Phenomenological investigation of a carbon fibre based strain sensor with spatial resolution by means of time domain reflectometry

Fibre reinforced plastics feature versatile function‐integrative capabilities, e.g. the possibility to realise embedded Structural Health Monitoring (SHM) systems. Material‐compatible sensors are a prerequisite for a robust and reliable function of such systems. Among others, sensors based on carbon fibres are in the focal point of research due to their high material compatibility. The contribution proposes a novel continuous strain sensor based on embedded carbon fibres. In opposition to typical carbon fibre sensors, the presented measurement principle is based on the reversible opening and closing of aligned carbon fibre fragments. The phenomenological effects are investigated by a combined electrical, mechanical and optical analysis. The sensor features a strain sensitivity that is up to four orders of magnitude higher than the one of current carbon fibre sensors. For the first time, the application of the electrical time domain reflectometry for a spatially resolved strain measurement with carbon fibre sensors is presented here. In addition a damage localisation capability with an observed spatial resolution in the lower mm‐range is possible. Faserverstärkte Kunststoffe bieten zahlreiche Möglichkeiten für eine Funktionsintegration, bspw. die Realisierung integrierter Structural Health Monitoring (SHM) Systeme. Eine wichtige Voraussetzung für eine robuste und zuverlässige Funktion derartiger Systeme sind werkstoffgerecht integrierte Sensoren. In der Forschung werden hierfür unter anderem Sensoren auf Basis von Kohlenstofffasern aufgrund der hohen Materialkompatibilität untersucht. In diesem Artikel wird ein neuartiger Dehnungssensor basierend auf eingebetteten Kohlenstofffasern vorgestellt, dessen Messprinzip im Gegensatz zu anderen Kohlenstofffasersensoren auf dem reversiblen Öffnen und Schließen von Faserbrüchen beruht. In dieser Arbeit wird die Phänomenologie des Messprinzips mittels kombinierter Auswertung elektrischer, mechanischer und optischer Messdaten beschrieben. Insbesondere zeichnet sich der untersuchte Sensor durch eine Sensitivität aus, die bis zu vier Größenordnungen größer ist als die bisheriger Kohlenstofffasersensoren. Es wird gezeigt, dass die immense Sensitivität erstmals eine ortsaufgelöste Dehnungsmessung mit der elektrischen Zeitbereichsreflektometrie bei Kohlenstofffasersensoren erlaubt. Darüber hinaus ist eine Schadenslokalisation mit einer beobachteten Ortsauflösung im unteren mm‐Bereich möglich.