FAser-basierter Magneto-Optischer SchichtSensor (FAMOS²)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Matthias Bartholmai; Dr. Uwe Beck; Dr.-Ing. Vivien G. Schukar
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 243114371

Für die sichere Überwachung, das Monitoring, sicherheitsrelevanter Strukturen (z.B. Offshore-Windenergieanlagen, Rumpf- und Flügelstrukturen bei Flugzeugen) spielen in Composite-Strukturen eingebettete faseroptische Dehnungssensoren eine wichtige Rolle. Bisher ist kein Bewertungsverfahren für integrierte Sensoren bekannt, das eine Aussage des Sensorverhaltens nach der Installation und während des laufenden Betriebs vor Ort am Objekt ermöglicht. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Funktionszuverlässigkeit und Langzeitstabilität der Sensoren ist eine Eigenüberwachung für diese eingebetteten Sensoren zwingend erforderlich. Um die Funktionsfähigkeit von faseroptischen Dehnungssensoren nach Integration und unter Strukturbelastung bewerten zu können, werden diese mit einer magnetostriktiven Aktorschicht ummantelt. Durch Anlegen eines Magnetfelds dehnt sich der Sensor aufgrund der reagierenden magnetostriktiven Schicht. Das Verhältnis zwischen angelegtem Magnetfeld und optischen Antwortsignal des Sensors entspricht einer charakteristischen Kalibrier-Kennlinie. Ändert sich diese Kennlinie des Sensors im werkstoff-eingebetteten Zustand unter gleichbleibender Anregung durch das externe Magnetfeld, so entspricht diese Änderung einer Änderung des Sensorzustands im Werkstoff (Haftungsproblemen zur Matrix, Verschiebung des Sensors im Werkstoff). Der Funktionszustand des Sensors lässt sich somit bestimmen und von Änderungen des umgebenden Werkstoffs, z.B. Werkstoffermüdung, unterscheiden. Hauptziel dieses Projekts ist daher die Charakterisierung und der Leistungsnachweis der Selbstdiagnose-Fähigkeit eines magnetostriktiven FBG-Elements (Faser Bragg Gitter), das während regulär angesetzter Wartungsintervalle oder kontinuierlich auf seine zuverlässige Funktionsweise abgefragt werden kann. Dazu werden FBG-Elemente mit speziellen magnetostriktiven Schichtsystemen versehen. Grundlegende Untersuchungen zur Reproduzierbarkeit, Kennlinienstabilität, Präzision und Langzeitstabilität der magnetostriktiven FBG-Elemente sollen im Rahmen dieses Projekts untersucht werden. Erweist sich dieses Verfahren als erfolgreich, wird in Zukunft eine Qualitätssicherung der faseroptischen Sensoren möglich sein und feste Wartungsintervalle zur Beurteilung der Bauteilintegrität können künftig entfallen. Dies führt zu einer Kostenersparnis von Wartungspersonal und -zeit. Die FBG-Elemente können als Sensoren innerhalb eines Online-Monitoring-Systems eingesetzt werden und nur noch im Bedarfsfall, also bei entsprechender Signalmeldung des Sensors, wird eine Wartung der Anlagen notwendig bzw. müssen geeignete Schritte eingeleitet werden. Diese Entwicklung ist von prinzipieller Bedeutung für den Einsatz von Messtechnik in Anlagen und Bauteilen, bei denen ein Wartungszugriff sehr kostenintensiv ist (z.B. Offshore-Windenergieanlagen, Offshore-Ölplattformen etc.) bzw. eine Wartung sehr effizient gestaltet sein muss, z.B. bei Flugzeugen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen