DE102005030751A1

DE102005030751A1 - Optischer Dehnungsmessstreifen

Info

Publication number: DE102005030751A1
Application number: DE200510030751
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr. Haase; Regis Blin; Michael Schmidt
Original assignee: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2007-01-11
Also published as: WO2007000324A3; WO2007000324A2; EP1896813A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Dehnungsmessstreifen (1), der aus einer ebenen Trägerschicht (6) vorzugsweise aus Kunststoff und einer Deckschicht (19) besteht, zwischen denen mindestens ein Lichtwellenleiter (2, 3, 4) kraftschlüssig angeordnet ist. Der Lichtwellenleiter (2, 3, 4) besitzt mindestens einen Abschnitt (L) mit einem Bragg-Gitter (5) zur Erfassung der Dehnung eines Verformungskörpers oder eines anderen Bauteilbereiches. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (2, 3, 4) innerhalb mindestens eines vorgesehenen Führungskanals (7, 8, 9) in die Trägerfolie als Trägerschicht (6) eingelassen ist. Dieser Führungskanal (7, 8, 9) mit dem Lichtwellenleiter (2, 3, 4) und dem darin eingeprägten Bragg-Gitter (5) ist mit einer Abdeckfolie als Deckschicht (19) verschlossen, die aus dem gleichen Material wie die Trägerfolie (6) besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Dehnungsmessstreifen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie deren Herstellungsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Zur messtechnischen Auswertung von Kräften oder zur Überwachung von mechanisch belasteten Bauteilen werden vielfach elektrische Dehnungsmessstreifen eingesetzt, die die Dehnung von kraftbeaufschlagten Bauelementen erfassen. Derartige elektrische Dehnungsmessstreifen bestehen meist aus fotolithografisch hergestellten mäanderförmigen Messgittern aus einem elektrischen Widerstandsmaterial, das auf einer Trägerfolie aus Kunststoff aufgetragen ist und zum mechanischen Schutz meist mit einer weiteren Kunststoffschutzfolie abgedeckt wird. Diese elektrischen Dehnungsmessstreifen werden zur Erfassung einer belastungsabhängigen Dehnung auf einen Verformungskörper appliziert und wandeln die Dehnung durch eine Widerstandsänderung des Messgitters in ein elektrisches Signal um, das der Dehnung oder der Krafteinwirkung proportional ist. Derartige elektrische Dehnungsmessstreifen sind aber empfindlich gegenüber elektromagnetischen Feldern oder hochspannungsmäßiger Beeinflussung und dürfen nicht in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden.

Ein hochspannungsunempfindlicher optischer Dehnungssensor zur Messung der Kontaktkraft eines Stromabnehmers für schienengebundene Fahrzeuge ist aus der DE 102 49 896 A1 bekannt. Dazu ist zwischen der Schleifleiste und einem Haltegestell des Stromabnehmers ein Dehnungskörper angebracht, dessen Oberfläche sich entsprechend der Kontaktkraft verformt. Auf diesem Verformungskörper ist ein sogenannter Faser-Bragg-Gitter-Sensor befestigt, der offensichtlich aus einem Lichtwellenleiter besteht, in dessen Applikationsbereich ein sogenanntes Bragg-Gitter eingeprägt ist, das seine Reflektionswellenlänge entsprechend der erfassten Dehnung verändert. Dazu ist das Wellenleiterende mit dem Bragg-Gitter einfach auf den Verformungskörper aufgeklebt und wirkt so wie ein elektrischer Dehnungsmessstreifen auf eine belastungsabhängige Oberflächendehnung. Da derartige optische Wellenleiter in ihrem Querschnitt immer als runde Faser ausgebildet sind, besitzt eine aufgeklebte Faser nur eine schmale Kontaktfläche, so dass durch den geringen Kontakt zum Verformungskörper meist nur eine schlechte und undefinierte Übertragung der kraftschlüssigen Verbindungsfläche gewährleistet ist. Für eine genaue messtechnische Auswertung mit einer derartigen schmalen Verbindungsfläche dürfte deshalb keine hinreichend reproduzierbare Messgenauigkeit erreichbar sein.

Ein eingebetteter optischer Sensor ist aus der EP 753 130 B1 bekannt, der aus einem linearen Wellenleiter mit einem Bragg-Gitter besteht, der innerhalb mehrerer Schichten mit Verstärkungsfilamenten zur Bildung einer laminierten Struktur eingelassen ist. Dieser Sensor ist vorgesehen, um innerhalb der laminierten Struktur mit einer einzigen Faser mit Bragg-Gitter sowohl Spannungen als auch Temperaturen in der Struktur zu messen. Ein derartiger Spannungssenor muss allerdings immer im Messobjekt eingebettet sein, so dass der Verformungskörper immer eine laminierte Struktur darstellen muss, so dass damit keine dünnen planaren optischen Dehnungsmessstreifen mit vergleichbaren Abmessungen wie bei elektrischen Dehnungsmessstreifen herstellbar sind.

Aus der EP 1 129 327 B1 ist ein Sensor zur Messung mechanischer Spannungen mit Fiber-optischen-Bragg-Gittern bekannt, der als planar flacher Aufnehmer ausgebildet ist, der auf einen Verformungskörper appliziert werden kann. Dieser Spannungssensor ist als Rosette zur Messung einer mehrachsigen Spannung vorgesehen, die aus einem Wellenleiter mit vorzugsweise drei hintereinander angeordneten Bragg-Gittern besteht, die in bestimmten Winkeln zu einander ausgerichtet sind. Zur Verringerung der Sensorfläche und zur Vermeidung von größeren Reflexionsverlusten sind deshalb die gebogenen Verbindungselemente zwischen den Bragg-Gittern stark verjüngt ausgeführt. Dabei ist der Wellenleiter mit den Bragg-Gittern und den Verbindungselementen vorzugsweise in einem starren Epoxydharz eingekapselt oder zwischen zwei parallelen starren Platten geklebt. Die Platten können dabei auf die Oberfläche von Verformungskörpern befestigt werden und übertragen somit die auf die Platten einwirkende Dehnung auf die Faser-Bragg-Gitter, deren reflektierte Wellenlänge sich proportional zur Dehnung ändert und detektiert werden kann. Allerdings dürfte es fertigungstechnisch schwierig sein, die dünnen Lichtleitfasern mit Durchmessern von etwa 200 μm und einer hohen Flexibilität genau in bestimmten Winkeln zu einander zwischen den Platten einzukleben oder in ein Epoxydharz einzugießen, wobei schon bei geringen Abweichungen der vorgegebenen Winkellage relativ hohe Messfehler auftreten können.

Eine weitere Anordnung zur Erfassung von Dehnungen und Temperaturen mit Bragg-Gittern enthaltenden Lichtleitfasern ist aus der DE 100 04 384 C2 bekannt. Bei dieser Anordnung wird der das Bragg-Gitter enthaltende Lichtwellenleiter innerhalb einer Lackschicht auf einem Träger befestigt. Dazu ist der Träger offensichtlich gleichzeitig ein Verformungskörper, dessen Dehnung und Temperatur gemessen werden soll. Zur Befestigung der den Sensor darstellenden Lichtleitfaser mit dem Bragg-Gitter wird die sehr dünne und flexible Faser zunächst auf einem Klebestreifen fixiert. Dazu werden zur genauen Positionierung in den Klebestreifen hintereinander beabstandete Löcher eingebracht, die die Ausrichtung der Lichtleitfaser vorgeben. Dann wird die Lichtleitfaser über die Mitte der Lochreihe abgerollt und auf den Klebestreifenträger aufgeklebt. Danach wird der Klebestreifen mit der fixierten Lichtleitfaser auf der Trägeroberfläche positioniert und mit einer Lackschicht bestrichen, die durch die Lochreihen dringt und die Lichtleitfaser auf dem Träger fixiert. Anschließend wird der Klebestreifen abgezogen und die angeheftete Lichtleitfaser vollständig mit einer Lackschicht überzogen, bis diese kraftschlüssig mit dem Träger verbunden und vollständig abgedeckt ist. Ein derartig aufwändig hergestellter Dehnungssensor ist gegenüber den Dehnungssensoren aus elektrischen Dehnungsmessstreifen derzeit aus Kostengründen kaum einsetzbar und daher nur speziellen Anwendungen vorbehalten.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorgefertigte Dehnungsmessstreifen aus optischen Lichtwellenleitern zu schaffen, die in präziser gleichmäßiger Fertigungsqualität herstellbar sind und kostengünstig gefertigt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 und 9 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Fixierung der Wellenleiter mit den Bragg-Gittern in vorgesehenen Führungskanälen auf einer Trägerfolie sehr kompakte optische Dehnungsmessstreifen herstellbar sind. Dabei werden die vorgesehenen Führungskanäle vorzugsweise durch ein fotolithografisches Ätzverfahren oder ein mechanisches Bearbeitungsverfahren sehr genau hergestellt, so dass derartige optische Dehnungsmessstreifen eine hohe Reproduziergenauigkeit aufweisen und vorteilhafterweise als Serienteile in großen Stückzahlen kostengünstig vorgefertigt werden können, um auf einfache Weise auf vorgesehenen Verformungskörpern oder anderen Dehnungskörpern applizierbar zu sein. Derartige vorgefertigte flache und kleinflächige optische Dehnungsmessstreifen können auch vorteilhaft in oder auf Faserverbundwerkstoffen befestigt werden, wobei diese die Faserstruktur nur wenig beeinträchtigen und vorteilhafterweise auch Dehnungsänderungen bis 10 % unbeschädigt standhalten, wie sie bei Verformungskörpern aus Faserverbundwerkstoffen üblich sind.

Die erfindungsgemäßen optischen Dehnungsmessstreifen haben gegenüber elektrischen Dehnungsmessstreifen den Vorteil, dass sie weitgehend unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Feldern und Hochspannungsbereichen sind. Dabei besitzen sie vorteilhafterweise auch keine Stromversorgung, so dass sie unempfindlich gegenüber Leistungsschwankungen auf der Übertragungsstrecke sind und auch in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden dürfen. Des weiteren ermöglicht die kraftschlüssige Verbindung der Bragg-Gitter in den Führungskanälen eine umschlossene Verbindungsstruktur mit der flächigen Trägerfolie, so dass eine gute und definierte Kraftübertragung auf die Bragg-Gitter gewährleistet wird, wodurch eine hohe Messgenauigkeit und insbesondere eine geringe Hysteresewirkung erreichbar ist.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Lichtwellenleiter vollflächig in die Führungskanäle eingegossen werden, hat den Vorteil, dass damit sehr flache einfach herstellbare optische Dehnungsmessstreifen gefertigt werden können. Da diese optischen Dehnungsmessstreifen auch aus keramischen oder Glasträgerfolien und Lichtwellenleitern aus Glasmaterialien herstellbar sind, können diese vorteilhaft auch bei sehr hohen Temperaturbelastungen eingesetzt werden.

Bei einer besonderen Ausbildungsart der Erfindung mit zusätzlichen Bragg-Gittern zur Temperaturkompensation ist vorteilhaft, dass damit eine temperaturunabhängige Dehnungsmessung möglich wird. Damit ist auch gleichzeitig eine separate Temperaturerfassung ausführbar, wodurch vorteilhaft auch die thermische Überlastung des optischen Dehnungsmessstreifens und der angrenzenden übrigen Bauelemente erkannt werden kann.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:
1: die Draufsicht auf einen optischen Dehnungsmessstreifen;
2: einen Ausschnitt eines Schnittbildes durch den Faserzuführungsbereich des optischen Dehnungsmessstreifens, und
3: eine schematische Darstellung einer Auswerteeinheit für einen optischen Dehnungsmessstreifen.
In 1 der Zeichnung ist ein optischer Dehnungsmessstreifen 1 dargestellt, der zur zweiachsigen Dehnungsmessung als Rosette ausgebildet ist und im Grunde aus drei nebeneinander angeordneten Lichtwellenleitern 2, 3, 4 mit eingeprägten Bragg-Gittern 5 besteht, die in eingearbeitete Führungskanäle 7, 8, 9 einer Trägerfolie 6 fixiert sind.
Zur Aufnahme der Lichtwellenleiter 2, 3, 4 ist eine dünne elastische Trägerfolie 6 vorgesehen, die vorzugsweise aus Kunststoff, wie z. B. Polyimid besteht. Die Trägerfolie 6 kann aber auch aus anderen harten elastischen Kunststoffen, Metallen, Glas oder Keramiken hergestellt sein. In der Praxis hat sich eine elastische Quarzglasfolie bewährt, die sehr dünn herstellbar ist und in die die Führungskanäle genau eingeschliffen werden können. Dabei dient die Trägerfolie 6 dazu, die vorgefertigten optischen Dehnungsmessstreifen 1 auf vorgesehenen Verformungskörpern zu applizieren oder in belasteten Bauelementen positionsgerecht und kraftschlüssig zu integrieren. Die vorgefertigte Trägerfolie 6 ist planar ausgebildet, besitzt vorzugsweise eine rechteckige oder quadratische Grundfläche und eine Dicke von etwa 0,3 mm. Für besondere Ausgestaltungen sind aber auch Foliendicken von 0,2 bis 0,8 mm möglich. Die Grundfläche richtet sich im wesentlichen nach der Länge der Bragg-Gitter 5 an den Enden der Lichtwellenleiter 2, 3, 4 und der Ausbildung der optischen Dehnungsmessstreifen 1 für ein- oder zweiachsige Dehnungserfassungen.
Bei der einachsigen Dehnungserfassung ist lediglich ein linear ausgerichteter Lichtwellenleiter 3 in einem Führungskanal 2 der Trägerfolie 6 vorgesehen, der je nach gefordertem Stör-Nutzsignalabstand eine Länge von ca. 8 bis 15 mm und eine Breite von ca. 2 bis 5 mm aufweist.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eines optischen Dehnungsmessstreifens 1 zur zweiachsigen Dehnungserfassung mittels drei winkelversetzt angeordneter Bragg-Gitter 5 ist eine Größe der Trägerfolie 6 von ca. 26 × 30 mm vorgesehen. Dabei wird die Größe nicht nur von den 10 mm langen Bragg-Gittern 5 bestimmt, sondern im wesentlichen auch von den Radien 11 der abknickenden Lichtwellenleiter 2, 3, die mit r = 20 mm relativ groß sind, um die Messfehler gering zu halten. Zwischen den drei Bragg-Gittern 5 ist jeweils ein Öffnungswinkel 18 von 45° vorgesehen, durch den im wesentlichen die Breite der optischen Dehnungsmessstreifen bestimmt wird. Bei kürzeren Bragg-Gittern 5 mit kleineren Radien sind auch Trägerfolien 6 mit kleineren Grundflächen von etwa 18 × 20 mm möglich.
In die Trägerfolien 6 werden zur Fixierung der Lichtwellenleiter 2, 3, 4 Führungskanäle 7, 8, 9 oder Vertiefungen eingearbeitet, deren Querschnitt mindestens dem Querschnitt der Lichtwellenleiter 2, 3, 4 entspricht. Dazu werden vorzugsweise Lichtwellenleiter 2, 3, 4 aus mineralischen Glasleitfasern mit einem Außendurchmesser von 0,25 mm eingesetzt, so dass die Führungskanäle 7, 8, 9 oder Vertiefungen zumindest im Einführungsbereich 12 bis zur Schnittbildkante A-A jeweils eine Tiefe und Breite von 0,25 mm aufweisen.
Die Anordnung der Lichtwellenleiter 2, 3, 4 ist im einzelnen in 2 der Zeichnung näher dargestellt. Aus dem Ausschnitt des Schnittbildes A-A ist ersichtlich, dass im Einführungsbereich 12 vier Lichtwellenleiter 2, 3, 4, 13 parallel nebeneinander angeordnet sind. Dabei sind drei Lichtwellenleiter 2, 3, 4 zur Dehnungsmessung vorgesehen und ein im Einführungsbereich endender Lichtwellenleiter 13 dient nur zur Temperaturkompensation. Dieser vierte Lichtwellenleiter 13 endet ca. 2 mm hinter der Einführungskante und besitzt außerhalb der Trägerfolie 6 auch ein Bragg-Gitter 14 zur Temperaturerfassung. Die anderen drei Lichtwellenleiter 2, 3, 4 sind nach dem Einführungsbereich 12 nur noch mit ihrem Fasermantelbereich weitergeführt.
Bei den Lichtwellenleitern 2, 3, 4, 13 handelt es sich um herkömmliche optische Lichtleitfasern aus mineralischen Glasfasern wie sie auch zur Telekommunikation als Einmodenfaser mit einer Wellenlänge von vorzugsweise λ = 1550 nm eingesetzt werden. Diese Glasfasern 2, 3, 4 bestehen vorzugsweise aus einem Faserkern 15, einem Fasermantel 16 und einer Faserschutzschicht 17, die auch entfallen kann. Da die optische Lichtleitwirkung ausschließlich im Kern- 15 und Mantelbereich 16 der Glasfaser geschieht, ist die Faserschutzschicht 17 als mechanischer Schutzbereich hinter dem Einführungsbereich 12 entfernt worden. Dies ist auch deshalb notwendig, um am Ende der Glasfasern 2, 3, 4 die Bragg-Gitter 5 einzuprägen. Deshalb sind für diese Mantelbereiche nach dem Einführungsbereich 12 drei weiterführende Führungskanäle 7, 8, 9 von nur noch 0,125 mm (oder geringer) Tiefe und Breite in die Trägerfolie 6 eingearbeitet, die dem Durchmesser des Fasermantels 16 entspricht. Diese Führungskanäle 7, 8, 9 zum Fixieren der Glasfasern 2, 3, 4 mit seinem Faserkern 15 und dem Fasermantel 16 verlaufen zunächst parallel nebeneinander, wobei die beiden äußeren Glasfasern 2, 4 mit einem Radius von 20 mm seitlich abknicken und nach einem Abknickungswinkel 18 von jeweils 45° gerade weitergeführt werden. Dabei ist mindestens ein linearer Führungskanalteil am Ende von maximal L = 10 mm vorgesehen, der etwa 2 mm vor der gegenüberliegenden Trägerfolienkante endet.
Diese Führungskanäle 7, 8, 9, 10 werden in die Trägerfolie 6 vorzugsweise durch ein fotolithografisches Ätzverfahren eingearbeitet. Es sind aber auch mechanische oder thermische Verfahren bekannt, mit denen die feinen Führungskanäle 7, 8, 9, 10 durch einen Materialabtrag in die Trägerfolie 6 eingearbeitet werden können. Der mittlere Führungskanal 8 zur Fixierung des zweiten Lichtwellenleiters 3 verläuft hingegen linear und stellt gleichzeitig die Mittellinie des symmetrischen optischen Dehnungsmessstreifens 1 dar. Dabei bildet der zweite Lichtwellenleiter 3 mit den beiden äußeren Lichtwellenleitern 4, 3 jeweils einen Winkel von 45° und die beiden äußeren zueinander einen Winkel von 90°, so dass damit alle Dehnungen in den beiden Flächenachsen erfassbar sind.
In die drei auseinanderragenden Führungskanäle 7, 8, 9 werden nach der Materialabtragung die Lichtwellenleiter 2, 3, 4 eingelegt, an dessen Enden bereits die drei Bragg-Gitter 5 eingeprägt wurden. Obwohl die drei Lichtwellenleiter 2, 3, 4 sehr flexibel und mit 0,125 mm Durchmesser oder geringer verhältnismäßig dünn sind, kann die Einlegung in die Führungskanäle 7, 8, 9 auf einfache Weise sowohl maschinell als auch manuell geschehen, da diese durch die passgenauen Führungskanalabmessungen durch Druckeinwirkung in diese fixierbar sind. Dabei kann eine feste Verbindung sowohl durch Verpressen als auch durch Verkleben mit der Trägerfolie 6 erreicht werden, so dass nicht nur eine formschlüssige, sondern auch eine feste kraftschlüssige Verbindung zwischen den Lichtwellenleitern 2, 3, 4 und der Trägerfolie 6 erfolgt.
Durch die nebeneinander abknickende Anordnung der Lichtwellenleiter 2, 3, 4 wird im Grunde eine sogenannte Dehnungsmessstreifenrosette gebildet, mit der alle horizontal verlaufenden Kraft- bzw. Dehnungskomponenten erfassbar sind. Als Kleber zur kraftschlüssigen Verbindung der Glasfasern 2, 3, 4 mit der Trägerfolie 6 hat sich in der Praxis ein aushärtbarer Epoxydharzkleber bewährt, der auch nur geringe Hystereseerscheinungen aufweist und eine hervorragende Übertragung der Dehnung auf die Lichtwellenleiter 2, 3, 4 gewährleistet.
In einer besonderen Ausführungsart der Erfindung wird der Lichtwellenleiter 2, 3, 4 als planarer Lichtwellenleiter ausgeführt, der vorzugsweise in die Führungskanäle 7, 8, 9, 10 eingegossen ist. Dazu wird beispielsweise in den Führungskanal 7, 8, 9, 10 der Kunststoffträgerfolie 6 ein optisch leitfähiges Polymersubstrat oder ein anderes sogenanntes Fotoresist eingebracht, das eine höhere Brechungszahl als die Trägerfolie 6 aufweist. Dadurch entsteht ein Brechzahlensprung, durch den das Polymersubstrat als lichtleitfähiger Kunststoff wie ein Lichtwellenleiter wirkt. Dabei stellt das Polymersubstrat im Grunde den Kern und die Trägerfolie 6 den Mantel mit der niedrigeren Brechungszahl dar. Insbesondere bei rechteckigen oder quadratischen Führungskanälen 7, 8, 9 entsteht durch die Einbringung des lichtleitfähigen Substrats auf einfache Weise ein optischer Streifenleiter, der zur Lichtleitung bestimmter Wellenlängen wie Glasfasern geeignet ist. Bei dieser Ausführungsart werden vor Einbringen der lichtleitfähigen Schicht in die Führungskanäle 7, 8, 9 streifenförmige Unregelmäßigkeiten im Abstand Λ eingeprägt, die dann als Bragg-Gitter 5 wirken. Diese können kammartige Erhebungen oder auch Vertiefungen darstellen, die auf eine Länge L von 3 bis 10 mm ein Bragg-Gitter bilden, das die eingespeisten Lichtwellen mit einer vorgegebenen Wellenlänge λ_B reflektiert. Da die Lichtwellenleiter 2, 3, 4 in den Führungskanälen 7, 8, 9 der Trägerschicht 6 fest eingelassen und mit diesen fest verbunden sind, können damit auch alle auf die Trägerschicht 6 wirkenden Dehnungen genau erfasst werden. Durch diese polymere Lichtwellenleiter 2, 3, 4 als optische Streifenleiter sind sehr flache Ausführungen von optischen Dehnungsmessstreifen 1 realisierbar, die dünner als 0,5 mm sind.
Derartige Ausführungen von in den Führungskanälen 7, 8, 9 eingelassenen optisch leitfähigen Medien als Lichtwellenleiter 2, 3, 4 sind auch mit hitzebeständigen Glas- oder Keramikfolien als Trägerschicht 6 ausführbar, in dessen Führungskanäle 7, 8, 9 photonische Kristalle mit Quarzglassubstraten eingegossen werden. Dazu werden mit Hilfe der photonischen Kristalle die Bragg-Gitter ausgebildet, mit denen die Dehnung erfassbar ist. Die Kanäle können vorzugsweise auch durch einen feldunterstützten Ionenaustausch realisiert werden. Die Bragg-Gitter werden dann durch einen chemischen Ätzprozess von außen in diese Kanäle eingebracht.
Derartige Ausführungen von optischen Dehnungsmessstreifen 1 können bei Temperaturen bis 900 °C eingesetzt werden.
Zum mechanischen Schutz und zur Verhinderung von Feuchtigkeitseinwirkungen auf die Lichtwellenleiter 2, 3, 4 werden die Führungskanäle 7, 8, 9, 10 mit den eingelegten Wellenleitern 2, 3, 4 zusätzlich mit einer dünnen Abdeckfolie 19 beschichtet. Die Abdeckfolie 19 besteht vorzugsweise ebenfalls aus dem Material der Trägerfolie 6 wie z. B. Polyimid und besitzt vorzugsweise eine Dicke von 0,05 mm und wird mit der Trägerfolie 6 verschweißt oder verklebt, so dass der optische Dehnungsmessstreifen 1 hermetisch abgedichtet ist.
Ein derartiger optischer Dehnungsmessstreifen 1 kann sowohl auf metallischen Verformungskörpern wie herkömmliche elektrische Dehnungsmessstreifen appliziert oder auch in Faserverbundstoffen eingelegt oder aufgeklebt werden. Mit derartigen optischen Dehnungsmessstreifen 1 sind nicht nur dehnungsbedingte Kraftmessungen, sondern auch Temperaturmessungen möglich, da gleichzeitig auch die Wärmeausdehnung detektierbar ist.
Ist ein derartiger optischer Dehnungsmessstreifen 1 auf einem kraftbeaufschlagten Verformungskörper appliziert, so kann damit wie folgt beschrieben die beaufschlagte Kraft oder Dehnung erfasst werden. Denn durch die auf den Dehnungskörper einwirkende Kraft erfolgt an dessen Oberfläche eine Dehnungswirkung, die über die darauf applizierte Trägerfolie 6 auf die darin kraftschlüssig fixierten Lichtwellenleiter 2, 3, 4 übertragen wird. Dadurch entsteht auch eine Längenänderung innerhalb des Bragg-Gitter-Bereichs L, da dies aus einem Stück des Kerns 15 der Lichtleitfaser 2, 3, 4 gebildet wird, der vom Mantel 16 umgeben ist, der einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern 15 aufweist. Die Lichtleitfaser 2, 3, 4 ist vorstehend als eine Einmodenfaser (Single-Mode-Faser) ausgebildet, bei der der Durchmesser des Faserkerns 15 mit 9μm ausreichend klein ist, so dass sich das von einer vorzugsweise Infrarotlichtquelle stammende Licht nur in einer einzigen Mode entlang des Kerns 15 ausbreiten kann. Diese Single-Mode wird im wesentlichen durch den Brechzahlsprung an der Kern-Mantel-Grenze geleitet. Die Linien 20 des Bragg-Gitters 5 sind eine Reihe von vorzugsweise regelmäßig beabstandeten Störungen des effektiven Brechungsindexes n des Kerns 15. Das Bragg-Gitter 5 verläuft entlang einer Länge L der Lichtleitfaser 2, 3, 4, wobei L normalerweise in einem Bereich von 3 bis 20 mm liegt.
Zur Herstellung von Bragg-Gittern 5 können verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Bei einem dieser Verfahren werden die Störungen des Brechungsindexes n im Kern 15 erzeugt, indem die Lichtleitfaser 2, 3, 4 mit einer Phasenmaske maskiert und mit starkem Ultraviolettlicht bestrahlt wird. Bei einem anderen Verfahren werden die Indexstörungen n dadurch gebildet, dass die Lichtleitfaser 2, 3, 4 einem Interferenzmuster ausgesetzt wird, das aus zwei sich schneidenden Hälften eines UV-Laserstrahls erzeugt wird. Der Abstand Λ zwischen den Indexstörungen n wird durch den Winkel bestimmt, bei dem sich die beiden Hälften des Strahls schneiden.
Bei den Lichtwellenleitern 2, 3, 4, bei denen das optisch leitfähige Material direkt in die Führungskanäle 7, 8, 9 eingegossen wird, werden die Bragg-Gitter 5 durch Störungen in der Trägerfolie 6 gebildet. Dadurch wird mechanisch ein kammartiges Strichmuster in die Trägerfolie 6 mit dem Abstand Λ eingeprägt, durch die die Lichtwellen reflektiert werden. Bei den Lichtwellenleitern 7, 8, 9 aus photonischen Kristallen mit Quarzglassubstrat wird das Bragg-Gitter 5 vorzugsweise durch Bestrahlung mit UV-Licht und einer Phasenmaske gebildet. Die durch diese Methoden bewirkten Störungen des Kernbrechungsindex n liegen normalerweise in der Größenordnung von einem Tausendstel oder darunter.
Die für die Fertigung von Bragg-Gittern 5 verwendeten Lichtleitfasern 2, 3, 4 haben in der Regel eine Schutzschicht 17 außerhalb des Mantels 16, die vorzugsweise aus einem Polymer besteht und für die eigentliche Lichtleitfunktion keine Bedeutung besitzt. Diese Schutzschicht 17 wird entfernt, bevor die Lichtleitfaser 2, 3, 4 zur Bildung des Bragg-Gitters 5 dem UV-Licht ausgesetzt wird. Nach der Bestrahlung kann der abgestreifte Teil der Lichtleitfaser 2, 3, 4 auch neu beschichtet werden, um ihre Haltbarkeit wieder herzustellen. Da die Lichtleitfasern 2, 3, 4 im vorliegenden Ausführungsbeispiel allerdings in den Führungskanälen 7, 8, 9 verlaufen und sowohl durch die Trägerfolie 6 als auch die Abdeckfolie 19 geschützt sind, ist in dem erfindungsgemäßen optischen Dehnungsmessstreifen 1 genügend mechanischer Schutz der Lichtleitfasern 2, 3, 4 gewährleistet.
Wenn dem Bragg-Gitter 5 ein breites Lichtspektrum als Eingangssignal zugeführt wird, durchdringen die meisten Wellenlängen den Gitterbereich und bilden ein transmittiertes Ausgangssignal. Die periodischen Störungen des Brechungsindexes n erzeugen aber bei Bestandteilen des Eingangssignals eine starke Bragg-Reflexion mit der Wellenlänge λ_B, der sogenannten Bragg-Wellenlänge, die sich nach der Formel λ_B = 2nΛ ergibt, wobei n der effektive Brechungsindex und Λ die Gitterperiode darstellen.
Mit einem Spektrometer oder einem sogenannten Fabry-Perot-Filter können die durch das Bragg-Gitter 5 reflektierten Lichtwellensignale detektiert werden. Dabei zeigt die ermittelte Wellenlänge λ, bei der ein Peak in Reflexion auftritt, einen Wert, der von der Gitterperiode Λ abhängig ist. Wenn eine Längsdehnung auf das Bragg-Gitter 5 wirkt, ändert sich der Abstand Λ, so dass sich die Bragg-Wellenlänge λ_B verschiebt. Die Bragg-Wellenlänge λ_B verhält sich dabei annähernd proportional zur Dehnung entlang der Längsachse der Lichtwellenleiter 2, 3, 4. Die Wellenlängenänderung Δλ_B ist also ein Maß für die in den Verformungskörper eingeleitete Kraft. Deshalb können derartige optische Dehnungsmessstreifen 1 ähnlich wie elektrische Dehnungsmessstreifen auf vorgesehene Verformungskörper vorzugsweise auch in Wägezellen, Drehmomentwellen oder anderen Kraftaufnehmern eingesetzt werden. Allerdings sind derartige optische Dehnungsmessstreifen 1 auch bei Belastungsversuchen beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt verwendbar, wo die optischen Dehnungsmessstreifen 1 dann direkt auf die belasteten Bauteile appliziert werden, wobei insbesondere die erfindungsgemäßen Rosetten zur Messung der unbekannten Krafteinleitungsrichtungen sinnvoll sind. Aber auch zur Überwachung des Betriebszustands belasteter Bauteile sind derartige optische Dehnungsmessstreifen 1 einsetzbar, die bei der Überschreitung einer vorgegebenen Grenzdehnung einen Ermüdungsschaden oder eine Rissbildung erfassen können.
Zur Erfassung der dehnungsabhängigen Belastung ist allerdings eine spezielle spektrale Auswerteeinheit mit beispielsweise einem Fabry-Perot-Filter vorgesehen, die schematisch in 3 der Zeichnung dargestellt ist. Diese Auswerteeinheit 21 enthält im Grunde eine Sende- 22 und Empfangseinheit 23 für Lichtwellenleiter 2, 3, 4, in der mittels der Auswerteeinheit 21 die vom Bragg-Gitter 5, 14 reflektierte Wellenlänge λ_B detektiert wird. Dabei wird zunächst im unbelasteten Zustand mittels einer vorzugsweise Infrarotlichtquelle als Sendeeinheit 22 ein breitbandiges Lichtsignal mit einer Wellenlänge λ von vorzugsweise ca. 1525 bis 1575 nm in die Lichtwellenleiter 2, 3, 4 eingespeist. Durch das Bragg-Gitter 5 wird nun aufgrund des Zusammenhangs λ_B = 2nΛ eine vorbestimmte Wellenlänge λ_B0 reflektiert, die über eine Umschalteinheit 24a in einem Koppler 24b von den abgestrahlten Lichtsignalen getrennt wird. Mit Hilfe eines nachfolgenden bekannten Fabry-Perot-Filters in der Empfangseinheit 23 oder einer anderen Spektrometereinheit können dann die reflektierten Lichtwellensignale mit einer Auflösung von 1 pm erfasst und als Referenzwert λ_B0 elektronisch gespeichert oder in einer Anzeigevorrichtung 25 angezeigt werden.
Tritt nun eine belastungsabhängige Dehnung am _ Verformungskörper auf, die über die applizierte Trägerfolie 6 eine Längenänderung des Lichtwellenleiters 2, 3, 4 bewirkt, so ändert sich über die Gitterperiode Λ auch die reflektierte Wellenlänge λ_B1 des Bragg-Gitters 5, die ebenfalls mit Hilfe des Fabry-Perot-Filters detektiert wird. Wird nun die Differenz aus der Referenz-Bragg-Gitterwellenlänge λ_B0–λ_B1 gebildet, so erhält man einen Wert, der der Dehnung bzw. der Belastungskraft proportional ist und der in der Anzeigevorrichtung 25 als Dehnung oder Kraft anzeigbar ist. Dabei werden bei der vorliegenden Rosette aus den drei nebeneinander im Winkel angeordneten Lichtleitfasern 2, 3, 4 alle drei Dehnungs- oder Kraftkomponenten separat ausgewertet und über deren bekannte Winkelposition wie bei elektrischen Dehnungsmessstreifenrosetten als Einzelkraftkomponenten oder als resultierende Kraft berechnet.
Allerdings ist eine derartige Dehnungs- oder Krafterfassung nur hinreichend genau, wenn die Umgebungstemperatur immer gleich bleibend konstant ist, da derartige Bragg-Gitter ihre reflektierte Wellenlänge λ_B auch proportional zur Umgebungstemperatur ändern. Deshalb kann man mit derartigen optischen Dehnungsmessstreifen 1 im Grunde ohne belastungsabhängige Dehnung auch die Temperatur T messen. Denn die Bragg-Wellenlänge λ_B shiftet als Funktion der Dehnung ε und der Temperatur T nach der Beziehung: ΔλB = KE × ε + KT × ΔT
Dabei entspricht:

K_E: = der Empfindlichkeitsfaktor der Dehnung;
ε: = die Dehnung;
K_T: = der Empfindlichkeitsfaktor der Temperatur, und
ΔT: = die Temperaturänderung.

Da man nach der obenstehenden Beziehung allerdings nicht zwischen der temperatur- und dehnungsbedingten Bragg-Wellenlängenänderung Δλ_B unterscheiden kann und eine gleich bleibende Temperaturkonstanz nicht immer einhaltbar ist, wird zusätzlich noch ein vierter optischer Wellenleiter 13 mit außerhalb des optischen Dehnungsmessstreifens 1 liegendem Bragg-Gitter 14 zur Temperaturkompensation vorgesehen. Durch dieses vierte Bragg-Gitter 14 wird deshalb eine weitere nur temperaturabhängige Wellenlängenänderung Δλ_BT (λ_BT = K_TΔT) mit Hilfe einer Empfangseinheit 26 detektiert, die in der Auswerteeinheit 21 von den dehnungs- und temperaturbedingten Wellenlängenänderungen Δλ_B die temperaturabhängige Wellenlängenänderung Δλ_BT durch ein Rechenglied 27 zur Temperaturkompensation subtrahiert wird. Dadurch erhält man einen sehr genauen Messwert der Dehnung oder Kraft, der unabhängig von der Temperatur des optischen Dehnungsmessstreifens 1 ist.
Der vierte optische Wellenleiter 13 könnte bei einem abgewandelten optischen Dehnungsmessstreifen 1 auch mit in die Trägerfolie 6 integriert werden. Dann müsste allerdings der zugeordnete Führungskanal 10 so bemessen sein, dass das Bragg-Gitter 14 lose einliegt, um Dehnungseinwirkungen auszuschließen. Eine derartige zusätzliche optische Lichtleitfaser mit einem Bragg-Gitter 14 zur Temperaturkompensation ist auch für lineare optische Dehnungsmessstreifen 1 mit nur einer geraden optischen Lichtleitfaser 3 vorgesehen. Dabei kann die zusätzliche Lichtleitfaser auch gleichzeitig zu einer reinen Temperaturmessung mitbenutzt werden. Des weiteren sind auch optische Dehnungsmessstreifen 1 ausbildbar, bei denen auf einer größeren Trägerfolienfläche gleichzeitig mehrere Rosetten oder mehrere lineare Lichtleitfasern angeordnet sind, die eine flächige Dehnungserfassung ermöglichen, um beispielsweise auch an komplizierten Bauteilen eine Analyse des Spannungsverlaufs zu ermitteln.

Claims

Optischer Dehnungsmessstreifen (1), der eine ebene Trägerschicht (6) enthält, auf der mindestens ein Lichtwellenleiter (2, 3, 4) kraftschlüssig angeordnet ist, der mindestens einen Abschnitt mit einem Bragg-Gitter (5) zur Erfassung der Dehnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht als dünne Trägerfolie (6) ausgebildet und in die der Lichtwellenleiter (2, 3, 4) innerhalb eines vorgegebenen Führungskanals (7, 8, 9) eingelassen ist.
Optischer Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (6) elastisch ist und aus Metall, Glas, Keramik oder einem harten Kunststoff besteht, in der mindestens ein linearer Führungskanal (8) ausgespart ist, dessen Querschnitt rund, eckig oder V-förmig ausgebildet ist und mindestens einen Durchmesser aufweist, der dem Durchmesser des Wellenleiterabschnitts (L) mit dem Bragg-Gitter (5) entspricht.
Optischer Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trägerfolie (6) drei Führungskanäle (2, 3, 4) vorgesehen sind, die in einem gemeinsamen Einführungsbereich (12) parallel beginnen, wobei der mittlere Führungskanal (8) danach linear weitergeführt ist, und die beiden angrenzenden Führungskanäle (7, 9) in einem Winkel von 45° bogenförmig abknicken und in einem linearen Bereich von mindestens der Länge L enden.
Optischer Dehnungsmessstreifen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter (2, 3, 4) als optisch leitfähige Glasfasern ausgebildet sind und zur Dehnungserfassung mit den Bragg-Gittern (5) in die Führungskanäle (7, 8, 9) kraftschlüssig eingepresst oder mit einem aushärtbaren Kleber befestigt sind.
Optischer Dehnungsmessstreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter (2, 3, 4) als optisch leitfähiger Kunststoff oder optisch leitfähiges Glas ausgebildet sind, dessen Brechungszahl höher als die Brechungszahl der Trägerfolie (6) ist und die fest in den oder die Führungskanäle (7, 8, 9) eingelassen sind und in ihren Endbereichen ein linear ausgerichtetes Bragg-Gitter (5) aufweisen.
Optischer Dehnungsmessstreifen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (6) von einer Deckschicht (19), die aus dem gleichen Material wie die Trägerschicht (6) besteht, abgedeckt ist.
Optischer Dehnungsmessstreifen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (6) quadratisch oder rechteckig ausgebildet und mit einer Abdeckfolie als Deckschicht (19) fest verbunden ist, die mindestens die Führungskanäle (7, 8, 9) mit den Lichtwellenleitern (2, 3, 4) und den Bragg-Gitterabschnitten (L) abdeckt.
Optischer Dehnungsmessstreifen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Lichtwellenleiter (2, 3, 4) zur Dehnungserfassung zusätzlich noch ein Lichtwellenleiter (13) mit einem Bragg-Gitter (14) zur Temperaturkompensation oder Temperaturerfassung vorgesehen ist, dessen Bragg-Gitter-Abschnitt dehnungsunabhängig an oder in der Trägerfolie (6) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Dehnungsmessstreifens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in die auf eine vorgesehene Fläche ausgeschnittene Trägerfolie (6) mindestens ein Führungskanal (7, 8, 9) durch ein Ätz- oder mechanisches materialabtragendes Fertigungsverfahren eingearbeitet wird, in dem mindestens ein Lichtwellenleiter (2, 3, 4) mit eingeprägtem Bragg-Gitter (5) kraft- und formschlüssig befestigt oder eingegossen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (6) oder mindestens die Führungskanäle (7, 8, 9) mit einer Deckschicht (19) abgedeckt werden.