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Sensors integrated into devices and structures provide essential data to control, optimize or manage machines and structural components. In the last years, processes, applications and machine parts became more and more intelligent. Consequently, the need for sensor validation increased significantly in order to rely on sensor data and measurement results.
Structure-integrated fibre optic strain sensors, such as fiber Bragg gratings (FBG), are of special interest in the composite manufacturing industry. This type of sensor makes it possible to gain information and to collect measurement data about entire production processes and whole life-time cycles of composite-made machine parts and structures. However, validation concepts and approaches for this type of sensors are barely reported in literature. Furthermore, all the reported activities have the drawback that the sensor diagnosis strategy is implemented as limited mathematical models and/or complex time-consuming spectral analysis tools which are applied in data post-processing loops. However, to automate sensor validation and to apply real-time and in-field sensor fault detection, it is necessary to acquire measurement data and information about the measurement reliability at the same time.
An auto-validation tool for the reliability quantification of materials integrated fiber Bragg grating (FBG) strain sensors have been developed and tested. The FBG strain sensor was jacketed with a magnetostrictive layer based on iron-nickel which, when excited by a specific magnetic field, adds an artificial strain to the sensor. The fixed relationship between magnetic induction and wavelength shift of the FBG strain sensor characterizes the bond strength and adhesion between the sensor and the surrounding structure. Due to an easily applicable magnetic field, it is possible to validate the sensor performance in a non-contact, fast way without disturbing the data-acquisition process.
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.
Durch faseroptische Sensoren können Bauteile im Einsatz kontinuierlich überwacht und frühzeitig Informationen über Materialveränderungen gewonnen werden. Mittels einer magnetostriktiven Aktorschicht, welche den Sensor umhüllt, kann nun auch die korrekte Sensorfunktion jederzeit kontrolliert werden. Als Aktorschicht eignet sich galvanisch abgeschiedenes reines Nickel oder Nickel-Eisen in der Zusammensetzung 50:50. Um diese haftfest mit dem Sensor zu verbinden wurde ein ECD/PVD-Kombinationsschichtsystem entwickelt. Die mechanischen Eigenschaften der ECD-Schicht können sowohl mit einer auf die Fasergeometrie angepassten instrumentierten Eindringprüfung als auch einem 2-Punkt-Biegeversuch bestimmt werden.
Strain measurement in structures witli the purpose of long-term structurai health inonitoring must provide reliable inforination about the structure’s behavior over the whole period of use. The user must be sure that installed sensors are validated and work to the utmost satisfactiou. For this purpose, sensor Systems are tested using special facilities. Bccause it is not easy to characterize the strain transfer quality from the host structure into surface-applied strain sensors, a unique testing facility has been developed. Originally developed for fiber Bragg grating based sensors, the KALFOS facility (= calibration of fiber optic sensors) can also be used for electrical strain sensors.
Calibration ineasurements are referenced by unbinsed Digital Image Correlation (D1C) and Electronic Speckle Pattern Interferometer (ESPI) methods. The strain transfer behavior can experimentally be analyzed and investigated under combined thermal and mechanical loading conditions and allows revealing wealuiesses in couimonly used attachment methodologies. The deformation of all members (particularly the coating/substrate - adhesive combination) in the sensing area is physically independently gained and recorded. Results achievcd allow precise description of the strain transfer function, Validation of the longterm strain sensor characteristics, matching of specific measurement requirements with environmental conditions, and, moreover, the verification of Standards for use of strain sensors.
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.
Strain sensors used in practical applications must provide reliable measurement data. To achieve this, sensor systems must be validated by using experimental facilities that enable physically independent statements about the performance of the sensor components. The paper describes qualification and validation procedures using a special facility to qualify surface-applied strain sensors and to achieve reliable sensor results. Based on examples concerning fibre optic strain sensor patches with and without FBG sensors, the determination of the strain gauge factor also under combined thermal and mechanical loading will be presented. These results are the basis for development of guidelines and standards.
Fibre optic strain sensors used in practical applications have to provide reliable measurements. Therefore, the applied sensor and the sensor systems must be validated experimentally. This can be achieved with facilities which use physically independent measurement systems in order to avoid the influences caused by the application of a reference sensor. This paper describes the testing methods of the specially developed validation facility KALFOS for the qualification and evaluation of surface-applied strain sensors. For reliable sensor results, the performance of fibre optic strain patches with and without FBG under combined thermal and mechanical loading was investigated. Additionally, the strain gauge factor of the fibre optic strain patches with FBG was determined experimentally and compared to the specified strain gauge factor. These results will be the basis for the development of guidelines and standards concerning the application of the sensors.
Fiber-optic strain sensors are increasingly used in very different technical fields. Sensors are provided with specifications defined by the manufacturer or ascertained by the interested user. If deformation sensors are to be used to evaluate the long-term behavior of safety-relevant structures or to monitor critical structure components, their performance and signal stability must be of high quality to enable reliable data recording. The measurement system must therefore be validated according to established technical rules and standards before its application and after. In some cases, not all details of the complex characteristic and performance of applied fiber-optic sensors are sufficiently understood, or can be validated because of a lack of knowledge and methods to check the sensors' behavior. This contribution focusses therefore on the importance of serious validation in avoiding a decrease or even deterioration of the sensors' function. Methods for validation of applied sensors are discussed and should reveal weaknesses in validation of embedded or integrated fiber-optic deformation and/or strain sensors. An outlook to some research work that has to be carried out to ensure a well-accepted practical use of fiber-optic sensors is given.
A unique testing facility (KALFOS) using ESPI (electronic speckle pattern interferometery) as a referencing method has been realized for the characterisation of the strain transfer process from a component under load into surface applied fibre Bragg grating based strain sensors. The strain transfer mechanism can be described experimentally, while matching specific measurement requirements and environmental conditions.
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.
Fasersensorik-Schwerpunkte und -Aktivitäten in der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
(2012)
Currently, fibre-optic sensors (FOSs) are commonly used if special requirements make the application of electrical sensors impossible, or economic benefit is promised. The scientific background of FOS technology is well developed; however, there are still some restrictions with respect to long-term reliable use. For widespread practical use, sensor products must be manufactured, characterized and validated according to standards. Guidelines on how to apply sensors and evaluate their operation on-site including special facilities to evaluate applied sensors are needed. This paper will focus on important aspects, such as when FOSs may be used under real practical conditions, and will present validation methodologies to evaluate the overall quality of the sensor system's function. It will also indicate the lack of knowledge and methods to be elaborated to promote the use of FOS.
A fiber Bragg grating (FBG) strain patch specially adapted for long-term and high-strain applications has been developed and characterized. The design concept for the patch is based on a glass-fiber reinforced plastic (gfrp) carrier material. The developed concept for the FBG integration into the carrier material was derived from reliable integration procedure of FBG sensors into composite structures. The patches' temperature sensitivity, strain gauge factor, fiber–matrix interface adhesion and fatigue behavior were characterized. As a result, FBG strain patches with linear temperature and strain behavior, as well as excellent fatigue resistance, were developed and can be used as part of a monitoring system for advanced composite materials in aerospace structures or wind turbine power plants.
Fibre optic sensors for monitoring in safety-relevant structures have to be validated in order to proof their reliability under typical structural load conditions. The reliable use of optical fibre sensors depends strongly on an appropriate and qualitative application. Diagnostics of the physical condition of embedded and surface-applied fibre optic strain sensors are demonstrated on field examples. Distributed strain measurement based on Rayleigh backscattering is used to determine breakage of the fibre, interface adhesion problems and to identify application related strain transfer mechanisms.