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Organisationseinheit der BAM
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.
The combination of different types of sensors to multi-sensor devices offers excellent potential for monitoring applications. This should be demonstrated by means of four different examples of actual developments carried out by Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM): monitoring and indoor localization of relief forces, a micro-drone for gas measurement in hazardous scenarios, sensor-enabled radio-frequency identification (RFID) tags for safeguard of dangerous goods, and a multifunctional sensor for spatially resolved under-surface monitoring of gas storage areas. Objective of the presented projects is to increase the personal and technical safety in hazardous scenarios. These examples should point to application specific challenges for the applied components and infrastructure, and it should emphasize the potential of multi-sensor systems and sensor data fusion.
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.
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.
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.
In this work an air-based sensor network for the localization of persons at extensive areas is presented. The developed network consists of a localization device which the person is wearing (BodyGuard-System), a mobile relay station in the air, and a base station. All three parts communicate with the same radio chip. The BodyGuard-System is an inertial navigation system which was developed for localization in difficult environments with high accuracy and low measurement uncertainty. To increase the range of the system, a multi-hop network was built up. The measured data of the BodyGuard-System and the mobile relay station is visualized on a PC in the base station. This multi-hop network is necessary for example for fire department missions.