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Distributed fiber optic sensors for structural health monitoring of composite pressure vessels
(2024)
In diesem Beitrag geben wir einen umfassenden Überblick über unsere Forschung auf dem Gebiet der verteilten faseroptischen Sensorik für die strukturelle Zustandsüberwachung von Wasserstoffdruckbehältern aus Verbundwerkstoffen. Insbesondere zeigen wir, wie die Integration von faseroptischen Sensoren in Druckbehälter aus Verbundwerkstoffen die Sicherheit erhöht und gleichzeitig die Wartungskosten senkt. Die geringe Größe von Lichtwellenleitern ermöglicht ihre Integration in Verbundwerkstoffstrukturen während des Herstellungsprozesses, wodurch eine kontinuierliche Überwachung sowie eine präzise Erkennung und Lokalisierung von Strukturschäden während des Betriebs der Druckbehälter ermöglicht wird. Wir erörtern auch das Potenzial modernster Signalverarbeitungsmethoden und des maschinellen Lernens für die Weiterentwicklung der vorausschauenden Instandhaltung. Die von uns vorgestellten Anwendungen von faseroptischen Sensoren zeigen, dass sie einen wichtigen Beitrag zur Energiewende hin zu erneuerbaren Energien leisten können.
Der Vortrag gibt einen Überblick über die Einsatzmöglichkeiten faseroptischer Sensorik (FOS) als ZfP-Verfahren. Dabei werden an Beispielen lokale und verteilte faseroptische Verfahren zur Dehnungs-, Temperatur- und Risserfassung sowie zur akustischen Messung vorgestellt. Weiterhin werden Möglichkeiten zur Selbstdiagnose von FOS aufgezeigt.
Durch den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen und Multi-Material-Konstruktionen zur Gewichtsreduzierung erlangen Klebeverbindungen immer stärkere Bedeutung. Die Prüfung dieser Fügeverbindungen stellt neue Anforderungen an die zerstörungsfreie Prüfung. Hinzu kommt, dass die Zugänglichkeit häufig eingeschränkt und die Verwendung flüssiger Koppelmittel aufgrund konstruktiver oder fertigungstechnischer Gegebenheiten ausgeschlossen ist. Unter Berücksichtigung dieser Beschränkungen wurde ein Prüfverfahren entwickelt, das eine luftgekoppelte Anregung geführter Ultraschallwellen mit einer laserbasierten Detektion kombiniert. Nachdem das Prüfverfahren zunächst mit einer einfachen Signalauswertung im Zeitbereich getestet wurde, konnte in nachfolgenden Untersuchungen die örtliche Auflösung durch die Implementierung von Filteralgorithmen im Frequenz-Wellenzahl-Bereich und zusätzlich durch direktionale Filter erhöht werden. Das resultierende bildgebende Prüfverfahren wurde an realitätsnahen Klebeproben mit künstlichen Fehlern getestet. Die Zuverlässigkeit und Ortsauflösung des Verfahrens wurde im Vergleich mit herkömmlichen Prüfverfahren validiert. Mithilfe des Verfahrens können Poren, Einschlüsse und Bereiche mit ungenügender Verklebung detektiert werden.
Online-Strukturüberwachungssysteme sind eine Möglichkeit, den Anforderungen hinsichtlich Leichtbau und Zuverlässigkeit gleichzeitig gerecht zu werden. Die Integration solcher Systeme liefert aktuelle Informationen über die Integrität der sicherheitsrelevanten Struktur, wodurch sich Aussagen über notwendige Instandhaltungsarbeiten und möglicherweise über die zu erwartende Restlebensdauer ableiten lassen. Der zielgerichtete Einsatz der Überwachungssysteme ermöglicht es somit, die benötigten Sicherheitsfaktoren bei der Auslegung der Bauteile zu reduzieren und Wartungsintervalle zu verlängern. Dadurch können Kosten gesenkt werden, ohne die Zuverlässigkeit zu verringern. Im Rahmen einer Studie zur Machbarkeit eines Online-Überwachungssystems für Eisenbahn-Radsatzwellen wurde der Einsatz geführter Ultraschallwellen, die von Sensoren an einer Stirnseite der Wellen angeregt werden, demonstriert. Aufgrund der Bauteilgeometrie und der dispersiven, multimodalen Wellenausbreitung stellt die Interpretation der Echosignale eine wesentliche Herausforderung dar. Basierend auf dem a-priori-Wissen über die Wellenausbreitung wurden in der Studie klassifizierende Auswertealgorithmen entwickelt und erfolgreich an maßstabsgetreuen Labormodellen getestet.
Damage to buildings occurs if a construction component fails. The result is a partial or total collapse which can be dangerous for people for example if it's a bridge or a large hall. The collapse of the terminal building at the Airport Charles de Gaulle in Paris and the damage at the historic City Archives of Cologne are typical examples of such accidents. Another problem is the contradiction of the increasing volume of traffic (particularly heavy traffic) and the great age of bridges. The probability increases that the load-bearing capacity of a bridge decreases. For example the collapses of the Mississippi Bridge and of the Inntal Motorway Bridge can be seen as results. Therefore it is necessary to control endangered structures during their life span.
In order to prevent these kinds of accidents, the Federal Institute for Materials Research and Testing developed a radio-based, self-configuring measuring system in cooperation with the ScatterWeb Company, Berlin (Germany). This measuring system consists of identically designed sensor modules which are self-sustaining, wireless, act as transmitters and receivers and are equipped with a special sensor technology for long-term monitoring of buildings or engineering facilities. The sensor unit uses strain gauges for stress analysis and contains interfaces for additional sensors. The system in particular applies to buildings and structures for transport and traffic and large-scale industrial facilities, where a subsequent wiring installation is difficult or impossible.
Wireless sensor network for long-term structural health monitoring of buildings and infrastructures
(2009)
Damage commonly occurs in buildings when a component fails suddenly with a
partial or total collapse as a consequence. This type of event leads to serious damage to property
and if it is a bridge or a large hall, then people in particular are at risk. The often great age of
bridges and the increasing volume of traffic (particularly heavy traffic) which they are expected
to carry are in clear contradiction to each other. Thus the probability increases that the loadbearing
capacity of a bridge decreases rapidly and often unnoticed with sometimes dire
consequences.
In order to prevent such accidents, the Federal Institute for Materials Research and Testing is
currently developing a special radio-based, self-configuring measuring system in cooperation
with the Berlin-based ScatterWeb Company. This measuring system consists of a number of
identically designed sensor nodes which are self-sustaining, need no wiring, can act as both
transmitters and receivers and are equipped with a special sensor technology making long-term
monitoring of buildings or engineering facilities possible. The sensor unit uses strain gauges for
stress analysis and contains interfaces for additional sensors. The system in particular applies to
buildings and structures for transport and traffic and large-scale industrial facilities, where a
subsequent wiring installation is difficult or impossible.