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Organisationseinheit der BAM
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (28)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (28)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (4)
- 1.9 Chemische und optische Sensorik (4)
- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (4)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (1)
- 3.3 Sicherheit von Transportbehältern (1)
- 6 Materialchemie (1)
- 6.7 Materialsynthese und Design (1)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (1)
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.
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.
Dehnungsmessstreifen (DMS) gehören zu den Standardsensoren beim Messen mechanischer Größen.
Sie finden Ihre Anwendung auf unterschiedlichen Gebieten, als sensorische Komponente in
Messaufnehmern (z.B. Wägezelle, Kraftaufnehmer) oder für Dehnungsmessungen im Bereich der
Strukturüberwachung unter anderem an Brücken oder Bauwerken. Sie werden in verschiedenen Größen
geliefert und mit entsprechenden Klebstoffen auf der Objektoberfläche des Messobjekts an der jeweiligen
Messstelle angebracht und an das Messsystem angeschlossen. Dieser Aufbau wird bei den
verschiedenen Anwendungen unterschiedlichen Temperaturen und Umwelteinflüssen ausgesetzt. Dabei
wird das System DMS/Klebstoff in seinen Eigenschaften verändert und das Ergebnis der
Dehnungsmessung beeinflusst. Beispielsweise kann es zu einer Verfälschung der Messergebnisse
kommen, wenn der Klebstoff die Dehnung des Messobjekts nicht vollständig auf den DMS überträgt, oder
es kann eine Nullpunktverschiebung der Dehnungsmessung auftreten.
An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung werden Fallversuche von Lager- und
Transportbehältern durchgeführt. Für diese werden Dehnungsmessstreifen auf den Behälter angebracht
um die Dehnung bzw. Verformung zu messen. Bei den Versuchen werden verschiedene Parameter
berücksichtigt: Neben unterschiedlichen Fallhöhen (u.a. 9 m und 1 m) wird auch der Temperatureinfluss
auf den Fallversuch z.B. bei -40 °C oder +100 °C untersucht. Zur Applizierung von DMS auf
Objektoberflächen gibt es für verschiedene Anwendungsbedingungen (DMS-Typ, Objektoberflächenbeschaffenheit,
Einsatztemperatur) von den DMS-Herstellern jeweils empfohlene Klebstoffe.
Insbesondere für Anwendungsfälle mit hochdynamischer Belastung (Fallversuche, Crash-Tests) und
großem Temperaturbereich ist es erforderlich, dass die Dehnungsmessstreifen zuverlässige Werte
ausgeben. Dies ist nur gegeben, wenn der Klebstoff eine gute Verbindung zwischen Messobjekt und
Dehnungsmessstreifen herstellt.
Sensor based person tracking is a challenging
topic. The main objective is positioning in areas without
GPS connection, i.e. indoors. A research project is carried
out at BAM, Federal Institute for Materials Research and
Testing, to develop and to validate a multi-sensor system for
3D localization. It combines body motion sensing and a
guard system for the tracking and recording of the status of
persons. The so named BodyGuard system was designed for
sensor-based monitoring and radio-based transmission of
the movement of a person. Algorithms were developed to
transform the sensor data into a spatial coordinate. This
paper describes how the BodyGuard system operates, which
main components were used in the system, how the
individual sensor data are converted into 3D motion data,
with which algorithms the individual sensors are processed,
how individual errors are compensated and how the sensor
data are merged into a 3D Model. Final objective of the
BodyGuard system is to determine the exact location of a
person in a building, e.g. during fire-fighting operations.
BAM Federal Institute for Materials Research and Testing, in cooperation with the company MeGaSen UG carries out a research project to enhance and validate an innovative approach for distributed subsurface monitoring of gas storage areas. The concept combines different measurement technologies to one multifunctional sensor: membrane-based gas measurement technology for in-situ monitoring of gases in soil and fiber optical sensing of temperature and strain (as a measure for structural change). Key aspect of the research project is the first-time validation of the system in an application relevant dimension. For this purpose a 20 x 20 m2 test field is build. A comprehensive validation of the system is carried out by systematic variation of different parameters like position-dependent gasinjection, temperature and mechanical impact.
This paper presents a sampling strategy for mobile gas sensors. Sampling points are selected using a modified artificial potential field (APF) approach, which balances multiple criteria to direct sensor measurements towards locations of high mean concentration, high concentration variance and areas for which the uncertainty about the gas distribution model is still large. By selecting in each step the most often suggested close-by measurement location, the proposed approach introduces a locality constraint that allows planning suitable paths for mobile gas sensors. Initial results in simulation and in real-world experiments with a gas-sensitive micro-drone demonstrate the suitability of the proposed sampling strategy for gas distribution mapping and its use for gas source localization.
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.
A multi-sensor system for 3D localization was developed and named BodyGuard. It combines body movement sensing and a guard system for the tracking and recording of the status of persons. BodyGuard was designed to monitor and transmit the movement of a person radio-based and to transform that data into a spatial coordinate. This paper describes how the BodyGuard system works, what components the system consists of, how the individual sensor data is converted into 3D motion data, with which algorithms the individual sensors are processed, how individual errors are compensated and how the sensor data are fused into a 3D Model.
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.
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 project SIGRID investigates and assesses possibilities to enhance the safety and security of
dangerous goods transports through the use of the latest RFID-technology. This technology can be used to
greatly enhance the transparency of the supply chain and aid logistics companies in complying with regulations.
In the context of SIGRID, customized RFID-Sensor-Tags have been developed that monitor dangerous
goods during transport and help to prevent hazards by allowing timely countermeasures. In the case of a dangerous
goods accident, the available information about the type, amount and condition of the dangerous goods
can be used to accurately inform the relief forces. Unavailable or inaccurate information represents a significant
problem for the relief forces. This often leads to a delay in the rescue operation, because relief forces
must be aware of the substances involved to protect themselves effectively against them. SIGRID aims to
close this information gap. To verify the practicability of the underlying concepts, a demonstrator will be
build and tests of realistic scenarios will be conducted.
The Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) or
Kolsky Bar is known as a method for analysing
mechanical properties of a material under dynamic
load. Referring to the name it is a splitted
Hopkinson Pressure Bar. The Hopkinson Bar is
related to its inventor Bertram Hopkinson (1914).
He used it to analyze stone samples under dynamic
load. Later his construction was improved by
Davies (1948) [1] and Kolsky (1949) [2], who had
the idea to split the bar and put a sample in
between.
The technique is used to measure a lot of
different mechanical properties of a material e.g.
the dynamic Youngs modulus, deformation
behaviour or to chart the dynamic stress-strain
diagram. Further applications are the measurement
of the elastic wave and the analysis of the
propagation of the wave [2]. In the last years there
was still an interest in measuring dynamic
properties with a SHPB. Nevertheless no
comprehensive validation of the system exists.
Another problem is that the stress and the strain in
the sample are only calculated with simplified
estimations.
The aim of this paper is to give a first
impression of important points validating the
system. On account of different setups of the
SHPB a validation of the used system is necessary.
Hence it is important to look at the theory. Further
in this paper the measurement results will be
shown in a strain over time diagram.
In this paper, we show that a micro unmanned aerial vehicle (UAV) equipped with commercially available gas sensors can address environmental monitoring and gas source localization (GSL) tasks. To account for the challenges of gas sensing under real-world conditions, we present a probabilistic approach for GSL that is based on a particle filter (PF). Simulation and real-world experiments demonstrate the suitability of this algorithm for micro UAV platforms.
In many cases, science falls back on self-developed prototype systems, which are used and developed for the measurement and execution of the tasks. About 80 % of the development is based on the same hardware design, which is used in only one application scenario and then discarded. For the most part, there are also uncalibrated sensors, since it is costly to calibrate a complicated sensor measurement system or the entire measurement chain since access to the sensor systems is not always available. This paper describes a conceptual design to implement a versatile sensor system with the motivation to fuse the data recording and data reception, which can cover large areas with the help of LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) technology. To overcome disadvantages of LoRaWAN, namely the slow data rates, the proposed sensor system can also cover smaller areas with the widespread WiFi technology. An enormous advantage over individual complete systems in the form of a prototype, is the rapid expansion, uncomplicated calibration of the individual sensors and the ecological relief.
A modular design is used, where individual stacks with sensors and peripherals can be added separately. The stacks are standalone low-power systems and can be calibrated, maintained, and replaced separately and do not require the entire measurement chain. The measured and sent values are stored locally on the main stack and sent to the data collector (gateway) and evaluated by means of the automated selection between WiFi and LoRaWAN.