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For the accuracy of inertial navigation systems for indoor localization it is important to get high quality sensor data of the multi-sensor system. This can be realized using high quality sensors or the developed 3D-self-calibration-method for low cost sensors. Based on the calibration procedure of the accelerometer (ACC) and the magnetic field sensor (MAG), the additional integration of the gyroscope (GYRO) leads to a reduction of the indoor positioning error. This improves both the approximation for the accelerometer, the magnetic field sensor and the gyroscope so that the standard deviation of a single sensor is minimized. There are errors in the whole system. To determine these error sources it is important to define the measurement uncertainty. In this paper it is presented that the measurement uncertainty can be reduced by the application of the developed 3D-self-calibration method.
In den letzten Jahren ist die Bestimmung der Position eines sich bewegenden Objektes eine immer interessanter werdende Information geworden. Die aktuelle Position oder der zurückgelegte Weg wird mittels miniaturisierter integrierter 3D-Sensoren bestimmt. Durch die Integration dieser Sensoren in moderne Smartphones oder in spezielle robuste Hardware sind die Anwendungsgebiete vielseitig. Die ermittelte Position innerhalb von Gebäuden ist dabei für den Kaufmann innerhalb eines Shoppingcenters aber auch für den Feuerwehrmann im Einsatz wichtig. Für den Kaufmann bedeutet es durch gezielte Angebote potenzielle Kunden anzusprechen und damit seinen Umsatz zu steigern. Für den Einsatzleiter der Feuerwehr ist die genaue Position seiner Feuerwehrmänner im Einsatz lebensrettend und bietet damit eine zusätzliche Sicherheit für die Einsatzkraft. Das hier vorgestellte Multisensorsystem, allgemein als Inertialsystem bezeichnet, und das darauf angewendete Verfahren zur Positionsbestimmung wird in diesem Bericht vorgestellt und näher beschrieben. Die systematischen und zufälligen Messunsicherheitsbeiträge des Inertialsystems und deren Auswirkungen auf die Bestimmung der aktuellen Position und somit auf den resultierenden zurückgelegten Weg werden erörtert.
A fibre Bragg grating (FBG) strain patch specially adapted for long-term and high-strain applications was developed and characterised. Additionally, in the case of unknown main stress axis, two fibre optic strain rosettes were developed. The design concept for the patch and the rosettes is based on a glass fibre reinforced plastic (gfrp) carrier material. The patches were characterised due to their strain gauge factor and fatigue behaviour. As a result, FBG strain patches with linear strain behaviour and excellent fatigue resistance were developed and can be used as part of a monitoring system for aerospace structures or wind turbine power plants. The rosettes were designed to be small in geometrical size and their strain transfer behaviour was characterised.
In this study a method for early damage detection is investigated based on the directed excitation and measuring of Lamb waves (guided waves). The objective is to make a statement about the practicability of a Lamb wave generator (LWG) and about the application relevant parameters (specimen materials and dimensions, wave characteristics, excitation, transmission und reflection). Guided waves enable an effective differentiation of structural and defective indications as well as a classification of different defect types. For the investigations, a LWG was developed which combines the advantages of the single excitation of a piezoelectric actuator and the possibility of a group excitation. Algorithms were developed to identify and analyze damage patterns (cracks, wholes, weakening).
Limited access to the object of relevance is often an essential problem in testing routines, e.g. for non-destructive testing of industry facilities or components of means of transportation. The presented project is about the development of a non-destructive testing method for application over great distances (up to 100 m). The method is based on directed excitation and measuring of Lamb waves (guided waves). It enables an effective differentiation of structural and defective indications as well as a classification of different defect types.
The advantage of guided waves is the ability of propagation over great distances. This offers innovative possibilities for the investigation of large or difficult to access constructions. The testing method can be helpful in a broad variety of applications. It is useable for the characterization of plane or cylindrical, thin-walled surfaces of metal or fiber laminated materials. Particularly the investigation of aircraft wings and other aerospace components as well as the investigation of pipelines are addressed fields of application.
Der Einsatz geführter Wellen für die
zerstörungsfreie Prüfung mit Ultraschall eröffnet neue Möglichkeiten,
räumlich ausgedehnte Bauteile mit begrenzter Zugänglichkeit
auf ihre Integrität zu prüfen und gewinnt daher
zunehmend an Bedeutung. Dieser Artikel behandelt die
physikalischen Grundlagen der Schallausbreitung. Deren Verständnis
bildet die Grundlage für die Entwicklung geeigneter
Prüfsysteme. An Beispielen werden verschiedene Möglichkeiten
zur Simulation der Schallausbereitung vorgestellt. Aktuelle
Lösungsansätze zur Prüfung von plattenförmigen Strukturen
und von Rohrleitungen werden beschrieben, wobei besonders
auf die Sensortechnik und die speziellen Anforderungen
an die Prüfhardware eingegangen wird. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Guided waves are widely used for non-destructive
testing using ultrasound. Recently, the method has become increasingly
important for integrity tests of spatially extended
components with limited accessibility. This article discusses the
basic physics of the sound propagation of guided waves. Their
understanding forms the basis for the successful development
of adapted inspection systems. Examples for simulating the
wave propagation using different methods are presented. Current
approaches for the inspection of plate-like structures and
pipelines are described with focus on sensor technology and the
specific requirement on the test hardware.
The calibration of the integrated sensors in a multisensor system has gained in interest over the last years. In this paper we introduce an enhanced calibration process, which is based on the preceding study described in. The enhancement consists of the integration of a gyroscope. So far only the accelerometer and the magnetic field sensor were taken into account for the calibration process. Due to this improvement we reach a better approximation of the accelerometer and the magnetic field sensor. Additionally, we minimize the standard
deviation of the single sensors and improve the accuracy of the positioning of a moving person.
Zur Untersuchung der Sicherheit von Behältern für den Transport und die Lagerung von Gefahrstoffen und -gütern werden Fallprüfungen durchgeführt. Die Aufpralldynamik und die strukturmechanischen Einwirkungen auf den Behälter werden mittels Beschleunigungsaufnehmern und Dehnungsmessstreifen erfasst. Dabei kommen derzeit Vielkanalmesssysteme zum Einsatz, die eine Verkabelung jeder einzelnen Messstelle und somit das Mitfallen eines Kabelbaums erfordern, wodurch Probleme bei der Versuchsvorbereitung und Durchführung entstehen. Die Verwendung eines Messsystems mit Datenbus und dezentraler Datenspeicherung bietet diesbezüglich einen vielversprechenden Lösungsansatz.
Structural health monitoring contributes to early damage detection in the built infrastructure. During the last two decades, the sensor networks transferred from wired to wireless sensor networks.
Several methods exist to measure moisture in building materials. Most of the introduced commercial humidity measurement methods as provide information about the local or near surface moisture. A feasibility study is presented to demonstrate, how the Received Signal Strength Indicator (RSSI) of a BlueTooth® Low Energy (BLE) signal, transmitted from the BLE-module embedded in building materials with changing moisture content. The BLE-module communicates with a mobile Smart Device as tablet or mobile phone. The RSSI indicates to what extend the received signal strength is changed due to moisture, while the transmitted signal strength remains constant.
Structural health monitoring contributes to early damage detection in the built infrastructure. During the last two decades, sensor networks transferred from wired to wireless sensor networks. Several methods exist to measure moisture in building materials. Most of the introduced commercial moisture measurement methods provide information about the local or near surface moisture. A feasibility study is presented to demonstrate, how the Received Signal Strength Indicator (RSSI) of a Bluetooth Low Energy (BLE) signal, transmitted from the BLE-module embedded in building materials, correlate with changing moisture content. The feasibility of this influence was investigated in the presented study. The maximum and minimum RSSI were systematically recorded and analysed.
In Glasfasern eingeschriebene Bragg-Gitter (FBG: fibre-based Bragg gratings) sind über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge in der Lage, Stauchungen und Dehnungen von Glasfasern hochgenau zu erfassen. In Kompositwerkstoffe eingebettete faseroptische Sensoren können Bauteile bezüglich ihrer mechanischen Integrität überwachen und früh-zeitig Informationen über Materialveränderungen gewinnen.
Um die Zuverlässigkeit eines solchen Sensors zu gewährleisten, ist es wichtig, die korrekte Funktion des Sensors im Verbund mit der Werkstoff-Matrix on-line und in-situ sicherzu-stellen. Im Rahmen des DFG-Projekts FAMOS² (FAser-basierter Magneto-Optischer SchichtSensor) wurde ein selbstdiagnosefähiger Schichtsensor entwickelt, der mit Hilfe von magnetostriktiven Aktorschichten aus Nickel bzw. Eisen-Nickel validiert werden kann.
Der FAMOS²-Schichtsensor wird durch ein PVD (physical vapour deposition)/ECD (electro-chemical deposition) Hybridschichtsystem realisiert, das auf dem Fasermantel im Bereich des FBG haftfest, homogen und langzeitfunktional abzuscheiden ist. Dabei wird in einem ersten Schritt ein etwa 100 Nanometer dünnes PVD-Schichtsystem aus Chrom und Kupfer als Haftvermittler auf der Glasfaser bzw. als leitfähige Startschicht für den nachfolgenden ECD-Prozess abgeschieden. Um eine rotationssymmetrische Schich-tabscheidung zu gewährleisten, erfolgt während der PVD-Beschichtung eine Rotation der Glasfasern. In einem zweiten Schritt wird dann unter Verwendung eines klassischen Watts-Elektrolyten in einer speziell entwickelten ebenfalls rotationssymmetrisch aufgebau-ten ECD-Durchströmungszelle dann die etwa 30 Mikrometer dicke, magnetostriktive Ak-torschicht auf dem PVD-Schichtsystem abgeschieden, im Vergleich sowohl reine Nickel-Schichten als auch Nickel-Eisen-Schichten.
Ein äußeres Magnetfeld dehnt die magnetostriktive Aktorschicht und damit auch die Faser reversibel. Diese Dehnung führt zu einer Verschiebung der Bragg-Wellenlänge, welche direkt mit der Stärke eines zu messenden oder zu Validierungszwecken vorgegebenen Magnetfeldes korreliert. Die Anpassung der Beschichtungsverfahren an die Fasergeome-trie und die mechanischen Eigenschaften der Hybridschichten werden hinsichtlich der me-chanischen Integrität des faseroptischen Sensors diskutiert und der Nachweis der Selbst-diagnosefähigkeit erbracht.
Die Langzeitüberwachung von Bauteilen (Structural Health Monitoring, SHM) ging in den letzten Jahren zunehmend von verkabelten Sensoren zu kabellosen Sensornetzwerken (WSN) über. Frühwarnsysteme sollen rechtzeitige Signale senden, wenn Schädigungsprozesse einsetzen, wenn ein Bauteil z. B. zu feucht wird (Deiche, Staumauern), oder wenn Feuchteprozesse in Bauteilen auftreten, die den Transport von schädlichen Stoffen ermöglichen. Mittels handelsüblicher multifunktionaler Sensoren wie einem Bluetooth Low Energy (BLE) wurden erste Machbarkeitsuntersuchungen zur Massenfeuchtemessung durchgeführt. Die untersuchten Parameter sind der sogenannte Received Signal Strength Indicator (RSSI) eines Bluetooth-Low-Energy(BLE)-Signals und die abgestrahlte Sendeleistung eines eingebetteten BLE-Moduls. Das BLE-Modul kommuniziert mit einem mobilen smarten Empfänger wie einem Tablet oder einem Smartphone als SmartHub. Die Veränderung des RSS-Indikators ist ein Maß für die Veränderung der Feuchte im Bauteil, während die ausgesandte Signalstärke konstant bleibt. Wenn das BLE-Signal einen feuchten Bereich im Baumaterial durchläuft, verändert sich der RSS-Indikator. Nach erfolgreicher Machbarkeitsstudie wurde nun ein aus dem Netzwerk MI4G (Modern Industry for Germany) zwischen der Bundesanstalt für Materialprüfung und dem Klein- und mittelständigen Unternehmen LinTech GmbH heraus beantragtes ZIM-Projekt bewilligt. Der Bericht zeigt erste Ergebnisse von Voruntersuchungen und gibt einen Ausblick auf weitere Forschungsaktivitäten.
Rising importance of composite lightweight structures in aircraft and automobile industries increases the demand on reliable non-destructive testing methods for these structures. Air-coupled ultrasonic testing emerged to suit these requirements as it does not require any liquid coupling medium. In conventional air-coupled ultrasonic transducers, matching layers are used in order to decrease the impedance mismatch between transducer and air. Matching layers can be omitted by using ferroelectrets, which are charged cellular polymers having ferroelectric and piezoelectric properties. Especially a low Young’s modulus, low density and low sound velocity of cellular polypropylene (cPP) are properties being required for well-matched air-coupled ultrasonic transducers.
In our contribution we show recent enhancements of cPP transducers resulting in focused sound fields and thus improved lateral sensitivity. The influence of different transmitter apertures was evaluated using measurements of the emitted sound field. Further we show a transmission of a test specimen of carbon-fiber-reinforced plastic (CFRP) containing artificial damages. Results of focused transducers were compared to planar ferroelectret transducers, as well as to conventional air-coupled transducers.
Air-coupled ultrasound has been applied increasingly as a non-destructive testing method for lightweight construction in recent years. It is particularly appropriate for composite materials being used in automotive and aviation industry. Air-coupled ultrasound transducers mostly consist of piezoelectric materials and matching layers. However, their fabrication is challenging and their signal-to-noise ratio often not sufficient for many testing requirements. To enhance the efficiency, air-coupled ultrasound transducers made of cellular polypropylene have been developed. Because of its small density and sound velocity, this piezoelectric ferroelectret matches the small acoustic impedance of air much better than matching layers applied in conventional transducers. In our contribution, we present two different methods of spherical focusing of ferroelectret transducers for the further enhancement of their performance in NDT applications. Measurements on carbon-fiber-reinforced polymer (CFRP) samples and on metal adhesive joints performed with commercially available focused air-coupled ultrasound transducers are compared to measurements executed with self-developed focused ferroelectret transducers.
Eine Reihe von Prüfproblemen in der chemischen Industrie, in Kraftwerksanlagen und in Transportsystemen ist aufgrund schwieriger Zugangsmöglichkeiten nur begrenzt technisch bzw. wirtschaftlich effizient durchführbar. Das hier vorgestellte Projekt beinhaltet die Entwicklung eines Verfahrens der zerstörungsfreien Prüfung über weite Entfernungen (bis zu 100 m), das zum Einsatz in automatisierten Messsystemen bzw. zur Integration in Langzeitüberwachungssysteme geeignet ist. Grundlage des Verfahrens ist die gezielte Anregung und Auswertung von Lamb-Wellenmoden, wodurch eine effektive Unterscheidung von Fehler- und Formanzeigen sowie eine Klassifizierung unterschiedlicher Fehlertypen möglich werden.
Der Vorteil der Nutzung geführter Wellen für die zerstörungsfreie Prüfung liegt in ihrer vergleichsweise guten Ausbreitungsfähigkeit über weite Entfernungen. Die sich daraus ergebenden Möglichkeiten der Untersuchung großer bzw. schwer zugänglicher Bereiche einer Struktur bieten innovative Ansätze für die Entwicklung robuster Structural-Health-Monitoring-Systeme (SHM). Erst durch die Verfügbarkeit leistungsfähiger Rechentechnik wird ein breiter Einsatz derartiger Verfahren möglich. Die Technik kann zur Materialcharakterisierung an ebenen bzw. zylindrischen, dünnwandigen Flächen aus Metall oder auch CFK genutzt werden. Adressierte Anwendungsfelder sind z.B. die Untersuchung von Flugzeugtragflächen oder Pipelines. Des Weiteren wird der Einsatz solcher Verfahren zur Überwachung sicherheitsrelevanter Bauteile z.B. aus Laminaten angestrebt, wie sie verstärkt in der Luft- und Raumfahrt Anwendung finden. Im Rahmen des Projekts wurde auf Grundlage vorhandener Technik (Wellenanregung mittels Ultraschall-Gruppenstrahlprüfköpfen) ein umfassendes Verständnis für die Technologie und anwendungsrelevante Parameter (Probenmaterial und -dimensionen, Welleneigenschaften, Anregungs-, Transmissions-, Reflektionscharakteristika) gewonnen und Algorithmen zur Erkennung von Schädigungsbildern (z.B. Riss, Loch, Verdünnung) entwickelt.
Neben der Algorithmusentwicklung zur Detektion und Analyse von Schadstellen, lag ein Projektschwerpunkt in der Entwicklung einer geeigneten Gerätetechnik. Als sensorisches Elemente wurde Ultraschall-Gruppenstrahlertechnik eingesetzt. Besondere Anforderungen werden an die Technik zur Anregung der Wellenmoden unter Verwendung geeigneter Piezoaktoren gestellt. In diesem Bereich existiert bislang keine kommerziell erhältliche Gerätelösung, weshalb eine Neuentwicklug der Anregetechnik realisiert wurde. Speziell für die hohe Anzahl an Aktorkanälen, die benötigt wird, um unterschiedliche Moden und Wellenformen anzuregen, wurde eine äußerst leistungsfähige Anregeeinheit entwickelt.