DE102007048817B4 - Sensor for measuring voltages in a substrate - Google Patents
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Abstract
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, wobei ein ausgehärteter Kleber (6) die optische Glasfaser (2) symmetrisch ummantelt.Sensor (1) for measuring voltages in a substrate (4), comprising at least one optical glass fiber (2) having at least one Bragg grating in the fiber core (3), said optical glass fiber (2) surrounded by a primary coating (7) is, characterized in that the sensor (1) on the side facing away from the substrate (4) has a film (5) and the optical glass fiber (2) without additional contact layers directly on the substrate (4) is glued, wherein a cured adhesive (6) the optical glass fiber (2) sheathed symmetrically.
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.The invention relates to a sensor for measuring voltages in a substrate, comprising at least one optical glass fiber, which has at least one Bragg grating in the fiber core, wherein the optical glass fiber is surrounded by a primary coating.
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.It is known to measure the elongation of a substrate by means of so-called strain gauges (DMS). However, this technique is very susceptible to electromagnetic interference. In addition, these strain gages are unsuitable for integration in composite materials for structural health monitoring. To remedy this situation, sensors based on optical fibers were designed.
Ein derartiger Sensor ist aus dem Stand der Technik bekannt. Dieser ist in
Die optische Glasfaser
Wie eingangs bereits ausgeführt worden ist, sieht man anhand von
Es wird in der Regel eine Teflonfolie als Folie
In vielen Fällen kann bei dieser Vorgehensweise das im Faserkern
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.In another known sensor, the glass fiber with the Bragg grating is sandwiched between two films and then we glued the assembly to a substrate.
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.A drawback of this prior art is that when the foils are bonded, the optical glass fiber does not abut the substrate, since the lower foil is located between the two elements. This arrangement has the consequence that a transfer of a voltage from the substrate into the optical glass fiber must take place via the lower film. This usually leads to erroneous measurements.
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.
- 1, marking the position of the sensor.
- 2, Clean remaining dirt with a soft detergent.
- 3, Mechanical abrasion of the bonding area.
- 4, cleaning pollution with compressed air or brush.
- 5, Thorough cleaning of the joint area using acetone or equivalent cleaning agent.
- 6, Full air drying of the bonding area.
- 7, Initial adhesive preparation by mixing ingredients (Resin Catalyst).
- Figure 8, Applying a thin adhesive layer over the bonding area and the patch sensor.
- 9, placing the patch sensor over the connect area.
- 10, pressing the sensor.
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.The wavelength of a commercially available "optical interrogator", which consists of a maximum of 128 sensors per channel, is in the nanometer range. This "optical interrogator" is used for data collection. He can create a 100 Hz sample frequency.
Aus der
Auch die
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.The invention has for its object to design the sensor of the type mentioned above such that during the voltage measurement in a substrate, the erroneous measurements described above are avoided or minimized.
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.The solution of this object is achieved by a sensor having the features of
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.With the solution according to the invention in contrast to the known sensor no film needed to avoid sticking of the skin and thus a low-viscosity adhesive, the optical glass fiber is not completely wetted. In the solution according to the invention, after the bonding process, the optical glass fiber contacts the substrate. Thus, erroneous measurements are minimized because a direct transfer of the voltage from the substrate into the optical glass fiber is made possible here and does not have to take place via an additional film, as in the case of the known sensor. This protective film protects the sensor assembly from contamination and is removed before placing the sensor on the substrate. The Teflon film used for the patch production remains after hardening of the adhesive strip on its side facing the substrate and thus provides until the final application protection for the fiber from external influences, such as dirt, grease, mechanical stress, 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.An advantageous embodiment of the sensor according to the invention is that the adhesive strip envelops the optical fiber symmetrically. This leads to a particularly stable construction of the sensor. In the presence of more than one optical fiber, redundancy effects arise because the optical fibers in the tape stabilize each other at appropriate intervals.
Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße Sensor im Bereich von 1520 bis 1570 nm betrieben, wobei hier der Aufbau des Sensors nicht der limitierende Faktor ist.Preferably, the sensor according to the invention is operated in the range of 1520 to 1570 nm, in which case the structure of the sensor is not the limiting factor.
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.A further advantageous embodiment of the invention provides that a plurality of glass fibers with inscribed Bragg gratings are arranged parallel to one another in a sensor. As a result, an advantageous redundancy is created, d. H. in case of failure of a glass fiber can still be made a meaningful measurement.
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.A further advantageous embodiment of the invention provides that the glass fibers have different Bragg gratings, d. H. have different refractive indices. As a result, the measurements can be made with different wavelengths.
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.Finally, the use of a sensor according to the invention for measuring stresses in aircraft components, in particular in structural components, is particularly advantageous. The sensors can also be used for long-term measurements in regular flight operations. In this case, takes the place of the substrate described above, either a part of the surface or hull planking or corresponding carrier in the interior of the aircraft.
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.The invention will be described in more detail below with reference to a preferred embodiment with the aid of the attached figures. Therefore, the figures are purely schematic. Identical or similar components are designated by the same reference numerals.
Nachfolgend sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.Hereinafter, the same or similar components are designated by the same reference numerals.
Der Sensor
Die optische Glasfaser
Das Einschreiben des Bragg-Gitters in den Faserkern
Um bei der mechanischen Spannungsmessung in dem Substrat
Wie in
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.The invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiment. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the claimed in the claims solution even in other types.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Sensorsensor
- 22
- optische Glasfaseroptical fiber
- 33
- Faserkernfiber core
- 44
- Substratsubstratum
- 55
- Foliefoil
- 66
- Ausgehärteter KleberCured adhesive
- 77
- Primärcoatingprimary coating
- 88th
- KleberGlue
- 99
- Schutzfolieprotector
- 1010
- Verbindungskleberbonding adhesive
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Legal Events
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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R020 | Patent grant now final |