FAser-basierter Magneto-Optischer SchichtSensor (FAMOS²)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Mangel an Anwendungsrichtlinien und Validierungsverfahren für struktureingebettete 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 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.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Magnetic field detection with an advanced FBG-based sensor device, 30th Eurosensors Conference, 2016, Procedia Engineering, 168, 1270-1274 (2016)
V. Schukar, E. Köppe, D. Hofmann, A. Westphal, M. Sahre, X. Gong, M. Bartholmai, U. Beck
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.11.445) - Modelling and simulation of a fibre Bragg grating strain sensor based on a magnetostrictive actuator principle, Optical Sensing and Detection IV, Proc. of SPIE, 9899
V. Schukar, X. Gong, D. Hofmann, F. Basedau, E. Köppe, M. Bartholmai, A. Westphal, M. Sahre, U. Beck
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1117/12.2224728) - New self-diagnostic fiber optical sensor technique for structural health monitoring, 32nd Danubia Adria Symposium on Advanced in Experimental Mechanics 2015, Materials Today: Proceedings, 3, 1009-1013 (2016)
E. Köppe, M. Bartholmai, W. Daum, X. Gong, D. Hofmann, F. Basedau, V. Schukar, A. Westphal, M. Sahre, U. Beck
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.matpr.2016.03.038) - A Contribution to Intelligent Automatic Validation of Structure-Integrated Fibre Optic Strain Sensors, 33rd Danubia Adria Symposium on Advances in Experimental Mechanics 2016, Materials Today: Proceedings, 4.5, 5935-5939 (2017)
V. Schukar, E. Köppe, D. Hofmann, A. Mitzkus, X. Gong, M. Sahre, M. Bartholmai, U. Beck
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.06.073) - Altbekannter Watts- Elektrolyt, junge Hightech-Anwendung, WoMAG, 1-2/2017, Band 6 ISSN 2195- 5905, S. 18 ff. (2017)
A. Mitzkus, M. Sahre, P. Reinstädt, M. Griepentrog, U. Beck, E. Köppe, M. Bartholmai, F. Basedau, D. Hofmann, X. Gong, V. Schukar
- Faser-basierter magneto-optischer Schichtsensor zum Monitoring von Bauteilen, 13. ThGOT Thementage Grenz- und Oberflächentechnik, ISBN 978-3-00-058187-8 (2018)
U. Beck, A. Mitzkus, M. Sahre, M. Weise, E. Köppe, M. Bartholmai, F. Basedau, D. Hofmann, V. Schukar
