Temperature-dependent calibration and temperature compensation of elastic shape-memory alloy strain sensors for fiber-reinforced composite applications

Strain sensors for fiber-reinforced plastics require higher elasticity and fatigue resistance than conventional strain gauges. Elastic strain sensors made of shape-memory alloys (SMA) meet this requirement. Due to greater elasticity, other procedures are required for their calibration than those recommended in standards. This paper presents a calibration method for shape-memory strain sensors as a function of ambient temperature and methods for temperature compensation are investigated. SMA strain sensors are manufactured as sensor patches from wire and layers of glass fiber fleece infiltrated with epoxy resin. The patches are bonded to bending specimens made of glass-fiber plastic composites. The calibration of the SMA sensors is implemented by means of a 4-point bending test using a self-built test stand. This is designed for operation in a climate chamber. The results show successful proof of feasibility of temperature compensation. The variation of the sensor signal in the unloaded state in the temperature response is less than 0.4 mV/V. The gauge factor depends on the temperature and is compensated by means of a regression with temperature sensor data. In combination with a temperature sensor, an almost complete compensation of the temperature-dependent behaviour is possible. A procedure is realised for calibrating SMA sensors at larger strains.

Dehnungssensoren für faserverstärkte Kunststoffe erfordern eine höhere Elastizität und Ermüdungsfestigkeit als herkömmliche Dehnungsmessstreifen. Elastische Dehnungssensoren aus Formgedächtnislegierungen (FGL) erfüllen diese Anforderung. Aufgrund der höheren Elastizität sind für ihre Kalibrierung andere Verfahren erforderlich als die in Richtlinien empfohlenen. In diesem Beitrag wird ein Kalibrierverfahren für Formgedächtnis-Dehnungssensoren in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur vorgestellt und es werden Methoden zur Temperaturkompensation untersucht. FGL-Dehnungssensoren werden als Sensorpatches aus Draht und mit Epoxidharz infiltrierten Schichten aus Glasfaservlies hergestellt. Die Patches werden auf Biegeproben aus Glasfaser-Kunststoff-Verbunden aufgeklebt. Die Kalibrierung der FGL-Sensoren erfolgt durch einen 4-Punkt-Biegeversuch mit Hilfe eines selbstgebauten Prüfstandes. Dieser ist für den Betrieb in einer Klimakammer ausgelegt. Die Ergebnisse zeigen den erfolgreichen Nachweis der Machbarkeit der Temperaturkompensation. Die Schwankung des Sensorsignals im unbelasteten Zustand im Temperaturgang beträgt weniger als 0,4 mV/V. Der k-Faktor ist temperaturabhängig und wird durch eine Regression mit Temperatursensordaten kompensiert. In Kombination mit einem Temperatursensor ist die vollständige Kompensation des temperaturabhängigen Verhaltens möglich. Ein Verfahren zur Kalibrierung von FGL-Sensoren bei größeren Dehnungen ist realisiert.