Einleitung
Den faseroptischen Sensoren wird bereits seit einiger Zeit große Aufmerksamkeit zuteil. Unter dem Leitwort „Materialprüfung“ sind in diesem Zusammenhang eine kaum überschaubare Anzahl an Forschungsberichten und Fachartikeln entstanden. Diese Aufmerksamkeit ist begründet, denn die Prüfung von Bauteilen im Bauwesen auf ihre Integrität und Tragfähigkeit hat heute einen hohen Stellenwert erreicht. Darüber hinaus werden Fasersensoren zusehends in Überwachungs- und Diagnosesystemen für die Industrie- und die Verkehrstechnik integriert. Im Mittelpunkt steht die Echtzeit-Zustandsüberwachung und Schadensfrüherkennung.
Insbesondere die mechanische Beanspruchung (Materialdehnung) und die Temperaturentwicklung an kritischen Stellen sind hierbei von Interesse. In Folge dessen können Rückschlüsse auf die Belastung und somit die Lebensdauer von z. B. Anlagen getätigt werden [1]. Entsprechend ist die mechanische Dehnung wesentliches Ziel messtechnischer Anwendungen. Der Vorteil optischer Sensoren liegt in ihrem hohen Auflösungsvermögen. Die Kopplung von Mechanik und Optik bedeutet im Prinzip die Beeinflussung eines gegebenen optischen Strahlengangs mit einer Längenänderung der Laufstrecke. Je nach Art des Sensors werden unterschiedliche optische Effekte genutzt. Die messbaren Eigenschaften einer Lichtwelle sind Intensität, Wellenlänge, Laufzeit, Phasenlage oder Polarisationszustand.
Im Fokus dieser Arbeit stehen Fabry-Pérot-Interferometer und Faser-Bragg-Gitter als optische Dehnungssensoren. Zu Beginn der Arbeit werden sie im Aufbau und ihrer Funktion erläutert. Innerhalb der praxisnahen Ausführungen sind dann die erforderlichen Messtechnologien und die Ausgabedaten beschrieben. Größte Aufmerksamkeit wird z. Z. den eingebetteten Fasersensoren zu Teil. Sie sind integriert in Verbundwerkstoffe oder Betonbauteile. Faser-Bragg-Gitter Sensoren (FBG) werden vielfach für die statische bzw. quasistatische Überwachung von baustofftechnischen Veränderungen im Fertigungsprozess [2], oder während struktureller Belastung über einen großen Zeitraum hinweg verwendet. Dynamische Untersuchungen mit größeren Abtastraten der Messsignale lassen sich, gerätetechnisch bedingt, dagegen nur bis zu einigen zehn Kilohertz realisieren. FBG Sensoren basieren auf dem Effekt der Interferenz-Reflexion phasengleicher Teilreflexe einer bestimmten Wellenlänge [3]. Die Teilreflexe einer breitbandigen Strahlung entstehen an periodisch variierenden Brechzahlbereichen im Faserkern.
[...]
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Theoretische Grundlagen
2.1. Faseroptische Sensoren
2.1.1. Applikationen
2.1.2. Interferometrische Fabry-Pérot Sensoren
2.1.3. Faser-Bragg-Gitter Sensoren
2.2. Oberflächenapplizierung faseroptischer Sensoren
2.3. Analytische Untersuchungen
2.4. Klebstoffauswahl
2.4.1. Klebstofftypen
2.4.2. Kriterien für die Klebstoffauswahl
3. Experimentelle Untersuchungen
3.1. Zugbänder, Sensoranordnung, Versuchsgestaltung
3.2. Präparation der FBG-Sensoren
3.3. Referenzwertbestimmung mit Dehnungsmessstreifen
3.4. Dehnungsmessungen
3.4.1. FBG-Sensoren
3.4.2. EFPI-Sensoren
4. Ergebnisse und Schlussfolgerungen
4.1. Klebstoffe im Vergleich
4.2. Sensorverhalten fester EFPI-Sensoren
4.3. Prüfung des Analytischen Modells
4.4. Zusammenfassung
4.5. Ausblick
5. Literaturverzeichnis
Selbständigkeitserklärung
1. Einleitung
Den faseroptischen Sensoren wird bereits seit einiger Zeit große Aufmerksamkeit zuteil. Unter dem Leitwort „Materialprüfung“ sind in diesem Zusammenhang eine kaum überschaubare Anzahl an Forschungsberichten und Fachartikeln entstanden. Diese Aufmerksamkeit ist begründet, denn die Prüfung von Bauteilen im Bauwesen auf ihre Integrität und Tragfähigkeit hat heute einen hohen Stellenwert erreicht. Darüber hinaus werden Fasersensoren zusehends in Überwachungs- und Diagnosesystemen für die Industrie- und die Verkehrstechnik integriert. Im Mittelpunkt steht die Echtzeit-Zustandsüberwachung und Schadensfrüherkennung.
Insbesondere die mechanische Beanspruchung (Materialdehnung) und die Temperaturent-wicklung an kritischen Stellen sind hierbei von Interesse. In Folge dessen können Rückschlüsse auf die Belastung und somit die Lebensdauer von z. B. Anlagen getätigt werden [1]. Entsprechend ist die mechanische Dehnung wesentliches Ziel messtechnischer Anwendungen. Der Vorteil optischer Sensoren liegt in ihrem hohen Auflösungsvermögen. Die Kopplung von Mechanik und Optik bedeutet im Prinzip die Beeinflussung eines gegebenen optischen Strahlengangs mit einer Längenänderung der Laufstrecke. Je nach Art des Sensors werden unterschiedliche optische Effekte genutzt. Die messbaren Eigenschaften einer Lichtwelle sind Intensität, Wellenlänge, Laufzeit, Phasenlage oder Polarisationszustand.
Im Fokus dieser Arbeit stehen Fabry-Pérot-Interferometer und Faser-Bragg-Gitter als optische Dehnungssensoren. Zu Beginn der Arbeit werden sie im Aufbau und ihrer Funktion erläutert. Innerhalb der praxisnahen Ausführungen sind dann die erforderlichen Messtechnologien und die Ausgabedaten beschrieben. Größte Aufmerksamkeit wird z. Z. den eingebetteten Fasersensoren zu Teil. Sie sind integriert in Verbundwerkstoffe oder Betonbauteile. Faser-Bragg-Gitter Sensoren (FBG) werden vielfach für die statische bzw. quasistatische Überwachung von baustofftechnischen Veränderungen im Fertigungsprozess [2], oder während struktureller Belastung über einen großen Zeitraum hinweg verwendet. Dynamische Untersuchungen mit größeren Abtastraten der Messsignale lassen sich, gerätetechnisch bedingt, dagegen nur bis zu einigen zehn Kilohertz realisieren. FBG Sensoren basieren auf dem Effekt der Interferenz-Reflexion phasengleicher Teilreflexe einer bestimmten Wellenlänge [3]. Die Teilreflexe einer breitbandigen Strahlung entstehen an periodisch variierenden Brechzahlbereichen im Faserkern.
Die alternative Messmethode ist das Konzept des Fabry-Pérot-Interferometers. Sie nutzt die Mehrfachreflexion monochromatischer Strahlung an zwei planparallelen teildurchlässigen Spiegeln. Bei diesen Fasersensoren handelt es sich dabei um die Stirnflächen zweier Lichtwellenleiterfasern. Mit der Änderung des Spiegelabstands entstehen im Strahlengang Intensitätsschwankungen. Geeignete Fotodetektoren ermöglichen es, Veränderungen in der Lichtintensität sehr hoch aufzulösen. Im spezifischen Anwendungsfall sind die Periodenlänge der Signalwelle und die Messbasis eines interferometrischen Sensors bekannt. Dehnungen lassen sich daher präzise bestimmen. Messtechnisch können Signale extrinsischer Fabry-Pérot-Interferometer (EFPI) bis in den Megaherz-Bereich verarbeitet und aufgezeichnet werden. Somit eignen sie sich besonders für dynamische, zeitlich kontinuierliche Untersuchungen. Zwei Sensorbauformen sind hier von Interesse: flexible und feste EFPI-Sensoren.
Die Einbettung eines Fasersensors ist nicht für jede Anwendung (z. B. in Metallen) realisierbar. Die Applizierung (Klebung) auf einer Bauteiloberfläche oder einem Trägermaterial erweist sich in mancher Hinsicht als geeigneter. In dieser Arbeit wird eine Untersuchung hinsichtlich der möglichen Gestaltungsvarianten von Klebungen mit den genannten Fasersensoren auf einer Stahloberfläche durchgeführt. Mit einem Überblick auf die bekannten Klebstoffgrundtypen folgt, bezogen auf die Anwendungsproblematik, eine Diskussion über die Kriterien für eine geeignete Klebstoffauswahl. Zusammen mit den experimentellen Untersuchungen soll der Einfluss der Klebung auf das Sensorverhalten geklärt werden. Die Ergebnisse werden einer analytischen Betrachtung gegenübergestellt. Ziel ist es, die Genauigkeit des entwickelten Modells im Bezug auf manuell gefertigte Versuchsproben nachzuweisen.
Perspektivisch werden weitergehende Zielsetzungen formuliert, um einerseits die gewonnenen Erkenntnisse zu erweitern und die Modellvorstellung unter Berücksichtigung zusätzlicher Parameter zu vervollständigen.
2. Theoretische Grundlagen
2.1. Faseroptische Sensoren
2.1.1. Applikationen
Der Vortrieb für die Entwicklung faseroptischer Sensoren zur Messung von Materialverformungen geschieht durch die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Dies führte zu einer breiten Palette an Sensorkonzepten. Eine Zusammenfassung wesentlicher Entwicklungsschritte in der Technik wird in [2] anhand von Anwendungsfällen präsentiert. Bezogen auf die Einordnung von Dehnungssensoren in die Fülle der denkbaren Systemkonfigurationen ist dort ebenso eine Übersicht gegeben.
Von einem Fasersensor ist die Rede, sobald eine Messgröße Einfluss auf einen Lichtwellen-leiter nimmt und dessen Übertragungseigenschaften verändert. Ausgehend von einem Sender erfährt das Ausgangssignal im sensitiven Bereich der Übertragungsstrecke eine Modulation und wird letztlich am Empfänger detektiert. Mit „intrinsisch“ bezeichnet man Sensoren, bei denen die Messgröße unmittelbar auf die Signalübertragung im Faserkern einwirkt. Anordnungen in denen mit zusätzlichen sensitiven Elementen gearbeitet werden, die also eine Unterbrechung der Faser erfordern, werden mit „extrinsisch“ bezeichnet. Wichtig ist jedoch, dass die Abmessungen der sensitiven Elemente in der Dimension der Faser verbleiben.
An dieser Stelle sei noch einmal darauf hingewiesen: Lediglich zwei Gruppen von optischen Fasersensoren kommen in den durchgeführten Versuchen zur Anwendung. Deren wesentliches Merkmal ist ihr hohes Auflösungsvermögen aber mit lokal begrenzter Wahrnehmung. Lokal begrenzt deswegen, da die jeweilige Messbasis (Messbereich) auf wenige Millimeter beschränkt ist. In der Praxis besteht häufig Unkenntnis über die tatsächliche Belastung eines deutlich größeren Messobjekts. Ist möglicherweise noch eine inhomogene Materialstruktur zu berücksichtigen, sind ungleiche innere Belastungsverteilungen zu erwarten. Demnach kann mit einem Sensor selten auf das Verhalten des gesamten Messobjekts geschlossen werden. Infolgedessen geht die Entwicklung der Dehnungsmessung dahin, optische Sensoren in Netzwerken zu verknüpfen und diese für bauteilintegrierte Strukturmessungen zu nutzen.
Wie bereits angedeutet, besteht eine Integrationsmöglichkeit in der unmittelbaren Sensoreinbettung in eine Materialstruktur. Weitergehend existieren Konzepte zur Verbesserung der Wahrnehmung einzelner Sensoren in großen Bauteilvolumina: Eingebettet werden sollen Trägerelemente aus Stahl, auf denen optische Dehnungsaufnehmer befestigt sind. Nachfolgend wird auf die Sensoren näher eingegangen. Die Problematik der Befestigung ist wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit und wird in den späteren Kapiteln behandelt.
2.1.2. Interferometrische Fabry-Pérot Sensoren
Grundlagen
Befinden sich im Strahlengang einer kohärenten monochromatischen Lichtwelle zwei planparallele teildurchlässige Spiegelebenen, treten in Folge dessen Teilreflektionen zwischen den Spiegeln auf. Im Resonatorraum zwischen den Ebenen entstehen Mehrfachreflexionen. Abhängig vom Reflexion-Transmission-Verhältnis verlässt ein Teil der Strahlung den Zwischenraum. Am Ausgang des Resonators bildet sich eine Lichtwelle in der Intensität der überlagerten transmittierten Teilwellen. Der Abstand der Reflexionsebenen zueinander bedingt Laufzeitunterschiede zwischen den Reflexionen an der ersten Spiegelebene und denen am zweiten Spiegel. Mit dieser Phasenverschiebung gehen die reflektierten Wellenanteile in eine interferierende Wellenfront über. Das Interferenzsignal ist als Streifenmuster in der Helligkeit wahrnehmbar.
Die Intensitätsschwankung wird durch eine Veränderung im Abstand der Reflexionsebenen beeinflusst. Der Signalbereich zwischen maximaler Lichtintensität und vollständiger Auslöschung steht prinzipiell für Sensoranwendungen zur Verfügung. Mit geeigneten Fotodetektoren ist laut [2] nach einer A/D-Wandlung für eine Wellenlänge von 870 nm eine theoretische Auflösung von 0,2175 pm erreichbar.
Faseroptische Sensoren nach dem Prinzip der Fabry-Pérot-Interferometrie lassen sich in verschiedenen Bauformen realisieren. Unterschieden werden hier extrinsisch feste und flexible Fabry-Pérot-Interferometer Sensoren.
Feste EFPI-Sensoren
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.1-1, Schematische Ansicht eines festen EFPI-Sensors [2]
Zwei Faserenden, eingeführt in einer Glaskapillare, bilden mit ihren gegenüberliegenden Stirnflächen teilreflektierende Spiegel. Beide Fasern sind in dem Hohlrohr fixiert. Die Befestigung erfolgt durch Verschweißen von Faser und Kapillare. Die Materialverwandt-schaft gestattet eine stoffschlüssige Verbindung und somit eine zuverlässige Fixierung [2].
Die Messlänge dieses Sensoraufbaus ist mit dem Abstand der Fixpunkte A und B gegeben. Eine axiale Verformung der Glaskapillare bewirkt die Verschiebung beider Fasern, der Spiegelabstand verändert sich. Die Dehnung e der Kapillare ist also die Abstandsänderung Ds bezogen auf die Messlänge s0 .
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (Gl. 2.1-1)
Selbst unter der Annahme, dass durch den Verbund von Sensor und Messobjekt eine vollständige Dehnungsübertragung erfolge, lässt sich herstellungsbedingt eine systematische Fehlmessung nicht ausschließen. Die Breite jeder Fixierung (ca. 200µm) ist mit einer Unschärfe versehen. Beim Schweißen im Lichtbogen bewirken Kapillarkräfte lokal ein Verfließen der Schmelze im Hohlrohr. Die Fixierung der Faser ist daher an der Innenwand der Kapillare in der Breite der Kontaktfläche nicht homogen. Die Bestimmung der absoluten Messlänge wird dadurch erschwert. Mit den verfügbaren Mitteln ist eine genaue Vermessung der Geometrie nicht möglich, der Einfluss wird aber mit ca. drei Prozent angenommen.
Mit der Fertigungstoleranz geht eine verringerte Auflösung des Sensors einher.
Flexible EFPI-Sensoren
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.1-2, Schematische Ansicht eines flexiblen EFPI-Sensors [2]
Diese Bauform sieht eine beweglich gelagerte Glasfaser in der Kapillare vor. Wie bei der ersten Variante ist ein Spiegel im Hohlrohr fixiert. Der bewegliche Spiegel am Ende der Zuleitungsfaser wird zur Signalerzeugung unmittelbar verschoben. Der Faserabschnitt im Rohr ist von der Schutzummantelung (Coating) befreit, um eine Haftung an der Innenwand zu vermeiden.
Hier wird die Messlänge nicht in der Kapillare definiert, sondern über die direkte Montage auf einem Messobjekt. Sie ist beispielsweise mit zwei Klebestellen für das Röhrchen und die bewegliche Faser gegeben. Die Problematik der Fertigungstoleranz ist an dieser Stelle von großer Bedeutung. Das Sensorverhalten unter dem Aspekt der Klebung zu ermitteln und deren Reproduzierbarkeit ist von Interesse. Allerdings werden sie nicht Bestandteil der nachfolgenden Untersuchungen sein.
2.1.3. Faser-Bragg-Gitter Sensoren
Grundlagen
Als faseroptisches Bragg-Gitter wird die periodische Modulation der Brechzahl in einem Abschnitt der Kernfaser eines Lichtwellenleiters (LWL) bezeichnet. Die Gestaltung eines Gitters ist in Periodenlänge, Amplitude und Gesamtlänge variabel [3]. Üblich sind jedoch Gitterlängen von einigen Millimetern, eingebracht in einer Monomode-Glasfaser. Die typische Brechzahländerung ist in der Größenordnung von Dn = 10-3 realisiert.
Namentlich geht die das Sensorkonzept auf den Physiker W. H. Bragg zurück, der die Beugungserscheinungen von Röntgenstrahlung an den Netzebenen von Kristallen untersuchte. Der optische Effekt eines solchen Gitters im Strahlengang einer Glasfaser ist mit den Reflexionserscheinungen an atomaren Kristallstrukturen vergleichbar [4].
Trifft das Licht einer Quelle mit breitbandigem Spektrum auf solch ein Bragg-Gitter, entstehen für eine bestimmte Wellenlänge Teilreflexionen an jeder Ebene. Diese interferieren bei Phasengleichheit zu einer intensiven Überlagerung. Die reflektierte Wellenlänge lB und der Gitterabstand L sind proportional zueinander und werden mit der Braggschen Reflexionsbedingung in ein Verhältnis gesetzt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (Gl. 2.1-2)
neff – effektive Brechzahl des FBG;
Jede Lichtwelle, die von dieser Bedingung nicht erfasst wird, passiert das Gitter ohne Beeinflussung. Im Resultat erhält man an beiden Enden der Faser ein charakteristisches Reflexions- bzw. Transmissionsspektrum (vgl. Abb. 2.1-3).
Die Sensorfunktion eines FBG entsteht mit der Einflussnahme auf die Reflexionsbedingung. Erfährt die Faser eine mechanische Kraftwirkung entlang ihrer Achse, wird das innere Brechzahlgitter gedehnt. Der Abstand zwischen den Ebenen verändert sich und somit die reflektierte Wellenlänge. Mit einem Spektrumanalysator sind langsame Verformungen als
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.1-3, Schematische Ansicht eines Faser-Bragg-Gitters und dessen Signalmodulation im Lichtdurchgang, lt. [2] und [11]
„wandernder“ Signalpeak wahrnehmbar. Aus der Verschiebung der Wellenlänge
DlB = lB,1 - lB,0 bezogen auf die Wellenlänge im unbelasteten Zustand lB,0 ist die absolute Dehnung e zu bestimmen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (Gl. 2.1-3)
Der Faktor K ist ein Korrekturwert, der materialspezifisch die Wellenlängenverschiebung in das Verhältnis mit einer wirkenden Materialverformung setzt. Dieser Wert ergibt sich aus der fotoelastischen Konstante pe, die sich abhängig von Material und Wirkungsrichtung aus den Komponenten des fotoelastischen Tensors berechnet:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (Gl. 2.1-4)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (Gl. 2.1-5)
Die thermische Abhängigkeit findet sich im Ausdehnungskoeffizienten a (0,55×10-6 K-1) und im thermo-optischen Koeffizienten x (6,3 bis 8,6×10-6 K-1) wieder. Letzterer beschreibt die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes.
Herstellung
Grundsätzlich werden faseroptische Bragg-Gitter mittels UV-Licht in eine Faser eingeschrieben. Dazu wird ein Effekt (Fotosensitivität) ausgenutzt, der Germanium dotierte Glasfasern unter Einwirkung von kurzwelligem Licht in ihrer Brechzahl verändert [3]. Übliche Lichtquellen sind gepulste Excimer-Laser. Eine angewandte Technik für das Einbringen von Bragg-Gittern in Fasern ist die seitliche Belichtung der Faser in Verbindung mit Phaseninterferenzmasken. Zum einen haben diese den Vorteil der guten Reproduzierbar-keit. Die Anforderungen an die Kohärenz einer Lichtquelle sind eher gering. Ohne großen Aufwand lassen sich beliebige Gitterlängen realisieren. Andererseits erfordert jede Gittervariante mit unterschiedlicher Gitterperiode oder Gitterlänge eine eigens hergestellte Maske und ist daher teurer. Eine weitere Herstellungsvariante ist in Abb. 2.1-4 dargestellt.
Bragg-Gitter werden direkt in die Glasfaser geschrieben. D.h., das Coating muss zuvor lokal entfernt und im Anschluss wieder aufgebracht werden. Mit der Bearbeitung ist eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften die Folge. Entsprechend ist die Belastbarkeit von FBG-Sensoren geringer als die der übrigen Anschlussleitungen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.1-4, Phaseninterferenz-Technik zum Einschreiben von Bragg-Gittern in den Kern optischer Fasern. Zwei UV-Strahlenbündel gleicher Wellenlänge überlagern sich gerade in der Kernfaser. Die Intensitätsmaxima sind im Abstand L entsprechend der einzustellenden Gitterlänge. Abb. nach [3]
Auch hierfür gibt es eine alternative Technik: Unmittelbar nachdem die Glasfaser im Ziehturm-Verfahren hergestellt wurde, folgt das Schreiben der Gitter in die noch nackte Faser. Das nachträgliche Entfernen des Coatings zum Einschreiben wird in diesem Verfahren vermieden.
2.2. Oberflächenapplizierung faseroptischer Sensoren
Dieser Abschnitt der Arbeit bildet eine Zusammenstellung bereits publizierter Erkenntnisse in Bezug auf die Klebung optischer Fasern auf Oberflächen von Dehnungsprüfkörpern (Zugbänder und –stäbe). Im besonderen Interesse stehen Fragen zur Gestaltung der Klebung unter Berücksichtigung des mechanischen Verhaltens (Spannungsverteilung, Dehnungsübergang). Alle Berichte haben bei der Materialwahl ihrer Prüfkörper den Fokus auf metallische Sensorträger gesetzt. Das erleichtert die Vergleichbarkeit dahingehend, dass die jeweils vorausgesetzten mechanischen Eigenschaften ähnlich sind. Im Zusammenhang mit der Wahl geeigneter Klebstoffe werden in den nachfolgenden Kapiteln die relevanten Materialeigenschaften genauer betrachtet.
Trutzel [3] befasste sich mit der Untersuchung von FBG für die Anwendung als Dehnungssensoren in Verbundwerkstoffen. Seine Untersuchungen umfassen die FEM-Simulation des Klebeverbunds Glasfaser – Metall hinsichtlich der Klebelänge für einen homogenen Dehnungsverlauf und der Übertragung von Querdehnungen. Jedoch wird weniger dem Scherverhalten des Klebstoffs als vielmehr der Scherung des Fasercoatings Aufmerksamkeit zu Teil. Die Variation der Simulationen erstreckt sich über die Elastizitätsmoduln (E-Modul) von Coating und Klebstoff, sowie die Stärke der Faserbeschichtung.
Es wird gezeigt, dass im Dehnungsverlauf entlang der Faserachse über der Klebefläche lediglich in einem kurzen Abschnitt eine homogene Faserdehnung zu erzielen sei. Für Coatings mit sehr geringem E-Modul würde über die betrachtetet Klebelänge eine Strukturdehnung nur schwach übertragen, da die Beschichtung selber eine starke Verformung erfahre. Der Dicke des Coatings und dem E-Modul des Klebstoffs hat TRUTZEL keinen wesentlichen Einfluss zugeordnet. Mit Blick auf die Querempfindlichkeit von FBG-Sensoren könne die Belastung senkrecht zur Faser vernachlässigt werden da die Breite der Klebung verhältnismäßig gering sei.
Um eine bessere Dehnung in den Faserkern in der Länge zu übertragen, schlägt TRUTZEL eine deutliche Vergrößerung der Klebelänge vor. Im Hinblick auf anwendungsspezifische Möglichkeiten wäre dies eine Alternative zur Verstärkung des Elastizitätsmoduls. Für die Realisierung homogener Spannungsverläufe durch den Klebstoff sei ein dünner und gleichmäßiger Auftrag das wichtige Kriterium. Wenn im Gitterbereich die Klebung unvollständig ist oder sich im Betrieb löst, seien Störungen in der Sensorfunktion und der Signalübertragung die Folge.
Schlattner,Klink und Slowik [4] wenden sich in ihrem Forschungsbericht der Anwendung von FBG als Verformungssensoren zu. Vergleichend zu elektrischen Messtechniken werden die Vorteile von Fasersensoren in der „weitgehenden Kalibrierfreiheit“ des Messverfahrens gesehen. Nach Ansicht der Autoren von [4] entstünden keine Nachteile durch ein Driften der Messwerte, wodurch die Anwendungsmöglichkeit für Langzeitmessungen gegeben sei.
Unter der Vielzahl bekannter faseroptischer Dehnungssensoren werden vor allem FBG und - parallel dazu - EFPI für Messaufgaben mit Auflösungen von wenigen µm/m als geeignet angesehen. In den Untersuchungen wird u.a. die Temperaturabhängigkeit der charakteristischen Wellenlänge über ein Intervall von 0°C bis 70°C dargestellt. Der lineare Anstieg ist mit der Näherung
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (Gl. 2.2-1)
und einer Standardabweichung von ± 0,0002 nm×K-1 angegeben. Da Stahl einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als Glas, steigt für oberflächenapplizierte Sensoren der Anstieg auf
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (Gl. 2.2-2)
In der Gestaltung der Sensorapplikation auf dem Zugstab, soll es sich als sinnvoll erweisen, eine Nut zu fräsen und darin die Faser mit Klebstoff einzubetten.
Betz [5] beschreibt in seiner Arbeit über die Nutzung faseroptischer Sensoren für die Zustandsüberwachung von z.B. Fahrzeug- und Gebäudestrukturen die Montage faseroptischer Sensoren (FBG) in Verbindung mit einer Trägerfolie (Klebefolie), analog zu den bewährten
Dehnungsmessstreifen. Der Vorteil bestünde in der verbesserten Handhabbarkeit des Klebeprozesses. Zudem könne so die gleichzeitige Montage mehrerer vorapplizierter Sensoren zum Zweck der mehrdimensionalen Dehnungsmessung mit ergänzender Temperaturmessung in einem einzigen Netzwerk realisiert werden. Eine FEM-Simulation analog zu [3] bestätige die von ihm getätigte Annahme, dass für eine größtmögliche Dehnungsübertragung die Höhe des Elastizitätsmoduls und die umso geringere Stärke der Folie („backing patch“) entscheidend sei.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.2-1, FBG-Sensorarray, auf eine Trägerfolie appliziert [5]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.2-2, FEM-Modell nach Betz [5]
Yuan und Zhou [6] beschreiben ein mathematisches Modell zur Evaluierung des Dehnungsverhaltens in Beton eingebetteter Fasersensoren. Als optischer Sensor kommt hier ein Michelson-Weißlicht-Interferometer zur Anwendung. Das Prinzip beruht auf der Weglängenänderung im Strahlengang eines breitbandigen Lichtpulses gegenüber einem gekoppelten Referenzstrahl und dadurch einer messbaren Phasendifferenz, proportional zur einwirkenden Dehnung.
Im Blickpunkt der Untersuchungen steht das Verhältnis von Faserdehnung eF zu tatsächlicher Materialdehnung eM , dargestellt als funktionaler Übertragungsfaktor K(k,L):
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (Gl. 2.2-3)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.2-3, Mathematisches Modell einer gebetteten Faser [6]; Dargestellt werden die Scher-spannungen an den Schnittstellen von Glasfaser zu Coating (tg) und Coating zu umgeben-der Materialstruktur (tm) sowie die resultierenden Dehnungsverformungen von Faser (dg) und Struktur (dm) über den Radius R und der halben Messbasis der sensitiven Faser (L).
Der Ansatz für das analytische Modell ist in der obenstehenden Abbildung dargestellt. Betrachtet werden die Scherspannungen an den Schnittstellen zwischen Mantelfaser und Coating, sowie Coating und Materialstruktur der Einbettung. Yuan und Zhou zeigen, dass die Messempfindlichkeit wesentlich von der realisierten Messlänge 2L und dem materialbedingten Transferparameter k abhängig ist.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (Gl. 2.2-4)
Bei der messtechnischen Untersuchung wären Fasern mit Polymercoating angewandt worden. Entsprechend gehen in k der E-Modul der Glasfaser EG und der Polymer-Schubmodul GP für die Übertragung der Scherspannung über den Wellenleiterradius ein:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (Gl. 2.2-5)
rG à äußerer Radius des Fasermantels
rM à äußerer Radius des Fasercoatings
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.2-4, Ergebnisdarstellung nach [6] für den Nachweis der Längenabhängigkeit der Dehnungsübertragung einer Klebung. Gegenübergestellt sind die gleichzeitigen Dehnungen geklebter optischer Fasern und Dehnungsmessstreifen (DMS)
2L = Messlänge der geklebten Faser; eF = Faserdehnung; eE = DMS-Dehnung;
Es könne eine annähernde Übereinstimmung des rechnerischen Übertragungsfaktors in Versuchsmessungen festgestellt werden. Die Abweichung erklären sich die Autoren mit dem Versuchsaufbau: Anstatt in Beton eingebettet, sind die sensitiven Fasern mit einem Epoxidharz-Klebstoff – der Typ ist nicht benannt - auf der Probenoberfläche befestigt worden. In diesem Fall wäre zusätzlich eine Scherdehnung im Klebstoff zu berücksichtigen. Versuchsweise sei die Materialdehnung mittels DMS bestimmt worden.
In Anlehnung an diese mathematische Modellanalyse, wird in Kapitel 2.3 eine Modifikation des Ansatzes für oberflächenapplizierte Fasern durchgeführt.
Olson,Leung und Meng [7] befassen sich mit dem Dehnungsübergang an einer geklebten Faser, welche hier vollständig in Klebstoff eingebettet vorliegt. Analog zu [3] wird hier eine dreidimensionale FEM-Modellierung des Klebeverbunds vorgenommen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.2-5, Oberflächenapplizierte optische Faser, in Klebstoff
vollständig eingebettet [7]
In experimentellen Untersuchungen verglichen werden Wellenleiter mit Coatings unterschiedlicher Hersteller, sowie eine nackte Glasfaser. Eingebettet würden sie in einen schnellhärtenden Epoxidharz-Klebstoff (unbenannter Typ).
Die FEM-Untersuchung, bezogen auf den Einfluss des Fasercoatings, zeigt in der Gegenüberstellung mit nackten Fasern erhebliche Differenzen. Das Coating erfährt eine starke Verformung, so dass im Kern eine reduzierte Dehnung wahrgenommen wird. Hinsichtlich der Klebstoffdicke unter der Faser, sei ein gegenläufiger Effekt mit der Dehnungsübertragung zu erkennen. Die Beteiligung des Klebstoffs oberhalb der optischen Faser an der Dehnungsüber-tragung kann vernachlässigt werden. In der Ergebnisanalyse weichen allerdings FEM-Modell und Experiment hinsichtlich der Klebelänge voneinander ab. Mit zunehmender Klebelänge könne die Differenz reduziert werden. An die Messwerte von Dehnmessstreifen kamen die Resultate der optischen Fasern jedoch nicht heran.
[...]
- Citar trabajo
- Marcus Stelter (Autor), 2005, Untersuchung des Dehnungsübertragungsverhaltens geklebter faseroptischer Sensoren, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/46255
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