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Smart geosynthetics with embedded optical fibers as distributed sensors provide solutions both for applications in geotechnical engineering and for cost-effective monitoring of critical infrastructures. The incorporation of glass or polymer optical fibers (GOFs or POFs) in geotextiles and geogrids allows early detection of mechanical deformations, temperature and humidity. This paper presents selected examples of smart geosynthetics based on Brillouin and Rayleigh scattering effects in incorporated fiber optic sensors for monitoring of large geotechnical structures like dikes, dams, railways, embankments or slopes. The focus of the presented work is on real field tests of measurement capability with respect to the chosen measurement principle and used fiber type.
Kurzfassung. Die meisten Faserverbundbehälter, die in Europa für den Transport gefährlicher Stoffe oder als Speicherbehälter für Wasserstoff oder Erdgas in Fahrzeugen Verwendung finden, werden für eine nicht begrenzte Lebensdauer ausgelegt. In regelmäßigen Abständen sind für diese Druckbehälter wiederkehrende Prüfungen vorgeschrieben, die in der Regel aus visuellen Inspektionen und hydraulischen Innendruckprüfungen bestehen [1]. Die wiederkehrenden Prüfungen sind jedoch weder geeignet, die sichere Betriebsdauer festzulegen noch den Alterungszustand der Druckbehälter zu beurteilen. Aufgrund des weiter steigenden Drucks zur Kosten- und Gewichtsreduktion von Faserverbundbehältern und der damit einhergehenden Ausnutzung der existierenden Sicherheitsmargen gewinnen Methoden zur Beurteilung des Alterungsverhaltens dieser Druckbehälter immer mehr an Bedeutung.
Vor diesem Hintergrund wurde in der BAM das orhaben „Alterungsverhalten von Composite-Druckgefäßen mit Carbonfaser-Compositen unter gekoppelten Beanspruchungen (COD-AGE)“ gestartet, um die Alterung von Faserverbundbehältern mittels verschiedener zerstörungsfreier Prüfverfahren zu untersuchen. Die hier vorgestellten Ergebnisse wurden an einem Typ 4 Hybridbehälter mit Kunststoffliner gewonnen, in den im Rahmen des Herstellungsprozesses optische Glasfasern in verschiedenen Schichten integriert wurden. Der Behälter wurde mittels hydraulischem Innendruck und erhöhter Umgebungstemperatur zyklisch bis zum Lebensende belastet. Zwischen den einzelnen Lastsequenzen erfolgte eine an die wiederkehrende Prüfung im Betrieb angelehnte hydraulische Druckbelastung.
Sowohl die hydraulische Alterung als auch die Druckrampen wurden mittels Schallemissionsprüfung (SEP) und verteilter faseroptischer Sensorik mit dem Ziel einer frühzeitigen Versagensvorhersage überwacht. Durch die Schallemissionsanalyse sollte untersucht werden, ob zum Lebensende hin ein signifikanter Anstieg der Schallemissionsaktivität und -intensität, unterteilt in verschiedene Lastbereiche, beobachtet werden kann. Zusätzlich zum kontinuierlichen Monitoring der Zyklierung sollten die Druckrampen separat untersucht werden, um hier Potenziale für die wiederkehrende Prüfung zu erkennen.
We present the results of distributed fibre optic strain sensing for condition monitoring of a hybrid type IV composite fully wrapped pressure vessel using multilayer integrated optical fibres. During load cycle tests material fatigue could be localised and monitored 17,000 load cycles before burst. Results have been validated by acoustic emission analysis.
Kurzfassung. Die meisten Faserverbundbehälter, die in Europa für den Transport gefährlicher Stoffe oder als Speicherbehälter für Wasserstoff oder Erdgas in Fahrzeugen Verwendung finden, werden für eine nicht begrenzte Lebensdauer ausgelegt. In regelmäßigen Abständen sind für diese Druckbehälter wiederkehrende Prüfungen vorgeschrieben, die in der Regel aus visuellen Inspektionen und hydraulischen Innendruckprüfungen bestehen. Die wiederkehrenden Prüfungen sind jedoch weder geeignet, die sichere Betriebsdauer festzulegen noch den Alterungszustand der Druckbehälter zu beurteilen. Aufgrund des weiter steigenden Drucks zur Kosten- und Gewichtsreduktion von Faserverbundbehältern und der damit einhergehenden Ausnutzung der existierenden Sicherheitsmargen gewinnen Methoden zur Beurteilung des Alterungsverhaltens dieser Druckbehälter immer mehr an Bedeutung.
Vor diesem Hintergrund wurde in der BAM das Vorhaben „Alterungsverhalten von Composite-Druckgefäßen mit Carbonfaser-Compositen unter gekoppelten Beanspruchungen (COD-AGE)“ gestartet, um die Alterung von Faserverbundbehältern mittels verschiedener zerstörungsfreier Prüfverfahren zu untersuchen. Die hier vorgestellten Ergebnisse wurden an einem Typ 4 Hybridbehälter mit Kunststoffliner gewonnen, in den im Rahmen des Herstellungsprozesses optische Glasfasern in verschiedenen Schichten integriert wurden. Der Behälter wurde mittels hydraulischem Innendruck und erhöhter Umgebungstemperatur zyklisch bis zum Lebensende belastet. Zwischen den einzelnen Lastsequenzen erfolgte eine an die wiederkehrende Prüfung im Betrieb angelehnte hydraulische Druckbelastung.
Sowohl die hydraulische Alterung als auch die Druckrampen wurden mittels Schallemissionsprüfung (SEP) und verteilter faseroptischer Sensorik mit dem Ziel einer frühzeitigen Versagensvorhersage überwacht. Durch die Schallemissionsanalyse sollte untersucht werden, ob zum Lebensende hin ein signifikanter Anstieg der Schallemissionsaktivität und -intensität, unterteilt in verschiedene Lastbereiche, beobachtet werden kann. Zusätzlich zum kontinuierlichen Monitoring der Zyklierung sollten die Druckrampen separat untersucht werden, um hier Potenziale für die wiederkehrende Prüfung zu erkennen.
Fibreoptic sensors (FOS) represent sensing technology with small footprint, low invasiveness, electromagnetic passivity and immunity, plus potential for remote and real-time monitoring. Modern FOS techniques allow truly temporally- and spatially-continuous monitoring over extended distances; a feature not attainable with any other sensing technology. Moreover, depending on their particular material composition and design, optical fibres can be made resistant to high temperatures, chemicals and ionizing radiation. Due to this unique combination of advantageous properties, ever since their emergence, FOS have been attracting considerable attention for monitoring tasks in harsh, hazardous and difficult-to-access locations. The potential of FOS has been recognized also in the field of radioactive waste management and fibreoptic sensors belong to the most promising technologies for nuclear waste repositories (NWR) monitoring.
Vast majority of distributed fibreoptic sensor applications rely on use of silica-based optical fibres as sensing elements. At the same time, distributed measurement of local temperature and strain along the fibre are the most common monitoring tasks addressed by fibreoptic sensors. Nevertheless, FOS offer much larger flexibility both in terms of utilized sensing fibre as well as targeted measurand. In this contribution, we will review some of more alternative implementations of FOS that are being explored at “Fibre Optic Sensors” division of Federal Institute for Material Research and Testing (BAM), in Berlin. The main focus will be twofold. On one side, we will address FOS applications with polymer optical fibres (POF), that may enable monitoring of large strains (>100%) and high-sensitivity radiation detection. On the other side, we will present our activities in the area of distributed acoustic sensing (DAS); one of the most recent developments in the fibreoptic sensing field enabling highly-dynamic vibration sensing with nanostrain sensitivity. We will introduce the principles of the addressed FOS technologies, present application examples from our case studies, discuss advantages and limitations of the techniques and highlight their potential for NWR monitoring.
The proposed BAM project SealWasteSafe will advance the state of the art for the construction and monitoring of safe sealing systems for underground repositories of radioactive or toxic waste. During this project, a novel salt concrete exhibiting neither significant cracking nor shrinkage will be optimized for use in the sealing systems. The composition of this material will be based on alkali-activated materials, which are characterized by particularly small thermal deformations during the hardening reaction. Quality assurance and continuous monitoring systems developed during this project will be demonstrated not only for high reliability, but also for resistance to highly alkaline environments and to water intrusion along cables or at sensor locations. A variety of sensors will be used in combination with wireless Radio Frequency Identification (RFID) technology to record moisture, temperature, and, if necessary, corrosion activity within the sealing system. Distributed Fibre Optic Sensor (FOS) technology will also be used for strain, temperature, and moisture content measurement. Ultrasound-based measuring methods will be utilized for the detection of cracks and delaminations. Additionally, digital image correlation and acoustic emission analysis will be used for deformation measurements and crack detection. A novel borehole probe and advanced ultrasound imaging techniques will be further developed to track cracks and delaminations within the host rock in 3D. The surface-based Large Aperture Ultrasound System (LAUS) will also be utilized to detect cracks and delaminations deep below the exterior surface of the sealing system. Although the focus of this project will be on the host rock salt, the resulting technologies will be intentionally developed in a way that facilitates their adaptation to other host rocks.
We compare four different sensing solutions suitable for distributed fiber optic humidity sensing in per uorinated graded-index polymer optical fibers (PFGI-POFs). Compared to silica fbers, polymer optical fibers over advantageous beneffits including signifficantly higher break down strain, fracture toughness and humidity sensitivity. Various humidity-related effects in PFGI-POFs have been reported in the last years including measured attenuation and length changes as well as Brillouin frequency and Bragg wavelength shifts. The four aforementioned methods could serve as a basis for distributed and quasi-distributed humidity sensing and are described here closely with an emphasis on plausible cross effects to temperature and strain. The main focus of this paper lies on the comparison of four approaches with regard to method complexity, sensitivity to humidity, spatial resolution, real-time capability and effort to compensate for cross effects.