Untersuchung des Dehnungsübertragungsverhaltens geklebter faseroptischer Sensoren

Diploma Thesis , 2005 , 53 Pages , Grade: 1,7

Technology

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
• 5. Literaturverzeichnis

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Diese Diplomarbeit befasst sich mit der Untersuchung des Dehnungsübertragungsverhaltens geklebter faseroptischer Sensoren. Ziel ist es, das Verhalten dieser Sensoren in Abhängigkeit von verschiedenen Klebstofftypen zu analysieren und ein analytisches Modell zu entwickeln, welches das Verhalten der Sensoren präzise vorhersagen kann. Die Arbeit konzentriert sich insbesondere auf die Einbettung von Fasersensoren in Stahl und die Auswirkungen der Klebung auf das Sensorverhalten.

• Faseroptische Sensoren und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Materialprüfung
• Untersuchung des Dehnungsübertragungsverhaltens geklebter Sensoren
• Entwicklung eines analytischen Modells zur Beschreibung des Sensorverhaltens
• Bewertung der Genauigkeit des entwickelten Modells anhand von experimentellen Ergebnissen
• Analyse des Einflusses verschiedener Klebstofftypen auf das Sensorverhalten

Zusammenfassung der Kapitel

Die Arbeit beginnt mit einer Einführung in die Thematik der faseroptischen Sensoren und deren Anwendungsmöglichkeiten in der Materialprüfung. Im zweiten Kapitel werden die theoretischen Grundlagen der faseroptischen Sensoren, insbesondere die Funktionsweise von Fabry-Pérot-Interferometern und Faser-Bragg-Gittern, erläutert. Außerdem werden die verschiedenen Aspekte der Klebstoffauswahl und die Kriterien für eine geeignete Klebung für faseroptische Sensoren diskutiert. Das dritte Kapitel befasst sich mit der experimentellen Untersuchung des Dehnungsübertragungsverhaltens geklebter Sensoren. Es werden die Versuchsanordnung, die Präparation der Sensoren und die Durchführung der Dehnungsmessungen beschrieben. Im vierten Kapitel werden die Ergebnisse der Untersuchungen präsentiert und analysiert. Das Verhalten verschiedener Klebstofftypen im Vergleich wird untersucht und die Genauigkeit des entwickelten analytischen Modells wird anhand der experimentellen Daten überprüft. Abschließend werden die Ergebnisse der Arbeit zusammengefasst und ein Ausblick auf weitere Forschungsarbeiten gegeben.

Schlüsselwörter

Faseroptische Sensoren, Dehnungsübertragung, Klebstoff, Fabry-Pérot-Interferometer, Faser-Bragg-Gitter, Analytisches Modell, experimentelle Untersuchung, Stahl, Materialprüfung.

• College: University of Applied Sciences Berlin
• Grade: 1,7
• Author: Marcus Stelter (Author)
• Publication Year: 2005
• Pages: 53
• Catalog Number: V46255
• ISBN (eBook): 9783638434881
• ISBN (Book): 9783640861606
• Language: German
• Tags: Untersuchung, Dehnungsübertragungsverhaltens, Sensoren