Kohlenstofffaser-Sensor zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung mittels der elektrischen Zeitbereichsreflektometrie

Kohlenstofffaser-Sensor zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung mittels der elektrischen Zeitbereichsreflektometrie von Höhne,  Robin
Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind unter anderem aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften und des einstellbaren Werkstoffverhaltens für komplex belastete Bauteile prädestiniert. Jedoch können unvorhersehbare Schädigungen im Betrieb, wie Impact- oder Crashereignisse, welche nicht erkannt werden, das Ausfallrisiko mit unter Umständen fatalen Folgen erhöhen. Bei vielen sicherheitsrelevanten Bauteilen wird daher die Entwicklung bauteilintegrierter Messsysteme zur autonomen Ermittlung von Beanspruchungen und Identifikation des Strukturzustands auf Basis von Dehnungsmessungen angestrebt. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung eines derartigen Structural Health Monitoring (SHM) Systems unter Berücksichtigung der speziellen werkstofflichen und messtechnischen Anforderungen. Das Ziel ist die durchgängige Entwicklung und Umsetzung eines dedizierten Kohlenstofffaser-Sensors zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung auf Basis der elektrischen Zeitbereichsreflektometrie (EZBR). Auf Basis eines neuartigen Sensorkonzept, welches ein resistives bruchbasiertes Messprinzip an hochsteifen Kohlenstofffasern (CF) zur Verkopplung der Dehnung und elektrisch messbaren Größen erlaubt, werden experimentelle und numerische Arbeiten durchgeführt. Diese umfassen phänomenologische Untersuchungen der Sensitivität des resistiven bruchbasierten Messprinzips, die Realisierung einer ortsaufgelösten Messung mittels der EZBR sowie die Transformation des EZBR-Signals in einen Dehnungsverlauf mittels neuronaler Netze. Mit Abschluss der Arbeit liegt erstmalig ein EZBR basierter CF-Sensor zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung vor, welcher hinsichtlich der werkstoffgerechten Integration in FKV sowie dem Einsatz für dynamische Messungen für SHM-Anwendungen ein hohes Potenzial aufweist.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Kohlenstofffaser-Sensor zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung mittels der elektrischen Zeitbereichsreflektometrie

Kohlenstofffaser-Sensor zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung mittels der elektrischen Zeitbereichsreflektometrie von Höhne,  Robin
Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind unter anderem aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften und des einstellbaren Werkstoffverhaltens für komplex belastete Bauteile prädestiniert. Jedoch können unvorhersehbare Schädigungen im Betrieb, wie Impact- oder Crashereignisse, welche nicht erkannt werden, das Ausfallrisiko mit unter Umständen fatalen Folgen erhöhen. Bei vielen sicherheitsrelevanten Bauteilen wird daher die Entwicklung bauteilintegrierter Messsysteme zur autonomen Ermittlung von Beanspruchungen und Identifikation des Strukturzustands auf Basis von Dehnungsmessungen angestrebt. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung eines derartigen Structural Health Monitoring (SHM) Systems unter Berücksichtigung der speziellen werkstofflichen und messtechnischen Anforderungen. Das Ziel ist die durchgängige Entwicklung und Umsetzung eines dedizierten Kohlenstofffaser-Sensors zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung auf Basis der elektrischen Zeitbereichsreflektometrie (EZBR). Auf Basis eines neuartigen Sensorkonzept, welches ein resistives bruchbasiertes Messprinzip an hochsteifen Kohlenstofffasern (CF) zur Verkopplung der Dehnung und elektrisch messbaren Größen erlaubt, werden experimentelle und numerische Arbeiten durchgeführt. Diese umfassen phänomenologische Untersuchungen der Sensitivität des resistiven bruchbasierten Messprinzips, die Realisierung einer ortsaufgelösten Messung mittels der EZBR sowie die Transformation des EZBR-Signals in einen Dehnungsverlauf mittels neuronaler Netze. Mit Abschluss der Arbeit liegt erstmalig ein EZBR basierter CF-Sensor zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung vor, welcher hinsichtlich der werkstoffgerechten Integration in FKV sowie dem Einsatz für dynamische Messungen für SHM-Anwendungen ein hohes Potenzial aufweist.
Aktualisiert: 2022-12-15
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Breitbandiges Zeitbereichsreflektometrie-System auf Basis binär codierter Signale

Breitbandiges Zeitbereichsreflektometrie-System auf Basis binär codierter Signale von Notzon,  Gordon
Reflexionsmessungen mit breitbandigen elektromagnetischen Wellen sind für diverse Anwendungen interessant, beispielsweise zur Charakterisierung von Materialien, zur Lokalisierung von Leitungsdefekten und zur Bestimmung von Füllständen. Ein weitverbreitetes Verfahren für derartige Messungen ist die Zeitbereichsreflektometrie bei der die Laufzeit eines Signals vom Beginn der Anregung bis zum Empfang ausgewertet wird. Häufig werden dazu pulsförmige Basisbandsignale zur Anregung verwendet. Die geringe mittlere Leistung derartiger Signale begrenzt das Signal-Rausch-Verhältnis auf der Empfangsseite und damit auch den Dynamikbereich. Um diese Einschränkung zu überwinden, kann ein Dauerstrich-Anregungssignal in Kombination mit einem Korrelationsempfänger verwendet werden, der das Empfangssignal auf der Zeitachse komprimiert und zusätzlich das Rauschen unterdrückt. Zu diesem Zweck eignen sich binär codierte Signale, die zudem mit aktuell verfügbaren schnellen digitalen Schaltungen einfach und kostengünstig mit hohen Chipraten erzeugt werden können. In dieser Arbeit werden die Konzeption und Entwicklung eines breitbandigen Zeitbereichsreflektometrie-Systems auf Basis binär codierter Signale, mit einem großen Dynamikbereich und einer großen Laufzeitmessgenauigkeit als Zielsetzung, vorgestellt. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die Realisierung eines breitbandigen Korrelationsempfängers dar. Dazu wird ein sogenanntes hybrides Korrelationskonzept vorgestellt, bei dem die Korrelation in einer sehr vorteilhaften Kombination eines analogen und eines digitalen Schaltungsteils durchgeführt wird. Darüber hinaus ist ein wesentlicher Bestandteil der Arbeit die Analyse von Einflussfaktoren auf die relevanten Kenngrößen von Zeitbereichsreflektometrie-Systemen.
Aktualisiert: 2022-11-03
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