DE102007048817A1

DE102007048817A1 - Sensor zum Messen von Spannungen in einem Substrat

Info

Publication number: DE102007048817A1
Application number: DE102007048817A
Authority: DE
Inventors: Peter Paul Dr. Deimel; Anja-Simone Dreher; Marina Englmaier
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2027-10-11
Also published as: DE102007048817B4; WO2009049733A1

Abstract

Die Erfindung befasst sich mit einem Sensor (1) zum Messen von Spannungen in einem Substrat (4), mit zumindest einer optischen Glasfaser (2), die zumindest ein Bragg Gitter im Faserkern (3) aufweist, wobei die optische Glasfaser (2) von einem Primärcoating (7) umgeben ist, wobei der Sensor (1) an der dem Substrat (4) abgewandten Seite eine Folie (5) aufweist und die optische Glasfaser (2) ohne zusätzliche Kontaktschicht direkt auf dem Substrat (4) aufgeklebt ist. Der beschriebene Sensor (1) hat zum einen den Vorteil, dass hierbei, im Gegensatz zum bekannten Sensor, keine Folie benötigt wird, um eine Verklebung der Haut zu vermeiden. Zum anderen berührt, nach einem Klebeprozess, die optische Glasfaser (2) das Substrat (4). Somit werden fehlerhafte Messungen minimiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Messen von Spannungen in einem Substrat, mit zumindest einer optischen Glasfaser, die zumindest ein Bragg Gitter im Faserkern aufweist, wobei die optische Glasfaser von einem Primärcoating umgeben ist.
Bekannt ist, die Dehnung eines Substrats mittels so genannter Dehnungsmessstreifen (DMS) zu messen. Diese Technik ist jedoch sehr anfällig gegenüber elektromagnetischen Störungen. Außerdem sind diese DMS für eine Integration in Verbundwerkstoffen zum so genannten structural health monitoring ungeeignet. Um hier Abhilfe zu schaffen, wurden Sensoren auf Basis optischer Glasfasern entworfen.
Ein derartiger Sensor ist aus dem Stand der Technik bekannt. Dieser ist in 2 beispielhaft schematisch dargestellt. Danach besteht die Vorrichtung aus einer optischen Glasfaser 2 mit eingebrannten Bragg Gittern im Faserkern 3, einer Folie 5 und einem Kleber 8. Die Folie 5 besteht in der Regel aus verschiedenen organischen Materialien und bedeckt die optische Glasfaser 2. Der Sensor ist auf einem Substrat 4 befestigt.
Die optische Glasfaser 2 wird mit dem Kleber 8 auf das Substrat 4 geklebt, um somit Spannungen in Substrat 4 zu messen. Die Vorgehensweise ist hier wie folgt. Zuerst wird der Kleber 8 auf das Substrat 4 aufgetragen. Als nächstes wird die optische Glasfaser 2 mit Hilfe der Folie 5 auf das Substrat 4 gepresst. Nachdem nach einigen Minuten der Kleber 8 ausgehärtet ist, wird die Folie 5 entfernt.
Wie eingangs bereits ausgeführt worden ist, sieht man anhand von 2, dass die Vorrichtung nach dem Entfernen der Folie 5 aus einer optischen Glasfaser 2 mit Bragg Gittern im Faserkern 3 besteht, einem Substrat 4 und einem Kleber 8.
Es wird in der Regel eine Teflonfolie als Folie 5 bei der Herstellung des Sensors verwendet, um eine Verklebung mit der menschlichen Haut zu vermeiden und damit bei Verwendung eines dünnflüssigen Klebers 8, die optische Glasfaser 2 nicht gänzlich benetzt wird.
In vielen Fällen kann bei dieser Vorgehensweise das im Faserkern 3 eingeschriebene Bragg Gitter nicht genau in der Mitte des Klebers 8 justiert werden.
Bei einem weiteren bekannten Sensor wird die Glasfaser mit dem Bragg Gitter zwischen zwei Folien sandwichartig eingeklebt und anschließend wir die Anordnung auf einen Substrat aufgeklebt.
Ein Nachteil dieser Stand der Technik besteht darin, dass beim Kleben der Folien die optische Glasfaser nicht an dem Substrat anliegt, da sich die untere Folie zwischen den beiden Elementen befindet. Diese Anordnung hat zur Folge, dass eine Übertragung einer Spannung aus dem Substrat in die optische Glasfaser über die untere Folie erfolgen muss. Das führt in der Regel zu fehlerhaften Messungen.
In der Regel ist die Folie als „Patch" ausgebildet. Der „Patch-Sensor-Verbindungs"-Prozess beinhaltet folgende Schritte:

1, Markieren der Position des Sensors.
2, Reinigen von zurückbleibenden Verschmutzungen mit einem weichen Putzmittel.
3, Mechanische Abrasion des Verbinde-Bereichs.
4, Reinigen von Verschmutzung mit zusammengepresster Luft oder mit Pinsel.
5, Gründliches Reinigen des Verbinde-Bereichs mit Hilfe von Azeton oder gleichwertigen Reinigungsagenten.
6, Volles Lufttrocknen des Verbinde-Bereichs.
7, Anfängliche adhäsive Vorbereitung durch das Vermischen von Zutaten (Resin-Catalyst).
8, Anwenden einer dünnen adhäsiven Schicht über dem Verbinde-Bereich und dem Patch-Sensor.
9, Anordnen des Patch-Sensors über dem Verbinde-Bereich.
10, Andrücken des Sensors.

Die Wellenlänge eines handelsüblichen „Optischen Interrogators", welcher aus maximal 128 Sensoren je Kanal besteht, liegt im Nanometerbereich. Dieser „Optische Interrogator" wird zum Datensammeln verwendet. Er kann eine 100 Hz-Beispiel-Frequenz anlegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Sensor der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass bei der Spannungsmessung in einem Substrat, die oben beschriebenen fehlerhaften Messungen vermieden bzw. minimiert werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Sensor zum Messen von Spannungen in einem Substrat, mit zumindest einer optischen Glasfaser, die zumindest ein Bragg Gitter im Faserkern aufweist, wobei die optische Glasfaser von einem Primärcoating umgeben ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor an der dem Substrat abgewandten Seite eine Folie aufweist und die optische Glasfaser ohne zusätzliche Kontaktschicht direkt auf dem Substrat aufgeklebt ist.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung im Gegensatz zum bekannten Sensor keine Folie benötigt, um eine Verklebung der Haut zu vermeiden und damit ein dünnflüssiger Kleber die optische Glasfaser nicht gänzlich benetzt. Bei der erfindungsgemäßen Lösung berührt, nach dem Klebeprozess, die optische Glasfaser das Substrat. Somit werden fehlerhafte Messungen minimiert, da hier eine direkte Übertragung der Spannung aus dem Substrat in die optische Glasfaser ermöglicht wird und nicht über eine zusätzliche Folie erfolgen muss, wie beim bekannten Sensor. Diese Schutzfolie schützt die Sensoranordnung vor Verunreinigungen und wird vor dem Auflegen des Sensors auf das Substrat abgezogen. Die für die Patchherstellung verwendete Teflonfolie verbleibt nach Aushärtung des Klebestreifens an dessen, zum Substrat zugewandten Seite und bietet somit bis zur endgültigen Anwendung einen Schutz für die Faser vor äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Schmutz, Fett, mechanischer Beanspruchung, etc.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors besteht darin, dass der Klebestreifen die optische Glasfaser symmetrisch ummantelt. Das führt zu einem besonders stabilen Aufbau des Sensors. Beim Vorhandensein von mehr als einer optischen Glasfaser, entstehen Redundanzeffekte, weil sich die optischen Glasfasern im Klebestreifen, in geeigneten Abständen, gegenseitig stabilisieren.
Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße Sensor im Bereich von 1520 bis 1570 nm betrieben, wobei hier der Aufbau des Sensors nicht der limitierende Faktor ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass mehrere Glasfasern mit eingeschriebenen Bragg Gittern parallel zueinander in einem Sensor angeordnet sind. Hierdurch wird eine vorteilhafte Redundanz geschaffen, d. h. bei Ausfall einer Glasfaser kann dennoch eine aussagekräftige Messung erfolgen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Glasfasern unterschiedliche Bragg Gitter aufweisen, d. h. unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Hierdurch können die Messungen mit unterschiedlichen Wellenlängen erfolgen.
Schließlich ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors zum Messen von Spannungen in Flugzeugbauteilen, insbesondere in Strukturbauteilen besonders vorteilhaft. Die Sensoren lassen sich hier auch für Langzeitmessungen im regulären Flugbetrieb einsetzen. Dabei tritt an die Stelle des oben beschriebenen Substrats entweder ein Teil der Flächen- oder Rumpfbeplankung oder entsprechende Träger im Inneren des Flugzeugs.
Die Erfindung wird anschließend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Hilfe der beigefügten Figuren noch näher beschrieben. Daher sind die Figuren rein schematisch. Gleiche oder ähnliche Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1a und 1b zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensor;
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Sensors gemäß dem Stand der Technik.
Nachfolgend sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1a zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors 1 im montierten Zustand. 1b zeigt den gleichen Sensor 1 wie in 1a, jedoch vor dem Aufbringen auf ein Substrat 4.
Der Sensor 1, welcher zum Messen von Spannungen an einem Substrat 4 verwendet wird, weist eine optischen Glasfaser 2 auf, die ein eingeschriebenen Bragg Gitter im Faserkern 3 aufweist. Die optische Glasfaser 2 wird von einem Primärcoating 7 umgeben.
Die optische Glasfaser 2 bestehen aus einem Faserkern 3, einem Mantel und einer Beschichtung, dem so genannten Primärcoating 7. Der lichtführende Faserkern 3 dient zum Übertragen eines Signals. Der Mantel ist auch lichtführend, hat jedoch eine niedrigere Brechzahl als der Kern. Der Mantel bewirkt dadurch eine Totalreflexion und somit eine Führung der Strahlung im Faserkern 3 der Glasfaser 2. Das Primärcoating 7 der Glasfaser 2 besteht aus einem weichen Kunststoff und ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen 150 und 500 μm dick.
Das Einschreiben des Bragg-Gitters in den Faserkern 3 der Glasfaser 2 erfolgt an einer definierten Stelle mittels UV-Laserstrahlung. Das in den Faserkern 3 integrierte Bragg-Gitter hat die Eigenschaft, Licht einer bestimmten Wellenlänge, die durch die Gitterparameter festgelegt ist, zu reflektieren. Die Bragg-Refelexionswellenlänge ist empfindlich gegenüber Temperatur und Dehnung am Gitterort und dient daher zur Messung dieser Größen.
Um bei der mechanischen Spannungsmessung in dem Substrat 4, die bei den bekannten Sensoren gemäß Stand der Technik auftretenden fehlerhaften Messungen zu vermeiden bzw. zu minimieren, weist der erfindungsgemäße Sensor 1 an der dem Substrat 4 abgewandten Seite eine Folie 5 auf, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Kaptonfolie ausgebildet ist. Die optische Glasfaser 2 ist mit einem aus ausgehärtetem Kleber 6 gebildeten Klebestreifen an der Folie 5 stabilisiert, um somit ohne zusätzliche Kontaktschicht auf dem Substrat 4 anliegen zu können. Die verschiebefreie Verbindung zwischen dem Sensor 1 und dem Substrat 4 erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine dünne Schicht Verbindungskleber 10, die an der Messstelle auf das Substrat aufgebracht wird.
Wie in 1b gezeigt, ist der ausgehärtete Kleber 6 des Sensors 1 über eine leichtlösbare Klebeverbindung mit einer Schutzfolie 9 verklebt. Die Schutzfolie 9 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Teflonfolie ausgeführt. Vor dem Aufbringen des Sensors 1 auf das Substrat 4 kann diese Schutzfolie 9 von der dem Substrat 4 zugewandten Seite des Sensors 1 abgezogen werden. Diese Schutzfolie 9 schützt die Faser vor äußeren Einflüssen, wie Schmutz, Fett und anderen störenden Verunreinigungen, und erspart eine zusätzliche Reinigung der Patchfläche vor dem Anbringen.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der in den Patentansprüchen beanspruchten Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

1: Sensor
2: optische Glasfaser
3: Faserkern
4: Substrat
5: Folie
6: Ausgehärteter Kleber
7: Primärcoating
8: Kleber
9: Schutzfolie
10: Verbindungskleber

Claims

Sensor (1) zum Messen von Spannungen in einem Substrat (4), mit zumindest einer optischen Glasfaser (2), die zumindest ein Bragg Gitter im Faserkern (3) aufweist, wobei die optische Glasfaser (2) von einem Primärcoating (7) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) an der dem Substrat (4) abgewandten Seite eine Folie (5) aufweist und die optische Glasfaser (2) ohne zusätzliche Kontaktschichten direkt auf dem Substrat (4) aufgeklebt ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei ein ausgehärteter Kleber (6) die optische Glasfaser (2) symmetrisch ummantelt.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sensor (1) mit eingebranntem Bragg Gitter im Bereich von 1520 bis 1570 nm betrieben wird.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mehrere Glasfasern (2) mit eingebranntem Bragg Gitter parallel zueinander in einem Sensoren (1) angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 4, wobei die Glasfasern (2) unterschiedliche Bragg Gitter aufweisen.
Verwendung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Messen von Spannungen in Flugzeugbauteilen, insbesondere in Strukturbauteilen.