DE10031412A1

DE10031412A1 - Optische Sensoranordnung

Info

Publication number: DE10031412A1
Application number: DE10031412A
Authority: DE
Inventors: Ingolf Baumann; Bernd Mueller
Original assignee: AOS GmbH
Current assignee: Advanced Optics Solutions 01067 Dresden De GmbH
Priority date: 2000-04-18
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2001-10-31
Anticipated expiration: 2020-06-29
Also published as: DE10031412C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Sensoranordnung, insbesondere zur Dehnungs- und Stauchungsmessung, bei der der Sensor aus einer Glasfaser, in die ein Faser-Bragg-Gitter eingebracht ist, besteht und die zur Auswertung des Spektrums des Faser-Bragg-Gitters mit einer Auswerteeinheit verbunden ist. DOLLAR A Die Aufgabe, die darin besteht, eine technologisch einfach zu realisierende Sensoranordnung mit einem Sensor, der als in eine Glasfaser eingebrachtes Faser-Bragg-Gitter ausgebildet ist, zu entwickeln, die in ihrer Baugröße variabel ist, eine sehr genaue Dehnungs- und Stauchungsmessung an Bauwerken, Brücken, an Gestein oder sonstigen zu messenden Objekten ermöglicht und sowohl zur Dauermessung geeignet als auch variabel einsetzbar ist, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sensoranordnung einen Sensorträger (1) aufweist, der aus ineinander schiebbaren Profilstücken (6, 7, 15) besteht, die mittels zweier, einen festgelegten Abstand zueinander aufweisender Befestigungsstellen (10, 11) auf dem zu messenden Objekt (14) befestigt sind und daß der Sensor parallel zur Hauptachse der Profilstücken (6, 7, 15) einen Verbindungsbereich zweier Profilstücken (6, 7) übergreifend, mittels zweier, einen festgelegten Abstand zueinander aufweisender Befestigungsstellen (4, 5) auf den Profilstücken (6, 7) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Sensoranordnung, ins besondere zur Dehnungs- und Stauchungsmessung, bei der der Sensor aus einer Glasfaser, in die ein Faser-Bragg-Gitter eingebracht ist, besteht und die zur Auswertung des Spektrums des Faser-Bragg-Gitters mit einer Auswerteeinheit verbunden ist.

Nach US-PS 47 61 073 ist die sensorische Anwendung von Faser- Bragg-Gittern bekannt. Faser-Bragg-Gitter können zur Bestim mung von Zugspannungen, Temperaturen und deren Änderungen verwendet werden. Entsprechend der Ausführungen in DE 43 37 103 können Faser-Bragg-Gitter durch die Belichtung einer für UV-Licht photosensitiven Faser mit einem Interfe renzmuster, welches mit UV-Licht gebildet wird, hergestellt werden. Dabei entsteht eine dauerhafte, periodische Brechzahl änderung der Glasfaser, wobei jede Brechzahländerung eine Reflexionsstelle darstellt. In Abhängigkeit der in die Glasfaser mit Faser-Bragg-Gitter eingestrahlten Wellenlänge kommt es zu einer konstruktiven oder destruktiven Überlagerung der reflektierten Leistungsanteile. Als Quelle für die UV- Strahlung können beispielsweise Excimer-Laser oder Argon-Io nenlaser verwendet werden. Das Interferenzmuster kann mit einer Phasenmaske oder durch Strahlteiler und Umlenkspiegel gebildet werden. Da die Bedingung der konstruktiven Überlage rung für die Rückreflexion nach Gleichung 1 nur in einem ge ringen Wellenlängenbereich erfüllt wird, sind Faser-Bragg- Gitter schmalbandige Bandsperren. In diesem schmalen Band wird die Leistung reflektiert.

Die Bragg-Wellenlänge eines Gitters ist bestimmbar mit:

λ_BRAGG = 2/m.n_m.Λ

λ_BRAGG Bragg-Wellenlänge des Gitters
m Ordnung des Bragg-Gitters
n_m mittlere effektive Brechzahl
Λ räumliche Periodenlänge des Gitters.

Wenn das Faser-Bragg-Gitter einem mechanischen Streß aus gesetzt wird, ändert sich die Periodenlänge und durch den optoelastischen Effekt auch die mittlere effektive Brechzahl des Gitters. Durch beide Effekte kommt es zu einer Änderung der Bragg-Wellenlänge.

Vorschläge für eingebettete Sensoren in Glasfasern sind u. a. von Meltz in der US-PS 47 61 073 gemacht worden. Dabei ist der Sensor immer fester Bestandteil des Materials, in das der Sensor eingebettet wurde. Bekannt sind außerdem Sensoren mit Faser-Bragg-Gittern, die vorrangig im Bauwesen zum Einsatz kommen, wobei der Sensorträger aus Armierungsstahl besteht und dadurch das Faser-Bragg-Gitter geschützt ist. Die Kraftüber tragung erfolgt vom Bauwerk direkt auf den Armierungsstahl und damit auch direkt auf das Faser-Bragg-Gitter. Bei sehr kleinen Dehnungen wird durch die ebenfalls geringe Änderung der Bragg- Wellenlänge des Sensors die Auswertung sehr aufwendig und kostenintensiv.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine technologisch einfach zu realisierende Sensoranordnung mit einem Sensor, der als in eine Glasfaser eingebrachtes Faser-Bragg-Gitter ausgebildet ist, zu entwickeln, die in ihrer Baugröße variabel ist, eine sehr genaue Dehnungs- und Stauchungsmessung an Bauwerken, Brücken, an Gestein oder sonstigen zu messenden Objekten er möglicht und sowohl zur Dauermessung geeignet als auch varia bel einsetzbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Sen soranordnung einen Sensorträger aufweist, der aus ineinander schiebbaren Profilstücken besteht, die mittels zweier, einen festgelegten Abstand zueinander aufweisender Befestigungs stellen auf dem zu messenden Objekt befestigt sind und daß der Sensor parallel zur Hauptachse der Profilstücke, einen Verbin dungsbereich zweier Profilstücke übergreifend, mittels zweier, einen festgelegten Abstand zueinander aufweisender Befesti gungsstellen auf den Profilstücken angeordnet ist.

Mit dieser erfindungsgemäßen Sensoranordnung wird erreicht, daß sowohl dynamische als auch statische Messungen über varia ble Meßstrecken erfaßt und ausgewertet werden können. Durch Änderung der Konfektionierung des Faser-Bragg-Gitters wird eine Anpassung der maximalen Dehnbarkeit der Glasfaser an die maximal auftretende Dehnung zwischen den Meßpunkten, das heißt, zwischen den Befestigungsstellen der Sensoranordnung ermöglicht, so daß auch sehr kleine Dehnungen oder Stauchungen meßbar sind. Eine Längenänderung der Glasfaser mit dem Faser- Bragg-Gitter bewirkt die Verstärkungsänderung der Meßdaten, so daß sehr genaue Messungen möglich sind. Aus dem Verhältnis des Abstandes der Befestigungsstellen des Sensorträgers zum Abstand der Befestigungsstellen der Glasfaser ergibt sich der Übertragungsfaktor des Sensors. Meßungenauigkeiten werden auch dadurch unterbunden, daß die Profilstücke, auf denen der Sen sor angeordnet sind, starr sind und nicht auf Stoß beansprucht werden.

Nach einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist vorgesehen, daß mindestens zwei Profil stücke angeordnet sind.

Diese Sensoranordnung ist technologisch einfach und kostengünstig herstell- und ebenso problemlos montierbar.

Wenn die Profilstücke derart ausgebildet sind, daß sie im zusammengesteckten Zustand zueinander verdrehgesichert sind, werden ebenfalls Meßungenauigkeiten beziehungsweise Verfäl schungen des Meßergebnisses infolge Torsion eines der Profil stücke in Bezug auf das zweite oder die weiteren unterbunden.

Hinsichtlich des konstruktiven und des Kostenaufwandes ist von Vorteil, wenn die Profilstücke einen eckigen Querschnitt auf weisen und ineinander spielarm verschiebbar sind. Der Quer schnitt eines jeden Profilstückes sollte dabei über dessen Länge konstant sein.

Nach einer anderen vorteilhaften Ausbildung der Sensoranord nung weisen die Profilstücke eine gleiche Länge auf und wenig stens ein Profilstück ist mit einer Skala zur Bestimmung des Gesamtabstandes zwischen den Befestigungsstellen ausgestattet.

Mit dieser Ausführung ist es möglich, Messungen über unter schiedliche Längen durchzuführen, wobei der Meßabstand zwi schen beiden Befestigungsstellen auf einfache Art und Weise und schnell bestimmbar ist. Die Gesamtlänge der Meßstrecke kann anhand der Anzahl eingesetzter Profilstücken berechnet werden; die Restlänge, die in ein Profilstück eingeschoben ist, wird anhand der Skala ermittelt. Somit ist das Längen verhältnis zwischen den Befestigungsstellen der Profilstücke und denen der Glasfaser, als Maß für die Verstärkung, einfach ermittelbar.

Um zu erreichen, daß bei Bewegung der Profilstücke ineinander sich die Glasfaser mit dem Faser-Bragg-Gitter in der gleichen Achse wie die Profilstücke bewegt, ist erfindungsgemäß vor gesehen, daß zum Ausgleich der Querschnittsdifferenz zwischen den Profilstücken, auf denen der Sensor angeordnet ist, ein Anpassungsstück angeordnet ist.

Die Anordnung des Anpassungsstückes ist auf unterschiedliche Art und Weise möglich. So kann beispielsweise das Anpassungs stück als Hülse ausgebildet sein, die auf dem Profilstück mit dem geringeren Querschnitt befestigt ist.

Es ist auch möglich, daß das Anpassungsstück derart ausge bildet ist, daß es nur im unmittelbaren Befestigungsbereich der Glasfaser angeordnet ist.

Eine einfache Montage der Glasfaser mit Faser-Bragg-Gitter ist dadurch gewährleistet, daß die Glasfaser auf dem Sensorträger aufgeklebt ist. Dies kann vorteilhaft mittels zweier Klebe punkte geschehen.

Wenn die Glasfaser vorgespannt auf dem Sensorträger angeordnet ist und der Sensorträger Arretierungsmittel zur gegenseitigen Befestigung der Profilstäbe aufweist, ist eine einfache Hand habung des Sensors gewährleistet.

Bei Transport oder Lagerung des Sensors muß verhindert werden, daß unkontrollierte Bewegungen des Sensorträgers die Glasfaser zerstören. Dies geschieht dadurch, daß die Arretierungsmittel eine Bewegung der Profilstücke zueinander verhindern. Im arre tierten Zustand wird der Sensor unter einer vorgegebenen Vor spannung auf die Profilstücke aufgeklebt. Ebenso wird im arre tierten Zustand die Sensoranordnung transportiert, gelagert und auf dem Meßobjekt befestigt. Werden anschließend die Arre tierungsmittel gelöst oder entfernt, ist der Sensor sofort einsatzbereit. Nach dem Einsatz werden die Arretierungsmittel befestigt, und der Sensor kann vom Meßobjekt entfernt werden.

Erfindungsgemäß ist des weiteren vorgesehen, daß zur Befesti gung des Sensorträgers auf dem Meßobjekt lösbare Befestigungs elemente angeordnet sind. So ist sichergestellt, daß bei spielsweise nach einem kurzzeitigen Meßprozeß und nach Be festigung der Arretierung der Sensor vom Meßobjekt entfernt werden kann. Die Sensoranordnung kann sodann für weitere Messungen eingesetzt werden.

Um Unebenheiten des Meßobjektes auszugleichen, sind die Be festigungselemente zur Befestigung des Sensorträgers auf dem Meßobjekt als Abstandshalter ausgebildet.

Der Sensorträger liegt damit nicht direkt auf dem Meßobjekt auf, sondern ist lediglich über beide Befestigungsstellen mit dem Meßobjekt verbunden.

Um Meßungenauigkeiten durch Wärmeänderungen der Sensoranord nung, insbesondere der Profilstücke oder des Faser-Bragg-Git ters zu unterbinden, kann die Sensoranordnung zusätzlich mit einem Sensor zur Temperaturmessung ausgestattet sein.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Die zugehörige Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung, bei der der Sensorträger aus zwei Profilstücken besteht, und

Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung einer Sensoranordnung, deren Sensorträger dreiteilig ausgebildet ist.

Nach den Fig. 1 und 2 besteht die Sensoranordnung aus dem Sensorträger 1 und dem Sensor, der als Glasfaser 2 mit einge schriebenem Faser-Bragg-Gitter 3 ausgebildet ist. Der Sensor ist auf dem Sensorträger 1 an zwei als Klebepunkte ausgebilde te Befestigungsstellen 4, 5, die einen vorgegebenen Abstand zueinander aufweisen, aufgeklebt. Der Sensorträger 1 besteht nach Fig. 1 aus zwei Sechskant-Profilstücken 6, 7, die über ihre Länge einen konstanten Querschnitt aufweisen und tele skopartig ineinander geschoben sind. Die Größenverhältnisse beider Profilstücke 6, 7 sind dabei so gewählt, daß das Ver schieben mit geringem Spiel möglich ist. Damit wird nur eine Verschiebung der Profilstäbe 6, 7 in der Längsachse zugelas sen, jedoch keine Verdrehung der Profilstücke 6, 7 zueinander gestattet.

Zur Gewährleistung einer homogenen Temperaturverteilung über die gesamte Sensorträgerlänge sind die Profilstücke 6, 7 aus einem Aluminiummaterial hergestellt.

Zur Verhinderung unkontrollierter und ungewollter Bewegungen der Profilstäbe 6, 7 ineinander sind Arretierungsmittel 8 an den Profilstücken angeordnet, die als einfache Senkkopf schrauben ausgebildet sind. Die Senkkopfschrauben ragen durch eine Bohrung im Profilstück 6, welches den größeren Durch messer aufweist und treffen auf eine entsprechend ausgebildete Senkung in dem Profilstück 7, mit dem kleineren Durchmesser.

Die Arretierungsmittel 8 sind auch notwendig, um die Glasfaser 2 mit dem Faser-Bragg-Gitter 3 vorgespannt auf dem Sensor träger 1 befestigen zu können. Die Arretierungsmittel 8 werden nur für den eigentlichen Meßprozeß gelöst.

Die Befestigung der Glasfaser 2 auf dem Sensorträger 1 ge schieht im arretierten Zustand. Dabei wird die Glasfaser 2 über eine vorgegebene Länge, den Verbindungsbereich der beiden Profile überspannend, mittels zwei Klebepunkten aufgeklebt. Das Verhältnis des Abstandes der Befestigungsstellen 4, 5 für die Glasfaser 2 zum Abstand der Befestigungsstellen 10, 11 für den Sensorträger 1 ist maßgeblich für die Ermittlung des Über tragungsfaktors des Sensors.

Um die Parallelität bei Bewegung der Profilstücke 6, 7 und Übertragung dieser Bewegung auf die Glasfaser 2 zu gewähr leisten, weist das Profilstück 7, das den kleineren Durch messer aufweist, ein Anpassungsstück 9 in Form einer Hülse auf, auf der eine der Befestigungsstellen 4 für die Befesti gung der Glasfaser 2 angeordnet ist. Je nach Ausbildung der Befestigungselemente 12, 13, die zur lösbaren Fixierung des Sensorträgers 1 auf dem Meßobjekt 14 angeordnet sind, kann das Anpassungsstück 9 auch nur im Bereich des Klebepunktes an geordnet und beispielsweise scheibenförmig ausgebildet sein. Die Befestigungselemente 12, 13 sind als Abstandhalter ausge bildet, um Unebenheiten des Meßobjektes ausgleichen zu können.

Fig. 2 zeigt eine erweiterte Ausbildungsform der erfindungs gemäßen Sensoranordnung. Ein weiteres Profilstück 15 ist ana log Profilstück 6 im Profilstück 7 längsverschieblich angeord net, wobei auch dieses Profilstück 15 mittels einer Senkkopf schraube 16 arretiert ist. Mit dieser Lösung und weiteren anordenbaren Profilstücken können Messungen über große Meß strecken hin durchgeführt werden. Die Profilstücke 6, 7, 15 sind dabei starr miteinander verbunden. Bei Durchführung der Messung wird lediglich die Arretierung 8 der Profilstücke 6, 7 gelöst, auf denen die Glasfaser 2 mit dem Faser-Bragg-Gitter 3 angeordnet ist.

Um insbesondere bei größeren Meßstrecken die genaue Meßlänge zwischen den beiden Befestigungsstellen 10 und 11 ermitteln zu können, sind die einzelnen Profilstücke 6, 7, 15 gleichlang ausgebildet, wobei zumindest eines der Profilstücke 6, 7, 15 mit einer - in der Zeichnung nicht dargestellten - Längenmeß skala versehen ist, so daß anhand der Anzahl eingesetzter Profilstücke 15 und der über die Skala ablesbaren Restlänge schnell und auf einfache Weise der Gesamtabstand zwischen den beiden Befestigungsstellen 10, 11 ermittelbar ist.

Jede noch so geringste Dehnung oder Stauchung des Meßobjektes 14 bewirkt eine Dehnung oder Stauchung der Glasfaser 2, damit eine Längenänderung des Faser-Bragg-Gitters 3 und eine Ände rung des darin rückreflektierten, optischen Signals, welches über die Auswerteeinheit, die mit einem Lichtwellenleiterkabel 17 gekoppelt ist, erfaßt und ausgewertet wird. Die Auswerte einheit ist in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellt. Die Glasfaserverbindungen 17 zum Sensor und zur Bereitstellung des UV-Lichtes sind dämpfungsarm, so daß Übertragungsverluste wei testgehend vermieden werden können. So ist es auch möglich, die Meßergebnisse über weite Strecken der Auswerteeinheit zuzuführen, ohne daß mit negativen Auswirkungen auf die Genau igkeit der Messung zu rechnen ist.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung erlaubt sowohl dynamische als auch statische Messungen mit einem hohen Genauigkeitsgrad insbesondere bei Messung sehr kleiner Dehnungen oder Stauchun gen. Der Verstärkungsfaktor ist in Abhängigkeit von der jewei ligen Konfektionierung des Faser-Bragg-Gitters 3 voreinstell bar. Die Sensoranordnung ist kostengünstig herstellbar und konstruktiv einfach aufgebaut. Sie kann sowohl für Dauermeß stationen als auch für kurzzeitige Messungen eingesetzt wer den, weist eine hohe Alterungsbeständigkeit auf und ist wie derverwendbar.

Bezugszeichenliste

1

Sensorträger

2

Glasfaser

3

Faser-Bragg-Gitter

4

Befestigungsstelle für den Sensor

5

Befestigungsstelle für den Sensor

6

Profilstück

7

Profilstück

8

Arretierungsmittel

9

Anpassungsstück

10

Befestigungsstelle des Sensorträgers

11

Befestigungsstelle des Sensorträgers

12

Befestigungselement

13

Befestigungselement

14

Meßobjekt

15

Profilstück

16

Senkkopfschraube

17

Lichtwellenleiterkabel

Claims

1. Optische Sensoranordnung, insbesondere zur Dehnungs- und Stauchungsmessung, bei der der Sensor aus einer Glasfaser, in die ein Faser-Bragg-Gitter eingebracht ist, besteht, und die zur Auswertung des Spektrums des Faser-Bragg-Git ters mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, da durch gekennzeichnet, daß die Sensor anordnung einen Sensorträger (1) aufweist, der aus inein ander schiebbaren Profilstücken (6, 7, 15) besteht, die mittels zweier, einen festgelegten Abstand zueinander aufweisender Befestigungsstellen (10, 11) auf dem zu mes senden Objekt (14) befestigt sind, und daß der Sensor par allel zur Hauptachse der Profilstücke (6, 7, 15) einen Verbindungsbereich zweier Profilstücke (6, 7) übergrei fend, mittels zweier, einen festgelegten Abstand zuein ander aufweisender Befestigungsstellen (4, 5) auf den Profilstücken (6, 7) angeordnet ist.

2. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Profil stücke (6, 7) angeordnet sind.

3. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 und 2, da durch gekennzeichnet, daß die Profil stücke (6, 7, 15) derart ausgebildet sind, daß sie im zusammengesteckten Zustand zueinander verdrehgesichert sind.

4. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pro filstücke (6, 7, 15) einen eckigen Querschnitt aufweisen und ineinander spielarm verschiebbar sind.

5. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß die Profilstücke (6, 7, 15) eine gleiche Länge aufweisen und wenigstens ein Profilstück (6 oder 7 oder 15) mit einer Skala zur Bestimmung des Gesamtabstandes zwischen den Befestigungsstellen (10, 11) ausgestattet ist.

6. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeich net, daß zum Ausgleich der Querschnittsdifferenz zwi schen den Profilstücken (6, 7), auf denen der Sensor an geordnet ist, ein Anpassungsstück (9) vorgesehen ist.

7. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpassungsstück (9) als Hülse ausgebildet ist, die auf dem Profilstück (7) mit dem geringeren Querschnitt befestigt ist.

8. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpassungsstück (9) derart ausgebildet ist, daß es nur im unmittelbaren Be festigungsbereich der Glasfaser (2) angeordnet ist.

9. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeich net, daß die Glasfaser (2) auf dem Sensorträger (1) aufgeklebt ist.

10. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeich net, daß die Glasfaser (2) vorgespannt auf dem Sensor träger (1) angeordnet ist.

11. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeich net, daß der Sensorträger Arretierungsmittel (8, 16) zur gegenseitigen Befestigung der Profilstücke (6, 7, 15) aufweist.

12. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeich net, daß zur Befestigung des Sensorträgers (1) auf dem Meßobjekt (14) lösbare Befestigungselemente (12, 13) an geordnet sind.

13. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungselemente (12, 13) zur Befestigung des Sensorträgers (1) auf dem Meßobjekt (14) als Abstandshalter ausgebildet sind.

14. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeich net, daß sie zusätzlich einen Sensor zur Temperatur messung aufweist.