8.6 Faseroptische Sensorik
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Wir präsentieren unsere Forschungsergebnisse zur Entwicklung eines faseroptischen Sensorsystems mit polymeroptischen Fasern integriert in Geokunststoffe für die Überwachung von geotechnischen Anlagen. Das Sensorsystem dient der räumlichen Auflösung lokaler Dehnungsereignisse im für Anwender signifikanten Größenordnungsbereich von 3 % bis 10 %. Das gesamte Sensorkonzept besteht aus einem praxistauglichen Messsystem basierend auf der digitalen inkohärenten optischen Frequenzbereichsreflektometrie (I-OFDR) und einer Sensormatte in Form eines Geotextils mit integrierten faseroptischen perfluorierten polymeroptischen Fasern (PF-POFs).
Distributed fiber optic sensors for structural health monitoring of composite pressure vessels
(2024)
In diesem Beitrag geben wir einen umfassenden Überblick über unsere Forschung auf dem Gebiet der verteilten faseroptischen Sensorik für die strukturelle Zustandsüberwachung von Wasserstoffdruckbehältern aus Verbundwerkstoffen. Insbesondere zeigen wir, wie die Integration von faseroptischen Sensoren in Druckbehälter aus Verbundwerkstoffen die Sicherheit erhöht und gleichzeitig die Wartungskosten senkt. Die geringe Größe von Lichtwellenleitern ermöglicht ihre Integration in Verbundwerkstoffstrukturen während des Herstellungsprozesses, wodurch eine kontinuierliche Überwachung sowie eine präzise Erkennung und Lokalisierung von Strukturschäden während des Betriebs der Druckbehälter ermöglicht wird. Wir erörtern auch das Potenzial modernster Signalverarbeitungsmethoden und des maschinellen Lernens für die Weiterentwicklung der vorausschauenden Instandhaltung. Die von uns vorgestellten Anwendungen von faseroptischen Sensoren zeigen, dass sie einen wichtigen Beitrag zur Energiewende hin zu erneuerbaren Energien leisten können.
A novel distributed acoustic sensing technique is proposed that exploits both phase and amplitude of the Rayleigh backscattered light to quantify the environmental variation. The system employs a wavelength-scanning laser and an imbalanced Mach-Zehnder interferometer to acquire the reflection spectra and the phase of the detected light, respectively. Fading-free and low-frequency measurements are realized via the crosscorrelation of the reflection spectra. The discrete crosscorrelation is used to circumvent the nonlinear frequency sweeping of the laser. Based on the phase of the backscattered light, it is possible to quantify fast environmental variations. The whole system requires no hardware modification of the existing system and its functionality is experimentally validated. The proposed system has the potential to monitor ground motion/movement at very low frequency band like subsidence around mining areas and at high frequency band like earthquakes and vibrations induced by avalanches.
Die Nutzung von Sensortechnologien, insbesondere im Bereich der Gasdetektion mit einem Schwerpunkt auf Wasserstoff, spielt eine entscheidende Rolle in verschiedenen Anwendungsbereichen der Wasserstofftechnologie. Sicherheitsüberwachung, Leckdetektion und Prozesskontrolle gehören zu den prominenten Anwendungsgebieten dieser Sensortechnologien. Ein zentrales Ziel ist die Erkennung von freigesetztem Wasserstoff sowie die genaue Bestimmung des Wasserstoff-Luftverhältnisses mithilfe von Gassensoren. Dies ist von entscheidender Bedeutung, um potenzielle Gefahren frühzeitig zu erkennen und angemessene Maßnahmen zu ergreifen.
Ein weiterer Schwerpunkt dieses Beitrags liegt auf der Analytik und der Verwendung zertifizierter Referenzmaterialien in Verbindung mit Metrologie für die Wasserstoffspeicherung. Dies gewährleistet eine präzise und zuverlässige Charakterisierung von Wasserstoff und unterstützt die Entwicklung sicherer Speichertechnologien. Im Rahmen des Euramet-Vorhabens Metrology for Advanced Hydrogen Storage Solutions (MefHySto) wird eine Kurzvorstellung präsentiert.
Der Vortrag stellt zwei zerstörungsfreie Prüfverfahren zum strukturellen Zustandsüberwachung (Structural Health Monitoring, SHM) für Wasserstofftechnologien vor. Insbesondere die Fehlstellenerkennung mittels geführter Ultraschallwellen spielt eine bedeutende Rolle bei der Lebensdauerüberwachung von Wasserstoffspeichern. Ein weiterer Aspekt ist die Anwendung faseroptischer Sensorik zur Schadensfrüherkennung von Wasserstoffspeichern. Diese zerstörungsfreien Prüfverfahren ermöglichen eine präzise und frühzeitige Identifizierung von Schäden, was die Sicherheit und Effizienz von Wasserstoffspeichersystemen entscheidend verbessert.
A novel DAS setup based on geometric phases in coherent heterodyne detection is applied for the first time to the characterisation of the Earth’s subsurface. In addition, an optimisation of the proposed setup in terms of its spatial resolution is also presented for the first time. The surface waves are generated by strong blasts of 25 kg of explosives at a dedicated test site. A 10 km dark fiber link in the vicinity of the test site connected to the test setup records the resulting strain signals. The spike-free and low-noise strain data thus obtained minimize post-processing requirements, making the setup a candidate for real-time seismic monitoring. An analysis of the dispersion characteristics of the generated surface waves is performed using a recently reported optimised seismic interferometric technique. Based on the dispersion characteristics, the shear wave velocities of the surface waves as a function of the depth profile of the Earth’s crust are determined using an optimised evolutionary algorithm.
A safety or security related assessment of explosions, accidental and intentional scenarios alike, often necessitate performance of replication-tests. Such test results are necessary to clarify the causes within the scope of forensic investigations. To gain important insights into the behavior of structures and materials under such loading, field tests may also be performed in accordance with different test standards. To determine the resistance of building-structures after explosions, estimation of the residual load-bearing capacity in addition to the assessment of dynamic structural response and damage to the building components is important. In most cases an evaluation of structural integrity is based only on the visual damage, resulting in an overestimation of the residual capacity.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) operates the Test site for Technical Safety (TTS) on an area measuring about 12 km2 in the Federal State of Brandenburg for execution of true-to-scale explosion tests. At the TTS, building component testing was performed to assess the suitability of different non-destructive testing methods to characterize the dynamic structural response and damage resulting from the detonation of high explosives.
Different blast-loading scenarios were realized by varying the net explosive mass and the standoff distance with all scenarios representing a near-field detonation. The test object was a reinforced concrete wall 2 m high, 2.5 m wide and 20 cm thick, fixed at both vertical edges. The dynamic loading of the wall was characterized with 8 piezoelectric pressure sensors flush-mounted on the front surface, thus measuring the reflected pressures from the shock wave. The tests were conducted with the aim of characterizing the global behavior of the wall under dynamic shock loading and the resulting local damage pattern, respectively. High speed digital image correlation was implemented in combination with multiple acceleration sensors to observe the rear surface of the wall to chart the dynamic deflection during the loading and to determine the residual deformation after the loading had ceased. In addition, one test specimen was instrumented with fiber optic sensor cables, both fixed to the rebars and embedded in the concrete-matrix, respectively. Firstly, these sensors were interrogated during the blast test by a distributed acoustic sensing (DAS) device using a particularly high sampling rate to measure the shock-induced vibrations in the structure with high temporal resolution. This delivers information on dynamics of compression and tension cycles from within the structure. Secondly, the local damage-pattern emerging during the series of blasts was determined via distributed fiber optic strain sensing (DSS) by interrogating the embedded fiber optic sensors with a high spatial resolution DSS device after each blast. This enabled the characterization of non-visual damage to the structure, in particular with regard to the formation of localized cracks in the concrete matrix. The DSS was further complimented by a structure-scanner based on ultrasonic measurements.
Our contribution describes this new test approach in detail. Results of the three datasets, namely dynamic shock loading, global behavior of the test object and the local damage pattern will be presented. The suitability of the implemented measurement methods will be discussed in combination with the challenges in their application for technical safety evaluation of building components under explosive loading.
We present a prototype of a distributed POF sensing system for strain detection in road construction and civil engineering ready to be used in practical applications. The system is based on a cost-efficient digital incoherent optical frequency domain reflectometry (I-OFDR). In this approach, the strain-induced changes in the Rayleigh backscattering profile along a perfluorinated polymer optical fiber (PF-POF) are determined by measuring the complex transfer function of the sensing fiber using a compact digital data acquisition unit. The digital unit replaces an oversized vector network analyzer (VNA) enabling suitability of the measurement system for out-door use and providing a significant reduction of the total system costs at the same time. The entire sensor con-cept includes the use of geosynthetics with integrated PF-POFs as two-dimensional sensor structures for geotech-nical applications. The robustness and the functionality of the distributed POF I-OFDR sensors were proven in the field. The field test involved embedding of two geomats, each with two polymer optical sensor loops, into the embankment of the federal road B 91 in a section near Leipzig. The measurements conducted after the sensor-based geomats had been installed confirmed both the potential of such smart geosynthetics and the functionali-ty of the digital I-OFDR prototype.
Zur Bewertung der Widerstandsfähigkeit von Schutzobjekten und Bauteilen gegen Explosionsbeanspruchung führt die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) regelmäßig Sprengversuche im Realmaßstab auf einem Testgelände durch.
Solche Versuche sind planungs- und ressourcenintensiv, sodass sie zunehmend durch numerische Simulationen ergänzt bzw. ersetzt werden.
Aktuelle Forschungsarbeiten zielen darauf ab, neue Berechnungsmethoden und Materialmodelle zu entwickeln, mit denen die Bestimmung der Bauteilantwort sowie die daraus resultierende Schädigung nach einem Explosionsereignis möglich sind.
Zur Validierung solcher Ansätze ist es notwendig, systematische Versuche mit unterschiedlichen Szenarien durchzuführen, bei denen die relevanten Parameter mit Hilfe verschiedener Messmethoden aufgezeichnet werden.
Phase-sensitive optical time-domain reflectometry (jOTDR) is a technology for distributed vibration sensing, where vibration amplitudes are determined by recovering the phase of the backscattered light. Measurement noise induces phase errors, which degrades sensing performance. The phase errors, using a differentiation and cross-multiplication (DCM) algorithm, are investigated theoretically and experimentally in a jOTDR system based on a phase retrieval configuration consisting of an imbalanced Mach–Zehnder interferometer (IMZI) and a 3 x 3 coupler. Analysis shows that phase error is highly dependent on the AC component of the obtained signal, essentially being inversely proportional to the product of the power of the light backscattered from two locations. An analytical expression was derived to estimate the phase error and was confirmed by experiment. When applied to the same measurement data, the error is found to be slightly smaller than that obtained using in-phase/quadrature (I/Q) demodulation. The error, however, increases for longer measurement times.