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Reliable measurement results with fibre optic sensors require profound knowledge of physical mode of function, of materials used and appropriate application. There is often serious discrepancy between use in laboratory environment and on site. The paper identifies important aspects to be considered and shows ways to transfer innovations onto practical use.
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.
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.
Fiber optic strain sensors are increasingly used and sensor Systems are provided with specifications. Even if the performance is well specified, the strain characteristics of the sensor, strain transfer factor, mechanical stability under thermal influences, the performance of applied strain sensors can seriously differ from virgin sensor’s the performance. Therefore the contribution considers validation issues to come to reliable strain measurements and how to validate strain measurements of applied sensors. A new validation facility will be presented.
Strain sensors embedded in or attached to structural components have to measure the real deformation of the structure over the whole period of use. The user must know how reliably installed sensors provide strain measurement results. For this purpose, test facilities or coupon tests are used. In order to characterize the strain transfer quality from the host structure into surface-applied strain sensors, a unique testing facility has been developed. This facility can be used both for fiber optic and resistance strain sensors. Originally developed for fiber Bragg grating based sensors, the KALFOS facility (=calibration of fiber optic sensors) uses Digital Image Correlation (DIC) and Electronic Speckle Pattern Interferometer (ESPI) as unbiased referencing methods. It is possible to determine experimentally the strain transfer mechanism under combined thermal and mechanical loading conditions. This experimental characterization method will reveal weaknesses in commonly used strain sensors, and the investigation of the material systems used for fiber optic and other strain sensors (particularly the coating/substrate - adhesive combination). The KALFOS facility allows matching of specific measurement requirements with environmental conditions.
Fiber optic sensors are increasingly used because of their outstanding performance or if special requirements avoid the application of conventional electrical sensors. The scientific background for optical fiber sensors is well developed; however, the characteristic of sensors applied in rather harsh environment are almost always different from characteristics determined in laboratory or before its installation. In order to achieve long-term stable function and reliable measurement data after application and under harsh environmental conditions, guidelines for characterization and specification of sensor components are needed as well as methodologies for testing the sensor performance must be developed. Performance tests carried out revealed that there are still some restrictions with respect to long-term reliable use: first, some sensor products available on the market are not very often appropriately characterized, described and validated; second, application procedures are not always defined due to a lack of understanding the micromechanical issues in the interface zone between sensor and measuring object. Application procedures and profound knowledge of materials behaviour are necessary to get results from the sensor that can be reliably used. The paper describes first guidelines to prove the quality of fiber optic strain sensors, a testing facility developed for unbiased tests and certification of surface-applied sensors as well as result from comparison of commercially available strain sensors.
Fasersensorik-Schwerpunkte und -Aktivitäten in der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
(2012)
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.
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. In some cases, sensor specification is not sufficiently validated and must therefore additionally be validated in a laboratory, primarily to ensure reliable measurement information over the intended period of operation. Even if the performance of delivered sensor is well specified, the sensor's strain characteristics and the performance of an applied sensor can significantly differ from the virgin sensor's performance. In this case, applied sensors do not provide full reliability and lead sometimes to uncertain measurement results. This contribution will therefore focus on the role of validation in avoiding a decrease or even deterioration of the sensor function of applied sensors. Experimental validation - not only modelling - is very important, however, before experimental investigations are planned knowledge about key issues and problems that influence the measurement results must be available. Few aspects to be considered and investigated will be discussed. Selected experimental facilities to reveal weaknesses in the sensor function will be described; an outlook to open questions is given.
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.
Reliability analysis of fibre optic sensors for monitoring of industrial facilities; keynote lecture
(2013)
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.
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.
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.