Fibre Bragg Grating Sensors

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1 Smart Technologies Fibre Bragg Grating Sensors Sensor principle Bragg grating Bragg-wavelength refractive index modulation fiber core Applications: continuous monitoring of internal strain load vibration state temperature structural integrity (Quelle: DaimlerChrysler,Ulm)

2 Smart Technologies Faser Bragg Gitter - Sensor Prinzip Intensität Intensität Wellenlänge Input Wellenlänge Transmission Intensität Reflection λ Β 1 λ Β 2 Wellenlänge (Quelle: DaimlerChrysler,Ulm) Λ 1 Λ 2 Bragg-Wellenlänge λ = 2 eff B n _ Λ (Λ 0, n 0 = f(dehnung, Druck, Temperatur) n 0 = effektiver Brechungsindex Λ 0 = Gitterperiode

3 Adaptive Strukturen für die Luft- und Raumfahrt Fibre Bragg Grating Sensors Orientierung der Kohlefasern Testprobe mit integriertem FBGS Optische Faser 1552 CFK Aufbau Bragg wavelength [nm] measured data peak 1 measured data peak 2 linear fit of data peak 1 linear fit of data peak structure strain [µε] Optische Faser Funktionsnachweis: Linearität (Quelle: DaimlerChrysler,Ulm)

4 Adaptive Strukturen für die Luft- und Raumfahrt Fibre Bragg Grating Sensors FBGS appliziert auf CFK-Flügel Feldtest im Airbus Testcenter (Hamburg) 800 DMS à 4 Kabel ersetzbar durch 10 FBGS (à 80 Meßstellen)

5 Adaptive Strukturen für die Luft- und Raumfahrt Shape Control of Lightweight Satellite Mirror Integration of piezoceramic elements into the CFRP face sheet with high structural conformity. CFRP mirror 600 mm diam. Accuracy of surface control: 30 Microns

6 Smart Technologies Adaptive Schwingungs-/Körperschalldämpfung an FVK-Langträgern eines innovativen Drehgestells (Advanced Bogie). Randbedingungen: FVK-Langträger dienen zur Primärdämpfung Aufnahme v. Tragkräften Radsatzführung sicherheitsrelevant FVK-Langträger für Advanced Bogie FRP Bogie Frame (MBB-Studie) Schwingungsdämpfung: Auslenkung in Nickeigenform (bei 41,4 Hz) i100 mm statisch i 30 mm dynamisch Körperschalldämpfung: Schallquelle: unrunde Räder Frequenzbereich: bis 200 Hz Lasten: 50 t auf 4 Federsystemen

7 Adaptive Schwingungsdämpfung am DG von Schienenfahrzeugen Erweitertes Finite-Elemente-Modell des FVK-Langträgers Zielsetzung: Beschreibung des mechanischen Verhaltens des Federsystems Ermittlung der Eigenfrequenzen und Eigenformen Erweiterung des FE-Modells durch wesentliche Komponenten des Schienenfahrzeugs (DG-Rahmen, WK) ohne statische Last Gemessene Streckenanregung Anforderungen an die Aktuatorik: - Kraft: 10 kn - Hub: +/- 2mm Aktuatorik in Betrieb Aktuatorik außer Betrieb Tauchen: Nicken: maximale statische Last mit statischer Last z = 95 mm

8 Adaptive Schwingungsdämpfung am DG von Schienenfahrzeugen Prinzipieller Aufbau des Blattfeder-Demonstrators UD-Lagen Aufgebaut aus mehreren 300 µm dicken Piezo-Schichtaktuatoren ± 45 - Lagen Funktions- Modul * 161 A A 211 (+) 50 (-) 8 Piezo-Schichtaktuator (-) (+) elektrische Anschlüsse (redundant) * Herstellung Funktionsmodule: DLR

9 Adaptive Schwingungsdämpfung am DG von Schienenfahrzeugen GFK- Blattfederdemonstrator Einspannvorrichtung Vorbereitung der Tests zur aktiven Schwingungsdämpfung Zusatzgewicht UD - Bereich Aktiver Bereich +/- 45 Lagen Elektr. Anschlüsse

10 Adaptive Schwingungsdämpfung am DG von Schienenfahrzeugen Testergebnisse GFK- Blattfederdemonstrator Externe Krafterregung Bewegung des Federendes Ansteuerung der Fasermodule ungeregelt Amplitude [db] geregelt Frequenz [Hz]

11 Smart Technologies Ausblick Semi-aktive Dämpfung von Drehwellen Piezoelectric fibre actuators Polymer matrix Piezofibres Active strain Electrodes

12 Adaptive Strukturen für die Luft- und Raumfahrt Ausblick Adaptives Rotorblatt mittels flächig verteilter Aktorik Realisierung definierter Rotorblattverwindungen ±45 Piezofaser- Module 81% der Aktuatoren aktiv CFK ±45 [mm] Piezo-Faser [mm] 2750 Belegungslänge [%] Gesamtmassenzunahme [kg] Piezo-Modulmasse [kg] 0,32 0,92 50 (2750 mm) 6,5 4 Verdrehwinkel 1,5 bei GIT Nm2