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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.
Der Mangel an Anwendungsrichtlinien und Validierungsverfahren für struktur-eingebettete faseroptische Dehnungssensoren, insbesondere auf Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Basis, führte bislang dazu, dass diese Sensoren trotz ihrer hervorragenden Eigenschaften im Bereich der kommerziellen Material- und Strukturüberwachung nur in geringem Umfange eingesetzt wurden. Fragen zur Degradation der Sensoren unter Beanspruchung, Alterung durch klimatische Einflüsse und Enthaftung infolge Belastung der Struktur konnten bisher nur theoretisch simuliert oder anhand exemplarischer Proben für einzelne einflussnehmende Parameter im Labor untersucht werden. Die Erfassung des Sensorverhaltens im Bauteil unter komplexen Umwelteinflüssen während des Bauteilbetriebes, um damit eine Aussage zur Zuverlässigkeit der Sensormessdaten zu gewinnen, war bisher nicht möglich.
Im Forschungsprojekt FAMOS² wurde deshalb von 2014 bis 2018 die Realisierung eines Autodiagnoseverfahrens für faseroptische Dehnungssensoren erarbeitet, um die Funktionszuverlässigkeit und Langzeitstabilität der Sensoren während des Bauteilbetriebes innerhalb einer Bauteilstruktur bewerten zu können. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde gezeigt, dass ein FBG-Sensor mit einer speziell angepassten magnetostriktiven Schicht magnetisch so angeregt werden kann, dass mit einer zugeschnittenen Messmethodik zu jedem Zeitpunkt eine Bewertung der Sensorzuverlässigkeit unter Betriebsbedingungen möglich ist. Die auf den Sensor aufgebrachte magnetostriktive Schicht erzeugt bei Anregung mit einem passenden Magnetfeld eine gepulste, synthetische Dehnung. Diese Dehnung steht in einem definierten Verhältnis zum anregenden Magnetfeld und wird optisch über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge ausgelesen. Die Konstanz dieses Verhältnisses stellt dann ein Maß für die korrekte Funktionsfähigkeit des Sensors dar. Das Beschichtungs-verfahren, das magnetische Anregungs- und optische Ausleseverfahren, wie auch die Validierung des Sensors unter Berücksichtigung faseroptischer Effekte wurden während des Projekts konzeptionell entwickelt, aufgebaut und charakterisiert. Qualitativ kann mit diesem Verfahren zunächst eine Gut-/Schlecht-Beurteilung des Sensors vorgenommen werden. Perspektivisch bietet das Verfahren jedoch auch die Möglichkeit, verschiedene Versagensmechanismen bestimmen und klassifizieren zu können. Es zeichnete sich schon während des Projektverlaufs ab, dass sich aus den erzielten Ergebnissen über das Autodiagnoseverfahren hinaus weitere Anwendungsmöglichkeiten für den Einsatz des kombinierten magnetostriktiv-faseroptischen Sensorprinzips, beispielsweise als reiner Magnetfeldsensor, ergeben.
Nach Abschluss dieses Forschungsprojekts besteht nun die Möglichkeit, den Funktionszustand faseroptischer Dehnungssensoren jederzeit unabhängig von Alter, Belastung oder Kenntnis eines Referenzzustands zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmen zu können. Aufbauend auf diesen Ergebnissen können weiterführende Forschungen die Messmethodik vertiefend charakterisieren und weitere Anwendungsfälle erschließen.
One challenge associated with navigating a nano aerial robot swarm indoors in unstructured environments is, i.a., the limited air space. To avoid an over-regulation of the available indoor air space (e.g., prohibit copters to fly above each other), a safety region around each copter must be defined. In this paper, we investigate the impact of the downwash of a nano-drone on the stability of another nearby nano-drone. In the experiments, we found out that this downwash has a negative influence of a second nano-drone in a distance of around 1 m vertically and 0.2 m horizontally. Based on the obtained data, we developed a model describing the above-mentioned safety region to enable a safe operation of the swarm in these environments with fewer constraints.
Real-time wind estimation on a micro unmanned aerial vehicle using its inertial measurement unit
(2015)
This paper presents an approach for a quadrocoper-based micro unmanned aerial vehicle (UAV) that estimates the wind vector (speed and direction) in real-time based on measurement data of its on-board sensors only. This method does not need any additional airspeed sensor or dedicated anemometer, and thus the micro UAV's valuable payload remains free for other sensors. Wind tunnel and field tests were used to evaluate the performance of the approach. In order to quantify its accuracy, experiments are presented where data was collected with an anemometer placed in an open field with the micro UAV in flight following a predefined trajectory around the anemometer and hovering at a defined position close to it.
A monitoring method is introduced that creates, in near real-time, two-dimensional (2D) maps of the soil gas distribution. The method combines linear gas sensing technology for in-situ monitoring of gases in soil with the mapping capabilities of Computed Tomography (CT) to reconstruct spatial and temporal resolved gas distribution maps. A weighted iterative algebraic reconstruction method based on Maximum Likelihood with Expectation Maximization (MLEM) in combination with a source-by-source reconstruction approach is introduced that works with a sparse setup of orthogonally-aligned linear gas sensors. The reconstruction method successfully reduces artifact production, especially when multiple gas sources are present, allowing the discrimination between true and non-existing so-called ghost source locations. A first experimental test indicates the high potential of the proposed method for, e.g., rapid gas leak localization.
Strain and acceleration measurement during high dynamic drop tests, e.g., of containments for dangerous goods is performed using high speed multichannel measuring systems. So far established and operated systems need a cable connection of every strain gauge and acceleration sensor with the measuring device, often counting up to a number of more than 100 cables, corresponding to the number of applied sensors. The result is a massive cable harness consisting of all single cables, which is difficult to handle and causes a number of practical problems. An innovative approach is proposed by using a single cable measuring system, consisting of measuring modules with data bus connection and local data acquisition. Promising results were presented in a previous study. This paper follows up with additional results from full-scale testing of a further enhanced single cable system for the application in drop tests.
Concept for investigating mechanical and thermal impacts on distributed subsurface gas monitoring
(2016)
A multifunctional sensor in line shape was developed and introduced in previous work for measuring of gas concentrations, temperature change, and strain. A current field study focuses on a spatially distributed monitoring of subsurface CO 2 gas storage sites in near real time.
Mechanical impacts, e.g., caused by construction work, denudation, and seismic activity, can affect the integrity of underground gas storage sites. Thermal or moisture impacts, e.g., caused by weather conditions, can influence the gas Distribution behavior. In this paper, we briefly describe the setup of a CO 2 injection soil test field. This setup contains actuating elements for the investigation of mechanical and thermal impacts on distributed subsurface gas monitoring. A concept is given for evaluating these impacts and first experimental results are presented.
Gas sensors in linear form based on the measuring principle of gas selective permeability through a membrane were developed and introduced for the detection and quantification of gas concentrations. A current field study focuses on measuring CO2 concentrations for a spatially distributed monitoring of subsurface CO2 gas storage sites in near real time. A 400 m² test site and a corresponding laboratory system were built up to characterize, validate, and optimize the sensor. A calibration routine was developed, which can be applied subsequently to underground installation. First measurement results indicate the potential of the method.
A monitoring method is introduced that creates twodimensional (2D) maps of the soil gas distribution. The method combines linear gas sensing technology for in-situ monitoring of gases in soil with the mapping capabilities of Computed Tomography (CT) to reconstruct spatial and temporal resolved gas distribution maps. A weighted iterative algebraic reconstruction method based on Maximum Likelihood with Expectation Maximization (MLEM) in combination with a source-by-source reconstruction approach is introduced that works with a sparse setup of orthogonally-aligned linear gas sensors. The reconstruction method successfully reduces artifact production, especially when multiple gas sources are present, allowing the discrimination between true and non-existing so-called ghost source locations. Experimental validation by controlled field experiments indicates the high potential of the proposed method for rapid gas leak localization and quantification with respect to Pipeline or underground gas storage issues.