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Tätigkeitsbericht der Beauftragten für Integration und Migration / Landkreis Sächsische Schweiz-Osterzgebirge
No full textBiocompatible Capacitive Sensor for Smart Farming
No full textDie Vereinten Nationen prognostizieren ein mögliches Wachstum der Weltbevölkerung auf 9,7 Milliarden Menschen bis zum Jahr 2050. Dies führt zu einem steigenden Bedarf an Nahrungsmitteln, bei gleichzeitig begrenzten Ressourcen. Um eine nachhaltigere Lebensmittelproduktion zu ermöglichen, ist integrated pest management für die Zukunft der Landwirtschaft unerlässlich. Neuartige, biokompatible und miniaturisierte Sensoren ermöglichen dafür, die direkte Messung an der Pflanze. Insbesondere die Messung von Blattfeuchte kann einem Frühwarnsystem dienen.
In dieser Arbeit wird ein kapazitiver, miniaturisierter und biokompatibler Sensor zur Messung von Blatt- und Luftfeuchtigkeit erforscht. Die Signalwandler sind planare integrierte interdigitale Elektroden (IDE), die mit einer feuchteempfindlichen Schicht bedeckt sind. Die Wechselwirkung von Wasser mit der sensitiven Schicht verändert die relative Permittivität der Sensorschicht. Bei der Sensorschicht handelt es sich um das biokompatible Parylene C, das auch als Passivierungsschicht gegen Feuchtigkeit und aggressive Chemikalien dient. Parallel dazu wird das Standardmaterial Polyimid getestet, da es kostengünstig ist und sich eignet, die Sensoreigenschaften vergleichbar zu charakterisieren. Zunächst wird der Sensor modelliert und entworfen. Der Signalpfad mit dem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) wird erläutert. Ein analytisches Modell wird kurz beschrieben, während ein Finite-Elemente-Modell (FEM) verwendet wird, um die Sensorgeometrie für die relative Empfindlichkeit zu optimieren. Die modellierten Ergebnisse werden mit gemessenen Daten verifiziert. Zunächst wird die Grundkapazität gemessen. Mit einem ASIC wird die dynamische Antwort des Sensors auf wechselnde relative Luftfeuchtigkeit gemessen. Außerdem werden Stresstests bei hoher Luftfeuchtigkeit und Temperatur durchgeführt. Die Parylene Sensoren werden unter einer kondensierenden Atmosphäre getestet. Des Weiteren werden zytotoxische Tests durchgeführt, um die Biokompatibilität nachzuweisen. Die Charakterisierung und der Vergleich der Parylene C Sensoren mit Polyimid Sensoren beweisen das Funktionsprinzip des Sensor-Material-Systems unter Laborbedingungen. Der Kondensationstest zeigt, dass das System unter relevanten Bedingungen funktioniert. Die FEM-Modellverifizierung zeigt, dass modellierte und gemessene Daten sich aufgrund einer Prozessabweichung in der Herstellung unterscheiden. Durch die Optimierung werden die Elektrodenbreite und der Abstand vergrößert, um die relative Empfindlichkeit zu verdoppeln. Mit Parylene C Sensoren wird die Blattnässedauer von Gurken im Gewächshaus gemessen. Als Teil eines Entscheidungshilfesystems für Landwirte wird ein Algorithmus zur Taupunktunterschreitung vorgeschlagen. Außerdem wird der Sensor in einen teilweise biologisch abbaubaren Sensorknoten integriert. Diese Entwicklungen eröffnen das Feld für die Messung des Mikroklimas von Pflanzen und für eine intelligente, präzise Landwirtschaft. Darüber hinaus ebnet das Modell des Sensors den Weg für andere kapazitive Sensorsysteme mit neuen Materialien oder Geometrien und die ergänzende Integration eines Mikrocontrollers oder zusätzlicher MEMS-Sensoren.:1) Introduction
2) Fundamentals
3) Design and modeling
4) Sensor manufacturing
5) Sensor characterization
6) Demonstrator
7) Conclusion and outlookThe world population is continuously growing. The United Nations projects a possible growth of 9.7 billion by 2050. Therefore, food demand is increasing while the available resources are limited, and negative environmental impacts must be reduced. To enable sustainable food production processes, integrated pest management is integral to agriculture’s future. Novel biocompatible and miniaturized sensors allow a new base of data acquisition by direct measurement at the plant. Leaf wetness, especially, can give an early warning for fungus diseases.
This work presents a capacitive, miniaturized, and biocompatible sensor for leaf wetness and humidity sensing. The signal transducers are planar integrated interdigitated electrodes (IDE) topped with a sensitive layer. The interaction of water in the environment changes the relative permittivity of the sensing layer. The sensing layer is the biocompatible Parylene C. It is not only a sensing but also a passivation layer against moisture and aggressive chemicals. In parallel, the standard material Polyimide was tested, because it is cost-efficient and a good fi t to comparably characterize the sensor.
First, the sensor was modeled and designed. The signal path with the application-specific integrated circuit (ASIC) was explained. An analytical model was briefly described, while a finite element model (FEM) was used to optimize the sensor geometry for relative sensitivity. The modeled results were verified with measured data. The capacitive humidity sensors were characterized by an inductance, capacitance, and resistance (LCR) meter to measure the base capacitance. An ASIC measured the sensor’s dynamic response to changing relative humidity levels in air. Furthermore, stress tests at high humidity and temperature were conducted. Parylene sensors were tested under a condensing atmosphere to achieve relevant conditions, and cytotoxic tests were done to prove biocompatibility.
The characterization and comparison of the Parylene C sensors with Polyimide sensors proved the working principle of the sensor-material system under lab conditions. The stress tests showed the behavior at high humidity and temperature. The condensation tests proved that it worked under relevant conditions. The FEM model verification showed that modeled and measured data differed because of a process deviation. With an adjusted FEM geometry, the results correlated well with the measured values. The optimization increased the electrode width and gap to double the relative sensitivity. Parylene C sensors measured the leaf wetness duration of cucumber leaves in the greenhouse, and the dew point depression algorithm was proposed for a decision support system for farmers. Additionally, the sensor was integrated into a biodegradable sensor node for testing in arable farming conditions. These developments open the fi eld to measure the microclimate of plants and for smart, precision farming. Furthermore, the model of the sensor paves the way for other capacitive sensing systems with new materials or geometries and the supplementary integration of a microcontroller or additional MEMS sensors.:1) Introduction
2) Fundamentals
3) Design and modeling
4) Sensor manufacturing
5) Sensor characterization
6) Demonstrator
7) Conclusion and outloo
Identifying crosstalk genetic biomarkers linking a neurodegenerative disease, Parkinson’s disease, and periodontitis using integrated bioinformatics analyses
No full textInternalized stigma in mental health staff with lived experience of mental crises–Does the professional role protect against self-stigmatization?
No full textZur Bestandserkundung und Nachrechnung älterer Eisenbahn-Bestandstunnel im Rahmen von Instandsetzungs- und Erneuerungsarbeiten
No full textDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Themengebieten der Bestandserkundung, Nachrechnung und statischen Beurteilung älterer Eisenbahn-Bestandstunnel mit einem Ausbau aus Mauerwerk, die die wesentliche Grundlage für die Planung von aufbauenden Instandsetzungs- und Erneuerungsmaßnahmen dieser Bauwerke darstellen. Anlehnend an diese Prozesslinie – bestehend aus Bauwerkserkundung, Nachrechnung und statische Beurteilung sowie Planung von Instandsetzungs- und Erneuerungsmaßnahmen – gliedert sich diese Arbeit in zwei übergeordnete Fachgebiete: Zum einen in die „Bestandserkundung mit dem Georadarverfahren“ sowie zum anderen in „Nachrechnung und statische Beurteilung“, jeweils in Bezug auf ältere Eisenbahn-Bestandstunnel mit einem Ausbau aus Mauerwerk. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt dabei in den Untersuchungen zur Nachrechnung und statischen Beurteilung, insbesondere in der Annäherung des Belastungszustands der Mauerwerkstunnelschale.
Zur Bestandserkundung von Bauwerken stellt das Georadarverfahren ein etabliertes, zerstörungsfreies Prüfverfahren im Bauwesen dar. Der vorliegende Anwendungsfall zur Bestandserkundung von historischen Eisenbahntunneln mit Mauerwerksausbau stellt das Verfahren jedoch vor besondere Herausforderungen, die in der vorliegenden Arbeit im Hinblick auf die Anwendung und Eignung durch Messungen in verschiedenen Tunnelbauwerken in Verbindung mit ergänzenden Laborversuchen untersucht, aufgezeigt und bewertet werden. Das Ziel der Messungen ist die Ermittlung der Dicke der Mauerwerkstunnelschale sowie nach Möglichkeit die Detektion von Hohlräumen und Hinterpackungen. Die übergeordnete Zielsetzung besteht in der Darlegung der Möglichkeiten und Grenzen des Verfahrens für den beschriebenen Anwendungsfall.
Im Hinblick auf die Nachrechnung dieser Bauwerke werden verschiedene Methoden mit praxisüblichen Berechnungsmodellen und -verfahren am Beispiel eines konkreten Tunnels aufgezeigt, die Ergebnisse miteinander verglichen und der Belastungszustand über diverse Näherungen eingegrenzt. Auf Grundlage des ermittelten Belastungszustands werden Möglichkeiten zur Abschätzung des Resttragverhaltens vorgestellt und eine konkrete statische Beurteilung vorgenommen.
Auf Grundlage aller durchgeführten Untersuchungen werden schließlich Handlungsempfehlungen für alle Teilgebiete formuliert. Die vorgestellten Methoden und Empfehlungen sollen planenden Ingenieuren, die mit Teilgebieten dieser Arbeit in der Praxis konfrontiert sind, als Leitfaden für vergleichbare Projekte und deren Herausforderungen dienen.The present work deals with various topics of investigation, recalculation and structural assessment of the load-bearing structure of ancient masonry railway tunnels. These topics form the essential basis for the planning of subsequent maintenance, renovation and renewal measures. Regarding these topics, the work is divided into two main parts. The first part is the non-destructive investigation of ancient masonry tunnels with ground-penetrating radar. The second part is the recalculation and structural assessment of those tunnels. The focus of this work is particularly on the approximation of the load condition of the masonry tunnel lining.
The ground-penetrating radar is a well-established non-destructive testing method for the investigation of infrastructure and subsoil in civil engineering. However, this use case poses particular challenges for the method. The suitability of the method is verified in the present work by own measurements in different tunnels including supplementary laboratory tests. The aim of the measurements is to determine the thickness of the tunnel lining and to detect cavities behind the tunnel lining. The overall objective is to demonstrate the possibilities and limitations of the method for this specific application.
With regard to the recalculation of these structures, various methods using standard calculation models and procedures are demonstrated using the example of an existing ancient masonry railway tunnel. The results are compared with each other and the load condition is narrowed down on this basis. Based on the load condition, possibilities for estimating the residual load-bearing behavior are presented and a concrete structural assessment is carried out.
Finally, recommendations are formulated for all topics on the basis of all the investigations carried out. The methods and recommendations presented are intended to serve as a guide for engineers who are confronted with similar tasks and challenges in practice
