Die technische Entwicklung innerhalb des Projektes beinhaltet die im Folgenden beschriebenen Komponenten.
Messkopf (Laser+Optik+Spülung)
Das Grundprinzip des Microchiplasers ist in Abbildung 5 gezeigt. Ein Diodenlaser pumpt einen aus mehreren Schichten aufgebauten Microchipkristall. Dieser erzeugt Pulse im Nanosekundenbereich mit einer ausgezeichneten Strahlqualität. Diese Eigenschaften führen zu der für LIBS benötigten Intensität bei vergleichsweise niedrigen Pulsenergien. Auf Grund des Chipkonzeptes entstehen kompakte, robuste (stoß- und vibrationsunempfindliche) Strahlquellen. Statt der direkten Einstrahlung des Pumplichtes aus einem Diodenlaser kann auch eine Faserkopplung eingesetzt werden. Die Secopta hat in der Vergangenheit bereits ein fasergekoppeltes chipbasiertes Laserkonzept realisiert (Abb. 5). Im Gegensatz zum OEM System FiberLIBS, werden an die hier benötigte mobile Lösung andere Anforderungen gestellt:
- Rauscharmer Laserbetrieb ohne die sonst notwendige Temperaturstabilisierung des Microchips
- Robustheit, Baustellentauglichkeit, sichergestellt durch gasdichtes Gehäuse mit Überdruck. Gewichtsreduktion bei gleicher Stabilität. Lange Lebensdauer, robust, im Vergleich zum Stand der LIBS-Technik deutliche Reduzierung der costs of ownership
- Ausreichende Intensität und Wiederholrate von mindestens 100Hz
- Brennfleckgröße / Focuslage optimiert um Heterogenität zu erfassen und Oberflächenrauhigkeit zu berücksichtigen
- Soft- und Hardwareschnittstellen zur Anbindung der Spezialsoftware
Nachweissystem
Die komplexe Anwendung erfordert simultane Messungen in unterschiedlichen Spektralbereichen. Zur Sicherstellung der benötigten spektralen Auflösung und Empfindlichkeit müssen zwei für die jeweiligen Einzelbereiche optimierte Spektrometer synchronisiert werden. Dies erfordert zunächst die Teilung des optischen Signals. Nach Stand der Technik ist dies nur für nahe zusammenliegende Spektralbereiche verlustarm möglich. Es wird daher die Entwicklung einer Sonderlösung (Y-Faser aus unterschiedlichen Materialien) durchgeführt. Eine angepasste Triggerelektronik wird zur Synchronisierung der Spektrometer und der Laseremission entwickelt. Softwareseitig ist die effiziente und somit schnelle Signalzusammenfassung zu realisieren. Die Anforderungen im Einzelnen:
- 2 Nachweiskanäle kritische Elemente (NIR) + Matrix (VIS)
- Effektive Y-Faser für Breitbandanwendungen , Transmission > 90 %
- Elektronik zur Triggersynchronisation, Jitter < 100ns
- Nachweisempfindlichkeit für Cl ausreichend (LOQ <= 0,04 M% bezogen auf Beton)
- Modular, Adaptation z.B. für S (921 nm) oder die AKR-Problematik Na, K, Li (818 nm, 760 nm, 670 nm)
- Schnittstellen ermöglichen Anbindung von externer Spezialsoftware
Auswertung – Heterogenität
Ziel ist die Entwicklung einer Software zur Bewertung der einzelnen Messwerte, die die Heterogenität des Baustoffes genau berücksichtigt. Dazu sind unterschiedliche Trennungskriterien und Bewertungsmethoden auf ihre Eignung zu untersuchen und dann in die Systemsoftware zu integrieren. Die innovative Leistung besteht vor allem in der Entwicklung der softwaregestützten Bewertungsroutine, für den Erfolg des Projektes ist jedoch vor allem auch das Einbringen des fachlichen Know-Hows aus der Sicht des praxisorientierten Dienstleisters im Bereich Zustandsdiagnose im Bauwesen von entscheidender Bedeutung. Im Einzelnen sind die folgenden Anforderungen zu erfüllen:
- Funktionsfähigkeit unter Vor-Ort Bedingungen
- Scannen von 100 mm x 100 mm mit einer Auflösung von 1 mm
- Anregungs- und Nachweissystem integriert
- Positioniergenauigkeit mindestens 1 mm (Reinigungsscan, Wiederholungsmessung)
- Integrierte Videokamera zur Benutzerführung und visueller Kontrolle
- Schnittstellen zur Integration in das Gesamtsystem