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Area 3 - Sensornetzwerke: Kabellose Sensoren für die Strukturüberwachung

In den Projekten der Area 3 des Spitzenclusters Cool Silicon entwickeln die Wissenschaftler energieautarke und drahtlose Sensorsysteme, unter anderem für die Materialüberwachung in Umgebungen, in denen traditionelle Kontrollmethoden nicht anwendbar sind.

 

Der Luftfahrtkonzern Airbus will den CO2-Ausstoß seiner Flugzeuge pro Passagier und Kilometer bis zum Jahr 2020 um die Hälfte reduzieren. Um das Gewicht der Flugzeuge zu verringern, setzen Flugzeugbauer zunehmend Leichtbau-Materialien ein, beispielsweise Kohlefaser-Verbundwerkstoffe. Doch neue Materialien stellen auch neue Anforderungen an Verarbeitung, Qualitätskontrolle und Inspektion. So sollten Flugzeugteile aus Kohlefaser-Verbundwerkstoffen kontinuierlich überwacht werden, weil das Fortschreiten von Rissen schwer vorhersehbar ist – und „klassische“ Prüfverfahren nur sehr eingeschränkt eingesetzt werden können. Flugzeugstrukturen sind jedoch nicht das einzige Einsatzgebiet für intelligente Sensortechnik. Auch in den Bereichen Gesundheit, Verkehr, Bauwerke und verarbeitende Industrie nimmt die Zahl der Sensoren weltweit immer weiter zu. Aktuelle Studien prognostizieren eine Dichte von etwa 1.000 Sensoren pro Mensch – und das bereits im Jahr 2017.

 

Die Projekte CoolSensorNet, CoolSens, CoolConSens, CoolSAW sowie CoolSensorImplement, CoolSensorIntegration, CoolPOD, CoolTool, CoolRailSens, CoolPublicTransportInformation, CoolCarCom und CoolNetworkPlanning arbeiten gemeinsam an möglichst energieeffizienten und sogar energieautarken Sensorsystemen.

 

Im Projekt CoolSensorNet entwickeln Wissenschaftler bereits Spezialsensoren, die in Flugzeugteile einlaminiert werden können. Die Anforderungen: energieautark, kabellos, langlebig – über 20 Jahre – und natürlich möglichst geringe Herstellungskosten. Netzwerke aus solchen Sensoren sollen zukünftig Schwingungen des jeweiligen Bauteils auswerten, und so Schäden frühzeitig erkennen. Dazu enthält jeder einzelne Sensor analoge Komponenten zur Erfassung von Messwerten, digitale Prozessoren zur Informationsverarbeitung, sowie eine eigene Stromversorgung und die Möglichkeit zur Datenkommunikation. Funktionsfähige Prototypen der neuartigen Sensoren sollen bis Ende 2011 verfügbar sein. Alle benötigten Elektronikkomponenten liegen bereits vor.

 

Das Projekt CoolSens untersucht, inwieweit derzeit verfügbare RFID-Sensoren in den beschriebenen Strukturen verwendet werden können. Erste Konzepte für die notwendigen Modifikationen wurden bereits erstellt. Die Datenauswertung ist Schwerpunkt des Projektes CoolConSens. Die erforderlichen neuen Steuer- und Abfragealgorithmen sowie deren softwaretechnische Umsetzung werden derzeit erarbeitet. Im Projekt CoolSAW wird die Montagemethode Wafer-Level-Packaging für Frequenzfilter und Sensoren erprobt. Ein Pilotbauteil für die Layoutdaten wurde bereits erstellt und die Herstellung der Chips im Waferverbund hat ebenfalls schon begonnen. Die Vorhaben CoolSensorImplement und CoolSensorIntegration erforschen Technologieplattformen und die schadensarme Integration von Sensoren in verschiedene Werkstoffe und Konstruktionen.

 

In der zweiten Forschungsphase wird im Projekt CoolMaintenance das Projekt CoolSensorNet erweitert. Ziel ist die Entwicklung einer Basistechnologie für die Optimierung des realen Wartungsprozesses von Flugzeugen. Ergänzt wird dieses Vorhaben durch anwendungsorientierte Vorhaben: CoolPOD entwickelt mikromechanische Beschleunigungssensoren, die die Stromversorgung erst im Ereignisfall einschalten. So wird im Ruhezustand keinerlei Energie mehr benötigt werden. CoolTool forscht am Einsatz von Sensoren für die Überwachung von Großwerkzeugen in der Schwer- und Automobilindustrie und CoolRailSens erarbeitet eine Lösung zur Überwachung von Radlaufflächen und Radlagern bei Güterwagen, wohingegen CoolPublicTransportInformation das Energieeffizienzpotential elektronischer Fahrkarten untersucht. Die Optimierung des Kraftstoff- bzw. Stromverbrauchs von Fahrzeugen ist das Ziel von CoolCarCom und CooolNetworkplanning befasst sich mit der Verbesserung von Netzentwürfen energieautarker Funk-Sensornetze für Gebäude.

 

Die Verbundprojekte der Area 3 erarbeiten somit Sensornetzlösungen, die einen wichtigen Schritt auf dem Weg zum sogenannten „denkenden Material“ (smart material) darstellen.

 

Kontakt: media@cool-silicon.org

Area 3 - Projektergebnisse

Energieautarke Sensornetzwerke

Technical Showcase des Spitzenclusters Cool Silicon

In allen Lebensbereichen nimmt die Bedeutung der Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Messgrößen zur Steuerung sowie Überwachung von Vorgängen aller Art zu. Ob in den Bereichen Gesundheit, Verkehr, Bauwerke oder der verarbeitenden Industrie – die Anzahl von Sensoren wächst weltweit. Nach aktuellen Studien rechnen die Forscher im Jahr 2017 etwa 1.000 Sensoren auf jeden Menschen. Gleichzeitig werden diese Sensoren immer mehr miteinander vernetzt und kommunizieren somit auch verstärkt untereinander. Als Basis für den Betrieb all dieser Systeme bedarf es Energie. Aus diesem Erfordernis heraus ergeben sich in der Folge die grundlegenden Aufgabenstellungen für das Spitzencluster Cool Silicon: Zum einen sollen die Systeme so wenig wie möglich Energie verbrauchen. Zum anderen ist es in vielen Anwendungsfällen gar nicht erst möglich, die Systeme überhaupt an ein Energieversorgungsnetz anzuschließen.

 

Projektziel

 

Das Hauptziel der Projekte im Schwerpunkt Energieautarke Sensornetzwerke ist die Erforschung sowie der Aufbau eines energieautarken Sensorknotens für die Überwachung von CFK-Flugzeugstrukturen.

Würden beispielsweise alle Sensoren in zukünftigen CFK-Flugzeugstrukturen per Kabelverbindung mit Strom versorgt und würden diese Sensoren dann zudem auch per Kabel miteinander kommunizieren, dann wäre der Gewichtsvorteil von CFK-Werkstoffen durch das Gewicht der zusätzlichen Kabel schnell aufgebraucht. Gleichzeitig würden die Kabel in den CFK-Flugzeugteilen zusätzliche Fehlstellen generieren. Für die Überwachung neuer Materialien sowie von Leichtkonstruktionen hat sich das Spitzencluster Cool Silicon daher zum Ziel gesetzt, energieautarke Sensornetzlösungen zu entwickeln. Diese Lösungen stellen einen bedeutenden Schritt auf dem Weg zum „denkenden Material“ (smart material) dar.

 

Das Projekt CoolSensorNet erforscht für die Umsetzung dieses Anspruchs die komplette Elektronik-Kette, bestehend aus Sensoren, analoger Elektronik, A/D-Wandlern, Prozessorsystemen und der Telemetrieeinheit. Die Anforderungen an die Sensorsysteme – klein, robust, energieautark, vernetzt (und preiswert) sowie die bis ans Ende dieses Jahrhunderts reichende Roadmap der Flugzeugindustrie für „intelligente Materialien“– sind hierbei Orientierung und Benchmark zugleich. Im Projekt müssen neben den mechanischen Aspekten auch die besonderen Temperaturbelastungen mit starken Schwankungen im Bereich zwischen -55° C und 85° C zu berücksichtigt werden. Ferner legte sich Cool Silicon gemeinsam mit Airbus auf die Norm RTCA DO21/ 30 160 fest, so dass die Projektergebnisse nicht auf eine einzelne Zielstruktur limitiert werden, sondern auch die generellen Grundlagen für „mitfliegende Systeme“ in der Luftfahrt schaffen können.

 

Im bisherigen Projektverlauf wurde das zu testende Systemkonzept mit zwölf Komponenten definiert. Für die Kombination von Energy Harvesting System und Ultraschallwandler wurden 80 unterschiedliche Piezomaterialien hinsichtlich ihrer Polarisationseigenschaften und Wirkungsgrade untersucht. Dabei konnte die erfolgversprechende Piezokeramik PIC 255 identifiziert werden.

 

Als Ergebnis der bisherigen Projektarbeit liegen alle für das Projekt notwendigen Elektronikkomponenten vor. Abbildung 2 zeigt vereinfacht die Vereinigung der Komponenten zu einem vernetzungsfähigen Sensorknoten.

 

Für die Optimierung der Einzelkomponenten wurde die Kombination aus Energy Harvesting System und Ultraschallwandler auf eine CFK-Teststruktur aufgebracht und mit einem geeigneten Testsignal erprobt. Parallel dazu untersuchten die Forscher die durch die Vibration gewinnbare Energie. In den Voruntersuchungen war es bereits gelungen, die prinzipielle Funktion nachzuweisen. Der ermittelte Energieverbrauch des Sensor-Funksystems beträgt im Mittel etwa 2 mW. Die Energiegewinnung aus einem typischen Flugprofil konnte mit 1,5 mW ermittelt werden.

 

Im Projekt CoolSensorNet ist es nun gelungen, das aus vier Piezo-Einzelelementen bestehende Energy Harvesting System im Versuchsaufbau sowohl mechanisch als auch im realen Flugbetrieb (Schwingung 500Hz an der Abrisskante, Auslenkung im Mikrometerbereich) anzuregen. Die damit gewonnene Energie reicht aus, um in neun Sekunden einen Kondensator so weit aufzuladen, dass ein Mess- und Funk-Übertragungszyklus des Sensorknotens ausgeführt werden kann.

 

Somit ist es im bisherigen Projektverlauf schließlich gelungen, die grundsätzliche Machbarkeit energieautarker Sensorknoten nachzuweisen. Im weiteren Projektverlauf werden nun die Grundlagen dafür geschaffen, dass auch die erforderliche Lebensdauer derartiger Systeme von über 20 Jahren gewährleistet werden kann.

Within Area 3 projects, scientists of the Leading-Edge Cluster Cool Silicon are developing energy autarkic and wireless sensor systems, which will be used – along with others – for material inspections in environments where traditional control methods cannot be employed.

The aircraft manufacturer Airbus plans to cut carbon dioxide emissions from its planes per passenger and per kilometer in half by the year 2020. In order to reduce the airplanes’ weight, the aircraft industry employs increasingly more lightweight materials such as carbon fiber components. But these materials create new requirements for manufacturing, quality control, and inspection. Airplane parts made from carbon fiber require continuous control, since the progression of cracks and rifts is difficult to anticipate, and the use of ‘classic’ control methods is limited.

Airplane technology is not the only possible application for intelligent sensor technology. The number of sensors employed worldwide in the health, transportation and construction sectors as well as the manufacturing industry is continuously on the rise. Current studies forecast a density of 1,000 sensors per person – by as early as the year 2017.

The projects CoolSensorNet, CoolSens, CoolConSens, CoolSAW as well as CoolSensorImplement, CoolSensorIntegration, CoolPOD, CoolTool, CoolRailSens, CoolPublicTransportInformation, CoolCarCom and CoolNetworkPlanning jointly work toward more energy efficient and even energy autarkic sensor systems.

In the project ‘CoolSensorNet’, scientists are focusing on developing special sensors, which can be laminated into airplane components. The requirements: sensors must be energy autarkic, wireless, and have a long lifespan of more than 20 years.  Also production costs should be as low as possible. In the future, such networks of sensors shall evaluate vibrations of a respective module in order to detect damages early. Additionally, every single sensor will be equipped with analog components for data collection, with digital signal processors for data processing, as well as its own independent power supply, and the ability for radio data transmission. Operational prototypes of these innovative sensors will be available by the end of 2011. All required electronic components are already available.

The project CoolSens tests all possible applications for RFID sensors in the structures described. The first concepts for necessary modifications have already been generated. The project CoolConSens will focus on data evaluation by developing all necessary control- and retrieval algorithms as well as their software-technological implementation.

The project CoolSAW tests the wafer-level-packaging technology for frequency filters and sensors.  A pilot component for layout data has already been developed and the production of the wafer-level-packaged chips has started. The projects CoolSensorImplement and CoolSensorIntegration explore technology platforms and low damage integration of sensors in diverse materials and constructions.

In the second research phase scientists will expand the project CoolMaintenance within the project CoolSensorNet with the goal of developing a basic technology for optimized maintenance of airplanes. Application-oriented projects like CoolPOD will complement their efforts by developing micromechanical acceleration sensors that will turn on power supply only on the occasion of an event, while in idling mode no energy will be consumed.

The project CoolTool focuses on the research of the application of sensors for controlling equipment used in heavy manufacturing and the automobile industries. CoolRailSens is working on a solution for inspection and maintenance of wheel running surfaces and wheel bearing elements of box cars, while CoolPublicTransportInformation studies the potential of energy efficient electronic ticketing. Optimizing fuel and energy consumption of automobiles is the goal of the project CoolCarCom and CoolNetworkPlanning aims to improve the network layouts of energy autarkic radio sensor networks within buildings.

All projects of Area 3 jointly focus on sensor network solutions that will provide important steps toward the development of so-called ‘smart material’.

Contact: media@cool-silicon.org