen Modellie ungen
eingese z (E on, 1983; Koha i, 1995). Bei de K euz alidie ung we den die Da en in meh e e
(in diese A ikel ¨
un ) gleich g oße Teilda ens¨
a ze au ge eil . In dem meh sch i igen Ve ah en
wu de nacheinande ein Teilda ensa z als Validie ungsda en zu Absch¨
a zung de P ognoseg¨
u e
und die ¨
ub igen Teilda ens¨
a ze zu Sch¨
a zung de Modellpa ame e genu z . Als Maß ¨
u die
P ognoseg¨
u e wu de de Mi elwe de P ognoseg¨
u en aus den einzelnen I e a ionen be echne .
Die Fehle a e de Modelle en sp ach dem Quo ien en aus de Summe de alsch klassi izie en
Beobach ungen und de Summe alle Beobach ungen. Es is zu e kennen, dass die Fehle a e mi
den d ei Modellen in de sepa a en Un e suchung zwischen 23 % bis 39 % lagen. Dabei weis das
logis is ische Reg essionsmodell gegen¨
ube den ande en zwei Modellen eine besse e Schadense -
kennung au . Es s anden insgesam 1030 Beobach ungen (Re e enzmessda en: 80 ×3 + 70 = 310
SHM VON FVW MITTELS PIEZOSENSOREN 16
Beobach ungen, Messda en on den Pla en 1-3 mi allen Boh ungsg ¨
oßen: 80 ×3×3 = 720
Beobach ungen) zu Ve ¨
ugung.
Bei de Klassi ika ion de Ve suchs a eln mi bzw. ohne Boh ung mi hil e des En scheidungs-
baums we den 592-mal keine Besch¨
adigungen ich ig und 402-mal ein Schaden ich ig in de
globalen Un e suchung e kann . Das ¨
uh zu eine Fehle a e on 3,50 %. Es is e kennba , dass
de En scheidungsbaum mi eine Fehle a e on 3,50 % ¨
u die globale Un e suchung eine deu -
lich besse e Schadense kennung au weis .
Bei de Klassi ika ion de Ve suchs a el ohne bzw. mi 1 mm-Boh ung mi hil e des En schei-
dungsbaums wu den 82-mal keine Besch¨
adigungen ich ig und 38-mal ein Schaden ich ig e kann .
Da aus e gab sich eine Fehle a e on 20,00 %.
6. Zusammen assung und Ausblick
Es wu den Messungen und Un e suchungen zu Schadensde ek ion an Ve suchs a eln on FKV
du chge ¨
uh . Das Haup ziel bes and in de Planung on Expe imen en zu Gewinnung on
Messda en mi els piezoelek ischen Elemen en au Ve suchs a eln, bei denen bewuss S uk u -
besch¨
adigungen eingeb ach wu den. S a is ische Auswe ungsme hoden sollen au ih e Eignung
ge es e we den, R¨
uckschl¨
usse aus den expe imen ell gewonnenen Da en au die A de S uk-
u besch¨
adigungen zu ziehen. Hie ¨
u wu den Vo e suche zu Op imie ung des Ve suchsau baus
und Haup e suche zu Gewinnung de Messda en du chge ¨
uh . Zu Un e suchung de Messsi-
gnale wu den e schiedene ma hema ische Modelle angewende .
Basie end au den um ang eichen Ve suchen und de anschließenden ma hema ischen Analyse
e geben sich die olgenden Ve besse ungs o schl¨
age:
Kons an e Randbedingungen: Bei de Du ch ¨
uh ung de Ve suchs eihen konn en in je-
dem Expe imen nu die Messda en on eine Ak o -Senso -Kon igu a ion gewonnen we -
den. Es muss da au geach e we den, dass die Ve suche alle Ak o -Senso -Kon igu a i-
onen un e denselben Randbedingungen du chge ¨
uh we den. ¨
Ande n sich die Randbe-
dingungen, so ¨
uh dies zu une w¨
unsch en Va ianz in den Messe gebnissen.
Signals ¨
o ungen: In dem Ve such mi de Pla e, au de eine 1mm-Boh ung mi ig au -
geb ach wu de, is au ge allen, dass be ei s das Anschließen de Kabel einen messba en
Ein luss au die Messda en ha , de bei de ge ingen ¨
Ande ung de Fea u es de Signal-
ku e au G und de seh kleinen 1mm-Boh ung ele an sein kann.
Meh e e Messkan¨
ale: Wenn meh e e Messkon igu a ionen mi einem Ak o signal gleich-
zei ig gemessen we den, w¨
u de die E izienz de Du ch ¨
uh ung de Ve suchs eihen und
die Quali ¨
a de Messda en e h¨
oh . Somi is ein Messge ¨
a mi meh e en Messkan¨
ale
o zugsweise zu e wenden.
Di e enzsignale: Zu Un e suchung mi den ma hema ischen Modellen k¨
onn en noch Di -
e enzsignale eingese z we den. Dabei wi d ein Di e enzsignal du ch Sub ahie en des
Messsignals eines als unbesch¨
adig angenommenen Re e enzzus ands on dem Messsignal
de ak uellen Messung gebilde . Somi we den dann die Messsignale und die Di e enzsi-
gnale zu Schadensde ek ion analysie .
Schadensa en: Zu Simula ion eines Schadens wu den Boh ungen mi a iie enden Du ch-
messe au geb ach . Die in die Pla e ge ¨
uh e Welle wu de an de Kan e de Boh ung
e lek ie . In de P axis e geben sich noch meh Schadensa en. Um die Ve suche zu
e wei e n, k¨
onn en noch ande e Schadensa en wie z.B. eine Delamina ion be ach e
we den, die du ch einen modi izie en Ke bschlag e such ode einen Impak o mi be-
s imm e Schlagene gie simulie we den kann. Du ch die Delamina ion wi d die in die
Pla e ge ¨
uh e Welle ged¨
amp , wodu ch ande e Eigenscha en de Signalku e en s e-
hen k¨
onnen. Anhand den Messda en k¨
onnen E kenn nisse ¨
ube die M¨
oglichkei de Scha-
dense kennung bei eine Delamina ion e hal en we den.
SHM VON FVW MITTELS PIEZOSENSOREN 17
Lamb-Wellen: F¨
u zuk¨
un ige Un e suchungen zu Schadenslokalisa ion k¨
onn en die Ei-
genscha en on Lamb-Wellen in de aniso open S uk u e mi el we den, um diese in
nach ¨
aglichen Analysen e wenden zu k¨
onnen. Dabei soll de Zusammenhang zwischen
de Ausb ei ungsgeschwindigkei de Lamb-Welle und de mechanischen Eigenscha en
on FKV da ges ell we den.
Messquali ¨
a : Du ch die Ve suchsdu ch ¨
uh ung und die ma hema ische Un e suchung
kann man e kennen, dass die Schadense kennung on S uk u en de FKV mi de in
diesem A ikel besch iebenen Me hode m¨
oglich is . Um ein besse es E gebnis zu e hal-
en, soll die Quali ¨
a de Messda en e besse we den.
Maschinelles Le nen: In diese Un e suchung wu den ein ache s a is ische Modelle (lo-
gis ische Reg ession, T ees und Random Fo es s) eingese z . Die Ve wendung wei e e
Ve ah en des maschinellen Le nens (Figuei edo u. a., 2011; Fa a u. Wo den, 2013)
ode de en Kombina ion (Ba z-Beiels ein u. Zae e e , 2017) is siche lich on g oßem
In e esse.
Li e a u
[Ba z-Beiels ein u. Zae e e 2017] Ba z-Beiels ein, Thomas ; Zae e e , Ma in: Model-
based me hods o con inuous and disc e e global op imiza ion. In: Applied So Compu-
ing 55 (2017), 154 - 167. h p://dx.doi.o g/10.1016/j.asoc.2017.01.039. – DOI
10.1016/j.asoc.2017.01.039. – ISSN 1568–4946
[Bonne 2016] Bonne , Ma in: Kuns s o echnik: G undlagen, Ve a bei ung, We ks o auswahl
und Fallbeispiele. Sp inge , 2016
[B eiman 2001] B eiman, L: Random Fo es s. In: Machine Lea ning 45 (2001), N . 1, S. 5–32
[B eiman u. a. 1984] B eiman, L ; F iedman, J H. ; Olshen, R A. ; S one, C J.: Classi ica ion
and Reg ession T ees. Mon e ey CA : Wadswo h, 1984
[E on 1983] E on, B adley: Es ima ing he e o a e o a p edic ion ule: imp o emen on
c oss- alida ion. In: Jou nal o he Ame ican S a is ical Associa ion 78 (1983), N . 382, S.
316–331
[Eh ens ein 2006] Eh ens ein, Go ied W.: Fase e bund-Kuns s o e: We ks o e, Ve a bei-
ung, Eigenscha en. 2. Hanse Ve lag, 2006
[Fa a u. o he s 2003] Fa a , Cha les R. ; o he s: Damage P ognosis: Cu en S a us and
Fu u e Needs. Los Alamos Na ional Labo a o y, 2003. – Fo schungsbe ich
[Fa a u. Wo den 2013] Fa a , Cha les R. ; Wo den, Kei h: S uc u al Heal h Moni o ing:
A Machine Lea ning Pe spec i e. Wiley, 2013
[Figuei edo u. a. 2011] Figuei edo, Eloi ; Pa k, Gyuhae ; Fa a , Cha les R. ; Wo den, Kei h
;Figuei as, Joaquim: Machine lea ning algo i hms o damage de ec ion unde ope a ional
and en i onmen al a iabili y. In: S uc u al Heal h Moni o ing 10 (2011), N . 6, 559–572.
h p://dx.doi.o g/10.1177/1475921710388971. – DOI 10.1177/1475921710388971
[Fu 2017] Fu, Yixi: Un e suchungen und ma hema ische Analyse on Piezosenso en zu An-
wendung im S uc u al Heal h Moni o ing ¨
u Fase e bunds uk u en, Technische Hochschule
K¨
oln, Diploma bei , 2017
[Ha ell 2001] Ha ell, F ank E.: Reg ession modeling s a egies: wi h applica ions o linea
models, logis ic eg ession, and su i al analysis. Sp inge , 2001
[Koha i 1995] Koha i, Ron: A S udy o C oss-Valida ion and Boo s ap o Accu acy Es ima ion
and Model Selec ion. (1995), S. 1–8
[Puck 1996] Puck, Al ed: Fes igkei sanalyse on Fase -Ma ix-Lamina en: Modelle ¨
u die P a-
xis. M¨
unchen and Wien : Hanse , 1996. – ISBN 3–446–18194–6
[Sch¨
u mann 2005] Sch¨
u mann, Helmu : Kons uie en mi Fase -Kuns s o -Ve bunden. Sp in-
ge , 2005
SHM VON FVW MITTELS PIEZOSENSOREN 18
[Winne u. a. 2015] Winne , He mann ; Hakuli, S ephan ; Lo z, Felix ; Singe , Ch is ina:
Handbook o D i e Assis ance Sys ems: Basic In o ma ion, Componen s and Sys ems o
Ac i e Sa e y and Com o . 1s . Sp inge Publishing Company, Inco po a ed, 2015. – ISBN
3319123513, 9783319123516
[Wo den u. a. 2007] Wo den, Kei h ; Fa a , Cha les R. ; Manson, G aeme ; Pa k, Gyuhae:
The undamen al axioms o s uc u al heal h moni o ing. In: P oceedings o he Royal Socie y
A: Ma hema ical, Physical and Enginee ing Science 463 (2007), N . 2082, 1639–1664. h p:
//dx.doi.o g/10.1098/ spa.2007.1834. – DOI 10.1098/ spa.2007.1834
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en lichungen diese Reihe können un e
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Die Ve an wo ung ü den Inhal diese Ve ö en lichung lieg beim Au o .
Da um de Ve ö en lichung: 06.04.2017
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phone: +49 2261 8196 6391
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