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Dipl.-Math. oec. Hendrikje Pauer

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Oberflächenerfassung mittels Fiber Bragg Grating-Sensornetzwerken

Oberflächenerfassung mittels Fiber Bragg Grating-Sensornetzwerken

Das Projekt „Oberflächenerfassung mittels Fiber Bragg Grating-Sensornetzwerken“ befasst sich mit der Entwicklung und Optimierung eines Sensornetzwerkes, bestehend aus Fiber Bragg Grating (FBG)-Sensoren, über das Objektoberflächen räumlich erfasst werden können. Die verwendeten FBG-Sensoren werden hierbei als Dehnmessstreifen auf faseroptischer Basis eingesetzt. Die mit Gratings beschriebenen Sensorfasern können durch Objektverformung entstehende Dehnungsänderungen an der Objektoberfläche mit hoher Genauigkeit erfassen und bringen darüber hinaus durch ihren geringen Faserdurchmesser und elektromagnetische Verträglichkeit weitere bedeutende Vorteile mit sich.

Das Konzept der Oberflächenerfassung umfasst zum einen den Algorithmus zur Objektformberechnung aus Dehnmesswerten am betrachteten Objekt. Bei der praktischen Fertigung von Sensorprototypen hat sich die exakte Faserpositionierung als schwer umsetzbar erwiesen. Herkömmliche Formberechnungskonzepte gehen, was die Lage der Gratings betrifft, allerdings von genau bekannten, ideal, dem Algorithmus angepasst, realisierbaren Positionswerten aus. Bisher wurde noch kein Algorithmus entwickelt, welcher aus beliebig verteilten Sensoren die Form rekonstruiert. Um die praktisch bedingte Ungenauigkeit der Faserpositionen zu berücksichtigen, ist ein solcher Algorithmus jedoch erforderlich, damit eine präzise Formerfassung mittels FBG-Sensornetzwerken überhaupt umsetzbar ist. Der in diesem Projekt entwickelte Algorithmus grenzt sich von herkömmlichen Berechnungsmethoden durch die niedrigen Anforderungen an die Sensorpositionierung ab. So sind die FBG-Sensornetzwerke nur sehr allgemein definiert und können quasi beliebig ausgerichtet werden. Damit werden die Anforderungen an die praktische Realisierung der Formsensoren zur Oberflächenerfassung und somit die Anforderungen an die Genauigkeit der Sensorpositionierung minimiert. Über den höheren theoretischen Aufwand und kompliziertere Rekonstruktionsalgorithmen kann diese neue Freiheit hinsichtlich der Netzwerkausrichtung ausgeglichen werden. Diese Rekonstruktionsalgorithmen sollen über einen neuen mathematischen Ansatz unter Einsatz von speziell definierten Tensor-Feldern realisiert werden. Hierbei werden grundlegende differentialgeometrische Ansätze  eingehend verfolgt.

Weiter soll zum anderen die Sensornetzwerkausrichtung und Struktur optimiert werden. Hierbei steht die Genauigkeit der Oberflächenerfassung über eine hohe Anzahl von Sensoren der Minimierung der Sensoranzahl aus Kostengründen und angestrebter Sensorminiaturisierung entgegen.

Dieses Projekt ist Teil des Graduiertenkollegs 1194 „Selbstorganisierende Sensor-Aktor-Netzwerke“ sowie motiviert durch das Projekt „Single-Port-Chirurgie“ der Projektgruppe „CoMeT“; so wird bei der Entwicklung des Algorithmus gezielt auf die Verwendbarkeit in Sensorsystemen für die Single-Port Chirurgie eingegangen. Projektziel ist schließlich die Implementierung der Algorithmen und somit die Realisierung eines präzisen Formsensors zur Erfassung der Form miniaturisierter chirurgischer Instrumente.