Projekte

Sensornetzknoten für SHM mit optimiertem Stromverbrauch

Ausgangssituation

Der Flugzeugbau wird aufgrund objektiver Anforderungen die Pionierrolle für Sensoren zur Zustandsüberwachung übernehmen, insbesondere wegen des verstärkten Einsatzes von Faserverbundwerkstoffen. Deshalb soll eine der ersten Applikationen von komplexen drahtlosen Sensorsystemen in luftfahrtrelevanten Strukturen erfolgen. Völlig neue Anforderungen sind hier auf dem Gebiet der Wartung zu erwarten, vor allem weil sich die Fehlerprognose in Faserverbundwerkstoffen wesentlich komplizierter als beim Risswachstum in metallischen Werkstoffen darstellt.

Risse in metallischen Werkstoffen wachsen im Allgemeinen kontinuierlich; aus ihrer Lage und Größe kann die Lebensdauer des Konstruktionselementes abgeschätzt werden. Schädigungen in Verbundwerkstoffen wie kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) bleiben jedoch zunächst oft unentdeckt und führen unter Umständen zu einem unerwarteten Versagen der Struktur, wenn die Schädigungsmechanismen nicht ausreichend bekannt sind. Eine automatisierte Zustandsüberwachung der aus Verbundwerkstoffen bestehenden Luftfahrt-Tragstrukturen erscheint aus diesem Grund zwingend notwendig. Bisherige Systeme, die mit Reißdrähten oder Vakuumröhren arbeiten, liefern nur sehr lokalisierte Angaben und das auch nur nach Überschreiten einer Grenzlast. Detaillierte Angaben über den Materialzustand sind durch sie nicht zu erhalten. Die genaue Untersuchung des inneren Materialzustandes von CFK kann aus heutiger Sicht sensitiv mit akustischen Methoden erfolgen.

Aufgabenstellung

Die breite Anwendung einer auf akustischen Methoden beruhenden Zustandsüberwachung von Flugzeugstrukturen ist bisher zum einen an Fragen der Zuverlässigkeit gescheitert: Die an oder in der Struktur verbleibenden akustischen Sensoren müssen über eine Lebensdauer von 30 Jahren hinweg zuverlässige Daten liefern. Zum anderen sind alle bisher eingesetzten Sensoren für die Datenübertragung und/oder die Stromversorgung bedrahtet. Die elektrischen Leitungen stören – zumindest bei integrierten, einlaminierten Sensoren – die mechanische Festigkeit der Struktur und tragen nicht unerheblich zum Gewicht bei. Beide sich daraus ergebenden Aufgaben sollen in dem Leitprojekt »CoolSensornet« des Spitzenclusters »CoolSilicon« gelöst werden: Der entstehende Sensornetzwerkknoten ist energieautark und telemetrisch angekoppelt – somit kabellos. Neue, die Zuverlässigkeit signifikant erhöhende Technologien der mikrosystemtechnischen Aufbau- und Verbindungstechnik werden entwickelt und eingesetzt.

Abb. 1: Komplett-Elektronik zur Auswertung der Sensorsignale (© ZMDI).

Ergebnisse

Abbildung 1 zeigt die Komplettelektronik zur Auswertung der Sensorsignale, die vom Industriepartner ZMDI nach Vorgaben des Fraunhofer IZFP gefertigt wurde. Diese ca. 15 × 25 mm² große elektronische Baugruppe enthält u. a. einen 12-Bit-ADC zur Signalwandlung, einen leistungsfähigen 32-Bit-Prozessor zur Signalverarbeitung und die gesamte notwendige Telemetrie (900-MHz-Transceiver nach IEEE 802.15.4).

Abb. 2: Impakt-Experiment.

In einem Impakt-Experiment wurde die Funktionsfähigkeit dieser Elektronik nachgewiesen. In Abbildung 2 sind die Positionen der Aktuatoren und Sensoren skizziert. Als sensorisches und aktuatorisches Element wurde Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) verwendet. In einem Fall wurde es in Folie integriert (PZT Heratape). Im anderen Experiment wurde es in Keramik (Low Temperature Cofired Ceramics - LTCC) eingebettet. Die Anregung des ungeschädigten Bauteils erfolgte mittels Aktuator mit einem definierten Impuls. Auf der Sensorseite wurde die Hüllkurve der aus dem Impuls resultierenden Plattenwelle als Zeitsignal aufgezeichnet. Das gleiche Experiment wurde nach Beaufschlagung mit einem Impakt, der seinerseits eine Materialschädigung im Laufweg der Plattenwelle verursachte, wiederholt.

Industriepartner

  • IMA GmbH Dresden
  • ZMDI AG
  • RHe Microsystems GmbH
  • TU Dresden IAVT
  • Fraunhofer IKTS