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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.
A high-performance fiber Bragg grating-based (FBG) sensor device for the detection of small magnetic fields has been developed. Based on a smart multilayer coating exposed over the physical length of the FBG, magnetic fields exhibited by rotating machine parts, power generators or current cable can easily be detected, analysed and evaluated. Consequently, this innovative, in-process and non-contact inspection method leads to an increase in quality and reliability of high-performing machine parts, devices and cables. The basic physical concept is based on a magnetostrictive multilayer coating system that strains the high-resolution FBG element. Subsequently, a fixed relationship between induced magnetic field and wavelength change of the FBG element forms the characteristic sensitivity curve. Intensive tests regarding the characterisation of the magnetic field FBG sensor have been carried out and its performance has been evaluated.
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.
Structural health monitoring contributes to early damage detection in the built infrastructure. During the last two decades, the sensor networks transferred from wired to wireless sensor networks.
Several methods exist to measure moisture in building materials. Most of the introduced commercial humidity measurement methods as provide information about the local or near surface moisture. A feasibility study is presented to demonstrate, how the Received Signal Strength Indicator (RSSI) of a BlueTooth® Low Energy (BLE) signal, transmitted from the BLE-module embedded in building materials with changing moisture content. The BLE-module communicates with a mobile Smart Device as tablet or mobile phone. The RSSI indicates to what extend the received signal strength is changed due to moisture, while the transmitted signal strength remains constant.
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.
The stress vs. strain curve of materials is affected the rate of imposed straining. Among the methods for dynamic testing the technique known as 'split Hopkinson pressure bar' (SHPB) has evolved into the most widely used one to exert high-speed straining. The theory behind it comprises simple equations to compute stress and strain. The reliability of the strain analysis can be assessed by digital image correlation (DIC). The present results indicate that the visually observed strain is smaller than predicted by theory.
In den letzten Jahren ist die Bestimmung der Position eines sich bewegenden Objektes eine immer interessanter werdende Information geworden. Die aktuelle Position oder der zurückgelegte Weg wird mittels miniaturisierter integrierter 3D-Sensoren bestimmt. Durch die Integration dieser Sensoren in moderne Smartphones oder in spezielle robuste Hardware sind die Anwendungsgebiete vielseitig. Die ermittelte Position innerhalb von Gebäuden ist dabei für den Kaufmann innerhalb eines Shoppingcenters aber auch für den Feuerwehrmann im Einsatz wichtig. Für den Kaufmann bedeutet es durch gezielte Angebote potenzielle Kunden anzusprechen und damit seinen Umsatz zu steigern. Für den Einsatzleiter der Feuerwehr ist die genaue Position seiner Feuerwehrmänner im Einsatz lebensrettend und bietet damit eine zusätzliche Sicherheit für die Einsatzkraft. Das hier vorgestellte Multisensorsystem, allgemein als Inertialsystem bezeichnet, und das darauf angewendete Verfahren zur Positionsbestimmung wird in diesem Bericht vorgestellt und näher beschrieben. Die systematischen und zufälligen Messunsicherheitsbeiträge des Inertialsystems und deren Auswirkungen auf die Bestimmung der aktuellen Position und somit auf den resultierenden zurückgelegten Weg werden erörtert.
The absolute detection of a gap distance of loose and ftxed extrinsic Fabry-Perot interferometer (EFPI) sensors with conventional measurement Systems is not possible. Due to this EFPI-sensors were deemed to be unfit for distance determination in comparision with FBG sensors. With the conventional measurement method a continous measurement of the EFPIsensors was necessary. Otherwise data about the distance change was lost. Additional it is necessary to detect the tumaround points in the interference signal with 100%. This made it worse for the analysis and the use of the sensor. At BAM Federal Institute for Materials Research and Testing a measurement System called “EFPI-Scan” is developed which can measure the absolute gap distance of four connected EFPI-sensors synchronous. Every measurement channel is temperature independetn and long term stable. Test measurements showed a deviation of maximum ±1 gm per hour. Furthermore it is possible to measure with different measurement modes (abolute, relative and a combination of both). Special emphasis should be placed to the absolute measurement accuracy of ± 5 pm at a gap distance determination ftom 40 up to 4000 pm.
In diesem Paper wird ein absolut messendes faseroptisches Messsystem zur Bestimmung des Gap-Abstandes von niedrig reflektierenden losen und festen extrinsischer Fabry-Pérot Interferometer (EFPI) vorgestellt. Die häufigste Methode zur Bestimmung von Dehnungen oder Bewegungen durch EFPI-Sensoren ist eine kontinuierliche relative Ermittlung einer Veränderung mit einer nachträglichen Auswertung. Unterbrechungen in der Datenerfassung oder Fehler bei der Interferenzstreifen-Auswertung führen zu einer nicht abschätzbaren Messunsicherheit. Damit war es bis dato nicht möglich, eine absolute Veränderung von eingesetzten EFPI-Sensoren zu bestimmen. Mit dem an der BAM entwickelten Verfahren, ist dies jetzt möglich, die absolute Veränderung zu bestimmen. Dieses System namens 'EFPI-Scan' wird in dem Papier dargestellt werden.
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.