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Dokumentenidentifikation DE4004171A1 23.08.1990
Titel Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Rißstarts bei einer Bruchmechanikprobe
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eV, 8000 München, DE
Erfinder Winkler, Siegfried, 7800 Freiburg, DE
Vertreter Rackette, K., Dipl.-Phys. Dr.-Ing., Pat.-Anw., 7800 Freiburg
DE-Anmeldedatum 11.02.1990
DE-Aktenzeichen 4004171
Offenlegungstag 23.08.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.08.1990
IPC-Hauptklasse G01N 3/02
IPC-Nebenklasse G01N 3/08   G01N 3/20   G01N 3/32   G01N 27/24   
Zusammenfassung Eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Rißstarts (5) bei einer Bruchmechanikprobe (2) verfügt über eine Meßeinrichtung, in der die Probe (2) einem Belastungstest durch ein Belastungselement unterziehbar ist, und über eine in einem vorbestimmten räumlichen Abstand von der Probe (2) angeordneten Sonde (6, 10, 12), die an eine Auswerteschaltung (19) anschließbar ist. Die Sonde (6, 10, 12) umfaßt mindestens eine kapazitive Sensorplatte (7, 7'), die an einen in unmittelbarer Nähe zu der Sensorplatte (7, 7') angeordneten Impedanzwandler (12) angeschlossen ist. Die eine kapazitive Sensorplatte (7) ist mit der komplementären Sensorplatte (7') bzw. mit Masse über einen Ableitewiderstand (10) verbunden. Die bei einem Rißstart an der Rißspitze (5) auftretenden oder mit der Erweiterung eines bestehenden Risses (4) verbundenen, aus der Probe (2) austretenden elektrischen Felder (8) werden von den Sensorplatten (7, 7') erfaßt und über den Impedanzwandler (12) einer Auswertungseinrichtung (19) zur Verfügung gestellt. Damit sind Bruch- und Verformungsereignisse bei allen Bruchproben (2), unabhängig von deren Material sicher und mit hoher Empfindlichkeit nachweisbar.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Rißstarts bei einer Bruchmechanikprobe mit einer Meßeinrichtung, in der die Probe einem Belastungstest durch ein Belastungselement unterziehbar ist, und mit einer in einem vorbestimmten räumlichen Abstand von der Probe angeordneten Sonde, die an eine Auswerteschaltung anschließbar ist.

Aus der DE-PS 33 34 570 ist eine solche Vorrichtung für ferromagnetische Proben bekannt. Vor einer Messung wird die ferromagnetische Probe magnetisiert und in die Nähe einer Magnetsonde gebracht. Bei einem Bruchereignis verändert sich das Magnetfeld innerhalb und außerhalb der Probe. Mit Hilfe der in der Magnetsonde induzierten Spannung wird der Bruch zeitlich verfolgt. Mit einer solchen Vorrichtung können nur ferromagnetische Werkstoffe erfaßt werden. Für die große Klasse von Nicht- Eisenmetallen oder z.B. Verbundwerkstoffen, Kunststoffen oder Keramiken ist diese Vorrichtung unbrauchbar.

Aus der DE-Z Materialprüf. 26, Nr. 3, S. 64 bis 67 (1984) sind Verfahren bekannt, mit denen Rißschädigungen auch bei Verbundwerkstoffen erfaßt werden können. Sie beruhen alle auf der Schallemission in Mikrorissen bei beanspruchten Materialien. Die schallerfassenden Sensoren berühren immer die Probe oder einen Probenhalter, woraus sich der Nachteil ergibt, daß ein Wechsel von Proben nicht einfach vonstatten geht. Dieses Verfahren weist den zusätzlichen entscheidenden Nachteil auf, daß sie sehr empfindlich gegenüber Fremdgeräuschen sind, die bei Schlagversuchen mit einem Pendelhammer schon durch diesen erzeugt werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es gestattet, eine Rißstarterfassung bei Bruchmechanikproben aus beliebigen festen Werkstoffen berührungslos und störungsarm durchzuführen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sonde über mindestens eine kapazitive Sensorplatte verfügt, die an einen in unmittelbarer Nähe zu der Sensorplatte angeordneten Impedanzwandler angeschlossen ist, wobei die eine kapazitive Sensorplatte mit der komplementären Sensorplatte bzw. mit Masse über einen Ableitewiderstand verbunden ist.

Mit der eine kleine Kapazität aufweisenden Sensorplatte sind die aus der zerbrechenden Probe austretenden Felder mit hoher Empfindlichkeit erfaßbar. Über einen großen Ableitewiderstand zwischen der kapazitiven Sensorplatte und der komplementären Sensorplatte bzw. Masse ist die Zeitkonstante der Sonde auf einige Hundert Mikrosekunden einstellbar.

Das an dem Ausgang des Impedanzwandlers anliegende niederohmige Ausgangssignal kann direkt oszillographiert oder in einer Auswerteschaltung weiterverarbeitet werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beaufschlagt das Ausgangssignal einen Logarithmierer, dessen Ausgangssignal die Detektion sowohl starker als auch schwacher Bruchereignisse gestattet.

Die in einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung verwendeten Schwellendiskriminatoren gestatten eine automatische Aufzeichnung und Auswertung von Reihenbruchversuchen mit konstanten Versuchsbedingungen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Erfassung eines Rißstarts gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine Sensorschaltung einer Vorrichtung zur Erfassung eines Rißstarts gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 eine Sensorschaltung einer Vorrichtung zur Erfassung eines Rißstarts mit einem Operationsverstärker gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 ein Orts-Zeit-Diagramm mit verschiedenen Signalen bei der Erfassung eines Rißstarts,

Fig. 5 eine Vorrichtung zur Erfassung eines Rißstarts gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 eine Vorrichtung zur Erfassung eines Rißstarts gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel,

Fig. 7 ein Pendelschlagwerk mit einer Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Rißstarts gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel,

Fig. 8 den Aufbau des Sensorelements der Vorrichtung nach Fig. 7 und

Fig. 9 ein Schaltbild der Sonde nach Fig. 8.

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zur berührungslosen Erfassung eines Rißstarts einer Bruchmechanikprobe oder eines Bauteils 2. Die Bruchmechanikprobe 2 weist einen Riß 4 auf, der in einer Rißspitze 5 endet. In räumlich unmittelbarer Nähe der Bruchmechanikprobe 2 ist ein Kondensator 6 bestehend aus zwei Sensorplatten 7 angeordnet. Durch das Auftreten oder die Vergrößerung des Risses 4 und das damit verbundene Fortbewegen der Rißspitze 5 in das Innere der Bruchmechanikprobe 2 tritt in der Umgebung der Rißspitze 5 eine elektrische Feldstärkenänderung auf, die durch den Pfeil 8 gekennzeichnet ist.

Das durch den Bruchvorgang hervorgerufene, zeitlich veränderliche elektrische Feld 8 auf den Sensorplatten 7 liegt über einen Ableitewiderstand 10 an den Eingängen eines Impedanzwandlers 12 an. Die Kapazität des Kondensators 6 ist möglichst klein gehalten und der Widerstand 10 weist einen möglichst hohen Widerstandswert auf.

Die zwischen den Elektroden oder Sensorplatten 7 auftretende Potentialdifferenz wird mit dem einen hochohmigen Eingang aufweisenden Impedanzwandler 12 in ein niederohmiges Signal umgewandelt, das zur Weiterverarbeitung geeignet ist. Aus der in der Sonde 6 durch das elektrische Feld erzeugten Ladung Q wird ein großes Spannungssignal U gemäß U = Q/C geformt, da die Kapazität der Sonde 6 klein ist. Diese Signale sind andererseits umso naturgetreuer, je größer die Zeitkonstante T = R × C des Eingangskreises ist, d.h. je größer der Ableitewiderstand R ist. Das an dem Ausgang 13 des Impedanzwandlers 12 anliegende niederohmige Ausgangssignal 14 ist direkt oszillographierbar oder wird zur Signalaufbereitung einer elektronischen Auswerteschaltung 19 zugeführt.

Ein Logarithmierer 15 logarithmiert das Ausgangssignal 14, so daß eine gleichzeitige Darstellung sehr kleiner wie auch sehr großer Spannungssignale möglich ist. Am Ausgang 16 des Logarithmierers 15 sind eine Vielzahl von Schwellendiskriminatoren 17 angeschaltet. Diese Schwellendiskriminatoren 17 liefern die Zeitsignale (Triggersignale) 18 zur Abtastung korrelierter Funktionswerte wie z.B. Kraft, Durchbiegung, Energie usw., wenn der Wert des Signals oberhalb der jeweils vorbestimmten Diskriminatorschwelle liegt. Vorzugsweise werden die Schwellendiskriminatoren 17 auf verschiedene Spannungsschwellen eingestellt, die alle jeweils oberhalb möglicher, nicht auf ein Rißereignis hinweisenden Störspannungen liegen. Dann sind vor allem Routineversuche mit gleichbleibender Signalklasse, zum Beispiel Kerbschlagbiegeversuche, möglich, die eine einfache Ermittlung von Rißereigniszeitpunkten und so eine selbständige Versuchsauswertung mit nachgeschalteten Rechengeräten gestatten.

Die an den Abgriffspunkten 18 anliegenden Signale können insbesondere in analoge Auswerteeinrichtungen eingespeist werden, die die eingehenden Signale simultan auswerten.

Zur unverfälschten Signalübermittlung ist neben der kleinen Kapazität der Sonde auch die Bandbreite der Impedanzwandlung von Bedeutung. Je nach Bruchereignis ist mit Signalsteilheiten in der Größenordnung von Mikrosekunden zu rechnen, so daß Frequenzanteile von 10 Megahertz eine Rolle spielen können.

Die Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer Sonde einer Vorrichtung zur Erfassung von Rißereignissen mit einem Feldeffekttransistor 21 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Gatekapazität des Feldeffekttransistors 21, die mit dem Pfeil 22 bezeichnet ist, ist als Sondenkondensator in Gestalt einer Metallplatte 23 erweitert. Die Metallplatte 23 weist z.B. eine Größe von 1 Zentimeterquadrat auf. Eine Bruchmechanikprobe 2 gemäß Fig. 1 ist in unmittelbarer Nähe der Metallplatte 23 angeordnet. Bei der Werkstoffprüfung ist die Metallplatte 23 und die an sie angeschaltete Elektronik gemäß Fig. 2 in einem Abstand von wenigen Millimetern zu der Probe 2 fixiert. Diese Elektronik kann jedoch auch auf eine Probe geklebt werden, die in dem Versuch vollständig zerstört wird.

Die Feldstärkenänderungen werden gegen Erde 27 gemessen. Die Kapazität der Eingangsleitung, d.h. der Metallplatte 23 und der Eingangskapazität des Feldeffekttransistors 21, beträgt z.B. 10 Picofarad. Ein Ableitewiderstand 25 von zum Beispiel mindestens 10 Megaohm erzeugt daher eine Zeitkonstante des Sensors von 100 Mikrosekunden.

Der Ableitewiderstand 25 ist an den Gateeingang 22 des Feldeffekttransistors 21 und an die Masse 27 angeschlossen. Der Feldeffekttransistor 21 ist in Sourcefolgerschaltung geschaltet, so daß seine Verstärkung ungefähr 1 und sein Ausgangswiderstand ungefähr 100 Ohm beträgt. Durch die Drainstromeinstellung mit einem Abgleich über den Sourcewiderstand 28 oder der negativen Versorgungsspannung 29&min; kann die Ausgangsruhespannung auf ungefähr Null Volt eingestellt werden.

Die Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Sonde zur berührungslosen Erfassung eines Rißstarts mit einem Operationsverstärker 31. Der Operationsverstärker 31 ist in Elektrometerschaltung geschaltet, so daß seine Verstärkung 1 beträgt. Der Ausgang 32 des Operationsverstärkers ist mit dem invertierenden Eingang 33 zurückgekoppelt. Der nicht-invertierende Eingang 34 weist eine Eingangskapazität von einigen Picofarad auf, die mit Hilfe einer Metallplatte 23 erweitert wird. Der Ableitewiderstand 25 gegenüber Masse 27 ist an dem nicht-invertierenden Eingang 34 angeschlossen. Der Operationsverstärker 31 wird über Versorgungsleitungen 36 mit einer Versorgungsspannung beaufschlagt. Der Ausgang 32 des Operationsverstärkers 31 bildet den Abgriff 14 gemäß Fig. 1.

Diese Schaltung hat bezüglich ihrer Impedanzen und ihrer Ausgangsruhespannung Vorteile gegenüber der Schaltung nach Fig. 2. Ihre Bandbreite ist jedoch geringer. Wegen des hohen Eingangswiderstandes am Eingang 34 dieser Schaltung können große Zeitkonstanten bei einem kleinen Sondenkondensator in Gestalt der Metallplatte 23 realisiert werden.

Die Fig. 4 zeigt ein Orts-Zeit-Diagramm einer Messung zur Ermittlung der Wanderung der Rißspitze 5 in einer keramischen Bruchmechanikprobe 2. Die Bruchmechanikprobe 2 hat eine Dicke von 1 Zentimeter bei einer Oberfläche von 12×8 Zentimetern. Ein Hammergeschoß einer Breite von 5 Zentimetern trifft die Probe 2 während des Versuchs.

Die Achse in Richtung des Pfeils 41 entspricht der Zeitachse mit einer Markierung jeweils alle 10 Mikrosekunden. Die Achse mit der Pfeilbezeichnung 42 entspricht dem Ort der Breite der Bruchmechanikprobe 2 in Millimetern, wobei die Entfernung von der Anschlagseite 42&min; der Probe 2 ausgerechnet wird. Dementsprechend kennzeichnet die zur Zeitachse parallele Gerade 43 die Probenrückseite.

Zum Anfangszeitpunkt Null ist die Probe ohne äußere Einwirkung in Ruhe. Die Kurve 44 kennzeichnet die Rißspitzenposition 5, die sich zu Beginn des Versuchs in einer Entfernung von ungefähr 60 Millimetern von dem vorderen Ende 42&min; der Probe 2 befindet. In das Orts- Zeit-Diagramm ist zugleich eine Kurve 45 eingetragen, die dem Ausgangssignal 14 eines Sensors gemäß den Fig. 1 bis 3 entspricht. Nach 18 Mikrosekunden, gekennzeichnet durch den Punkt 46, trifft das oben erwähnte Hammergeschoß die Vorderseite der Probe 2. Ausgehend von diesem Anschlagszeitpunkt 46 laufen zwei Stoßwellenfronten 47 und 48 durch die Probe. Die schnellere, die longitudinale Welle, erreicht nach ungefähr 22 weiteren Mikrosekunden die Probenrückseite 43, während die transversale Welle erst 38 Mikrosekunden nach Beginn der Zeitmessung zu Anfang des Versuchs die Probenrückseite 43 erreicht.

Zur Ermittlung der Rißspitze 5 wird die Probe von oben mit einem Stroboskop zu den mit 50 bezeichneten Zeitpunkten beleuchtet und photographiert. Die erwähnten Wellenfronten stören nun die photographische Aufnahme der Rißspitzenposition. Die in der Zeichnung eingetragene Kurve 44 ist aus einer Interpolation der Werte der einzelnen, ungefähr alle 3 Mikrosekunden gemachten Aufnahmen entstanden. Damit ist also nur eine ungefähre Aussage über den Rißstart möglich. In der in der Zeichnung idealisiert dargestellten Kurve 44 beginnt der Rißstart im Knickpunkt 52, in dem die bis dahin gerade verlaufende Rißspitzenkurve 44 abknickt. Erheblich genauer jedoch ist die Kurve mittels des Ausgangssignals 14 gemäß einer der Sonden nach den Fig. 1 bis 3 erfaßbar, da das Signal der elektrischen Emission 45 zum Startzeitpunkt des Risses sich stark verändert.

Damit ist insbesondere bei starken Oberflächenwellen 47 und 48 eine genaue Erfassung des Rißstartzeitpunktes möglich. Die Kurve 45, als Spannung-Zeit-Diagramm ohne Bemaßung in die Fig. 4 eingetragen, beschreibt den Rißstart 5 beim stabilen Bruch einer Keramikprobe. Ähnliche Kurven ergeben sich z.B. beim spröden Bruch einer Araldit-Probe oder einer Verformung einer Polycarbonat-Probe.

Die Fig. 5 zeigt ein Sondenelement 61 mit einem Sensorteil 62 innerhalb einer Vorrichtung zur Erfassung eines Rißstarts gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Das Sensorelement 62, in das skizzenhaft ein Blockschaltbild einer elektronischen Schaltung eingezeichnet ist, umfaßt den Operationsverstärker 31, den Ableitewiderstand 25 und eine zur Eingangskapazität des Operationsverstärkers 31 hinzutretende Metallplatte 23, die in die Nähe der zu erfassenden Probe gebracht wird. Eine Vielzahl von Versorgungs- und Meßleitungen werden durch einen Schaft 63 und ein Kabel 65 der Sonde zu einer Anschlußbuchse 64 geführt, die in einen entsprechenden Stecker einer Auswerteschaltung hineingesteckt werden kann. Insbesondere ist es mit Hilfe eines Verschiebetisches möglich, das Sondenelement 61 mit der Sensorplatte 23 in unmittelbarer Nähe der zu untersuchenden Probe zu positionieren, z.B. in einem Abstand von einem Millimeter.

Die Fig. 6 zeigt ein weiteres Sondenelement 71 mit einem etwas anders als in der Fig. 5 ausgestalteten Sensorelements 72 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel. Die Sensorplatte 23 ist seitlich und parallel zum Schaft 73 des Sondenelements 71 in einem isolierenden Kunststoffkopf 74 angeordnet, so daß auch bei ungünstiger Probenlage die Metallplatte 23 als Sensorfläche in unmittelbarer Nähe des Prüflings gebracht werden kann. Das Sondenelement 71 kann z.B. aus Messing oder einem anderen abschirmenden Metall hergestellt sein.

Die Fig. 7 zeigt schematisch ein Pendelschlagwerk 101 mit einer Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Rißstarts gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel. Das Pendelschlagwerk 101 besteht aus einem Hammerkopf 102, der über eine Pendelstange 103 um eine in der Zeichnung nicht dargestellte Pendelachse drehbar aufgehängt ist.

Der Hammerkopf 102 weist eine seitliche Ausnehmung 104 auf, die im Innern über eine Anschlagkante oder Hammerfinne 105 verfügt. Die Anschlagkante 105 ist in Verlängerung der Längsachse der Pendelstange 103 angeordnet. Die Anschlagkante 105 wird durch einen in Richtung der Anschlagkante 105 spitz zusammenlaufenden Mittelteil 105a des Hammerkopfes 102 gebildet. In unmittelbarer Nähe zur Anschlagkante 105 ist ein Kraftmesser 106 in Gestalt eines Dehnungsmeßstreifens angebracht.

Die Ausnehmung 104 verfügt weiterhin über eine schräge obere Begrenzungsfläche 107 und eine untere Begrenzungsfläche 108. Die obere Begrenzungsfläche 107 bildet mit der Anschlagkante 105 einen stumpfen Winkel. Die untere Begrenzungsfläche 108 bildet vorzugsweise einen rechten Winkel mit der Anschlagkante 105.

Eine Probe 109 ist auf einem Widerlager 110 derart angeordnet, daß eine Seitenfläche als Schlagfläche 111 beim Aufprall parallel zur Anschlagkante 105 ausgerichtet ist. In der durch die Schlagfläche 111 verlaufenden Ebene ist die Pendelachse des Pendelschlagwerks 101 oberhalb der Probe 109 derart befestigt, daß bei einem bruchmechanischen Versuch die Anschlagkante 105 und die Schlagfläche 111 im Zeitpunkt ihres Zusammenschlagens parallel zueinander verlaufen.

Eine Sonde 113, die ein metallisches Sensorplättchen 114 umfaßt, ist auf der unteren Begrenzungsfläche 108 der Ausnehmung 104 des Hammerkopfes 102 isoliert von diesem angeordnet. Dafür kann insbesondere eine Vertiefung in der unteren Begrenzungsfläche 108 vorgesehen sein. Bei einem kleinen Pendelschlagwerk 101 mit einer Schlaggeschwindigkeit von z.B. 3,9 Meter pro Sekunde ist beim Schlag vorzugsweise ein räumlicher Abstand von 3 Millimetern zwischen der Probe 109 und dem Sensorplättchen 114 vorgesehen. Die änderungen des elektrischen Feldes werden über den so gebildeten Luftspalt erfaßt. Das Sensorplättchen 114 bildet einen Teil eines Kondensators. Infolge der nicht bestehenden direkten körperlichen Verbindung zwischen dem Sensorplättchen 114 und der Probe 109 kann letztere leicht und schnell ausgetauscht werden.

Die Fig. 8 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Sonde 113 mit dem metallischen Sensorplättchen 114. Das Sensorplättchen 114 ist durch eine erste Isoliernut 115 von dem Sourcekontaktstreifen 116 getrennt. Der Sourcekontaktstreifen 116 ist durch eine zweite Isoliernut 117 von dem positiven Betriebsspannungskontaktstreifen 118 elektrisch getrennt. Durch eine dritte Isoliernut 119 ist letztere von dem negativen Betriebsspannungskontaktstreifen 120 getrennt. Dieser wiederum ist durch eine vierte Isoliernut 121 von dem Massekontaktstreifen 122 elektrisch isoliert. Alle Kontaktstreifen 116, 118, 120 und 122 sowie das Sensorplättchen 114 weisen eine rechteckige Grundfläche auf, die derart angeordnet sind, daß zwei gegenüberliegende Seitenkanten der Flächen der jeweiligen Kontaktstreifen 116, 118, 120 und 122 sowie von dem Sensorplättchen 114 fluchtend miteinander angeordnet sind. Die Breite der Isoliernuten 115, 117, 119 und 121 ist im Verhältnis zu ihrer Länge klein.

An den Massekontaktstreifen 122 ist eine Masseleitung 123 gelegt. Der negative Betriebsspannungskontaktstreifen 120 ist mit einer negativen Betriebsspannungsleitung 124, der positive Betriebsspannungskontaktstreifen 118 mit einer positiven Betriebsspannungsleitung 125 verbunden.

Das Sensorplättchen 114 und der Massekontaktstreifen 122 sind über einen Widerstand 126 von mindestens 10 Megaohm miteinander verbunden. Ein Sourcewiderstand 127 verbindet den negativen Betriebsspannungskontaktstreifen 120 mit dem Sourcekontaktstreifen 116. In unmittelbarer Nähe zu dem Sourcekontaktstreifen 116 ist ein Transistorkörper 128 eines Sperrschicht-Feldeffekt- Transistors angeordnet. Seine Source-Elektrode 129 (Quelle) ist mit dem Sourcekontaktstreifen 116, seine Gate-Elektrode 130 (Gatter) mit dem Sensorplättchen 114 und seine Drain-Elektrode 131 (Senke, Abfluß) mit dem positiven Betriebsspannungskontaktstreifen 118 verbunden.

Die Fig. 9 zeigt ein Schaltbild der Sonde 113 für die Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Rißstarts gemäß Fig. 7. Dem Sensorplättchen 114 sind in einem Ersatzschaltbild Feldvektoren 132 eines elektrischen Feldes 133 zugeordnet, die durch entstehende Risse in einer Probe 109 erzeugt werden. Als Auswerteelektronik 134 ist der Sonde 113 ein Differenzierer 135 aus einem RC-Glied nachgeschaltet, dessen Ausgangssignal 136 einen logarithmischen Verstärker 137 beaufschlagt.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Rißstarts (5) bei einer Bruchmechanikprobe (2, 109) mit einer Meßeinrichtung (101), in der die Probe (2, 109) einem Belastungstest durch ein Belastungselement (105a, 110) unterziehbar ist, und mit einer in einem vorbestimmten räumlichen Abstand von der Probe (2) angeordneten Sonde (61, 71, 113), die an eine Auswerteschaltung (19, 134) anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (61, 71, 113) über mindestens eine kapazitive Sensorplatte (7, 7&min;, 23, 114) verfügt, die an einen in unmittelbarer Nähe zu der Sensorplatte (7, 7&min;, 23, 114) angeordneten Impedanzwandler (12, 21, 31, 128) angeschlossen ist, wobei die eine kapazitive Sensorplatte (7, 23, 114) mit der komplementären Sensorplatte (7&min;, 140) bzw. mit Masse (27, 140) über einen Ableitewiderstand (10, 28, 126) verbunden ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler (12, 21, 31, 128) ein in Sourcefolgerschaltung geschalteter Feldeffekttransistor (21) ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler (12, 21, 31, 128) ein Operationsverstärker (31) ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität der Metallplatte (23) zusammen mit der Eingangskapazität (22, 34) des Impedanzwandlers (21, 31) kleiner als 10 Picofarad ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (23) eine Oberflächengröße im Bereich von wenigen Quadratzentimetern aufweist.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwert des Ableitewiderstandes (10, 28, 126) mindestens 10 Megaohm ist.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (19) einen Logarithmierer (15) umfaßt.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (19) über Schwellwertdiskriminatoren (17) verfügt, die an den Logarithmierer (15) angeschaltet sind.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Sensorplatte (114) die Gestalt eines Abschnitts eines Metallstreifens aufweist, der durch elektrisch isolierende Nuten (115, 117, 119, 121) in einen Sourcekontaktstreifen (116), in einen positiven Betriebsspannungskontaktstreifen (118), in einen negativen Betriebsspannungskontaktstreifen (120) und in einen Massekontaktstreifen (122) unterteilt ist, wobei ein Lastwiderstand (127) den Sourcekontaktstreifen (116) mit dem negativen Betriebsspannungskontaktstreifen (120) verbindet und ein Ableitewiderstand (126) den Massekontaktstreifen (122) mit dem Gate-Kontaktstreifen (114) verbindet, daß ein Sperrschichtfeldeffekttransistor (128) in unmittelbarer Nähe zu dem Sourcekontaktstreifen (116) angeordnet ist und daß dessen Gate-Elektrode (130) mit dem Sensorplättchen (114), dessen Source-Elektrode (129) mit dem Sourcekontaktstreifen (116) und dessen Drain-Elektrode (131) mit dem positiven Betriebsspannungskontaktstreifen (118) unmittelbar verbunden ist.






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