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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dehnungssensor mit einer optischen Faser, die ein Faser-Bragg-Gitter aufweist, nachfolgend FBG-Dehnungssensor genannt.
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Die Verwendung von FBG-Dehnungssensoren zur Erfassung von Materialdehnungen oder Dehnungen einer Materialoberfläche ist hinreichend bekannt. Derartige Sensoren werden seit mehreren Jahrzehnten entwickelt und auch in der Patentliteratur beschrieben, wie z. B. in dem Dokument
US-PS 47 61 073 , in welchem die wesentlichen physikalischen Zusammenhänge dieses Messprinzips dargelegt sind.
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Es ist eine ständige Aufgabe bei der Entwicklung von FBG-Dehnungssensoren, deren Messgenauigkeit zu erhöhen. Weiterhin ist es eine Aufgabe bei der Entwicklung von FBG-Dehnungssensoren, den Einfluss von Störgrößen und die Herstellungskosten gering zu halten. Es gibt jedoch noch weitere Anforderungen an FBG-Dehnungssensoren. Um die Dehnungen auf Materialoberflächen oder im Material zu erfassen, ist es meist vorteilhaft, wenn sich die FBG-Dehnungssensoren möglichst unkompliziert applizieren lassen. Um dieser Forderung gerecht zu werden, wurden verschiedene Applikationstechniken entwickelt. In dem Dokument
WO 2009/049733 A1 sind die vielfältigen Probleme, die bei der Befestigung der sehr dünnen FBG-Dehnungssensoren auf einer Materialoberfläche auftreten können, beschrieben. Insbesondere entstehen Messfehler durch inhomogene Dehnungen oder durch Querkräfte, die bei unsachgemäßer Applikation der FBG-Dehnungssensoren auf diese einwirken können. Um die Handhabbarkeit der dünnen optischen Faser mit dem FBG-Dehnungssensor während der Applikation auf die zu untersuchende Materialoberfläche zu verbessern, wurde der FBG-Dehnungssensor in einen weichen Kunststoff eingebettet. Ein derartiger Messstreifen ist in den Dokumenten
JP 2003 279760 A und
WO 2008/ 101657 A1 beschrieben. Diese Messstreifen sind für die Praxis bereits gut geeignet. Es wurde jedoch festgestellt, dass diese Konstruktionen bei Dehnungsmessungen innerhalb von Druckbehältern größere Messfehler aufweisen als bei normalem atmosphärischem Druck. Die Ursache dafür sind die sich verändernden mechanischen Eigenschaften des weichen Kunststoffs bei unterschiedlichen Gasdrücken. Dieser Effekt wird durch Oberflächenkrümmungen verstärkt.
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Insofern besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen FBG-Dehnungssensor bereitzustellen, der mit geringem Fertigungsaufwand herstellbar und auch für den Einsatz im Überdruckbereich und auf gekrümmten Oberflächen geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird mit einem FBG-Sensor nach Anspruch 1 gelöst, der wenigstens eine optische Faser 1 mit einem Außendurchmesser d von 0,01 mm bis 0,9 mm aufweist, welche an wenigstens einem vorbestimmten Abschnitt ein Bragg-Gitter 2 mit einer Länge l von 2 mm bis 20 mm aufweist, wobei der das Bragg-Gitter 2 aufweisende Faserabschnitt, mit einer segmentierten Umhüllung 3 ummantelt ist, in welcher der Faserabschnitt gleiten kann, wobei die segmentierte Umhüllung 3
- – eine Länge L von 3 mm bis 50 mm,
- – einen Außendurchmesser D1 von 0,2 mm bis 1,9,
- – einen Innendurchmesser D2 von 0,1 mm bis 1,3 mm aufweist und
- – nachfolgende Bedingungen gelten:
L/l = 0,7 bis 9,0;
D1/d = 1,3 bis 110 und
D2/d = 1,01 bis 2,0.
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Unter einer segmentierten Umhüllung wird eine Umhüllung verstanden, die aus einzelnen Segmenten besteht. Die Segmente können miteinander verbunden sein, wie z. B. bei einer Schraubenfeder. Die Segmente können auch aus einzelnen Ringen bestehen, die nicht untereinander verbunden sind.
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Die segmentierte Umhüllung weist zwei wesentliche Eigenschaften auf: Die segmentierte Umhüllung ist starr gegenüber Kräften, die radial von außen wirken, und flexibel gegenüber Krümmungen und Dehnung in axialer Richtung. Zuerst wird die Wirkung gegenüber radial angreifenden Kräften erläutert:
Nach dem Aufkleben des FBG-Sensors auf die Oberfläche eines zu überwachenden Materials wird die Applikationsstelle in den meisten Fällen abgedeckt, um sie vor mechanischen Beschädigungen zu schützen. Zum Abdecken wird überwiegend ein elastisches Material verwendet. Wenn diese Applikation einem Gasdruck ausgesetzt wird, der höher ist als der atmosphärische Druck, wirkt der Überdruck auf die Abdeckung. Da die Abdeckung hermetisch dicht ist, kann kein Druckausgleich erfolgen. Demzufolge wird vom Überdruck eine auf die Applikation wirkende Kraft ausgeübt, welche bei einem nicht umhüllten FBG-Sensor zu erheblichen Verfälschungen des Messsignals führen würde. Diese Kraft wird jedoch von den in radialer Richtung starren Segmenten der Umhüllung aufgenommen. Somit ist das FBG dieser Druckkraft nicht ausgesetzt.
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Die segmentierte Umhüllung ist jedoch in axialer Richtung, d. h. entlang der Faser leicht biegbar. Diese Eigenschaft ist entscheidend dafür, dass der FBG-Sensor auch an gekrümmten Oberflächen appliziert werden kann. Eine Umhüllung in Form eines starren Röhrchens aus einem festen Material wie z. B. Metall wäre für die Applikation auf eine gekrümmte Oberfläche nicht geeignet. Ein solches Röhrchen kann sich der gekrümmten Oberfläche des zu untersuchenden Materials nicht anpassen. In diesem Zusammenhang sei auch erwähnt, dass ein Röhrchen aus einem flexiblen Kunststoff ebenfalls nicht geeignet ist, da dieses bei einem Überdruck zusammengedrückt und somit das FBG radial belasten würde, was zwangsläufig zu Messwertverfälschungen führt.
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Somit löst die segmentierte Umhüllung die Aufgabe, einerseits unter Überdruck und andererseits auf einer gekrümmten Applikationsfläche das FBG vor Querkräften zu schützen. Diese Aufgabe könnte weder mit einem weichen elastischen Röhrchen noch mit einem starren Röhrchen gelöst werden.
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Insofern wird mit der vorliegenden Erfindung ein FBG-Dehnungssensor bereitgestellt, der mit geringem Fertigungsaufwand herstellbar und sowohl für den Einsatz im Überdruckbereich als auch für gekrümmte Oberflächen geeignet ist.
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Nach Anspruch 2 ist die segmentierte Umhüllung eine Schraubenfeder. Der Vorteil dieser Ausführungsform der Umhüllung besteht darin, dass Schraubenfedern sich kostengünstig herstellen lassen, weil es dafür bereits hoch entwickelte Fertigungsverfahren gibt.
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Nach Anspruch 3 ist die Schraubenfeder aus einem Kunststoff hergestellt, der einen geringen Reibungskoeffizienten hat und somit die Faser gut in der Schraubenfeder gleiten lässt. Mit dieser Ausführungsform kann die Messgenauigkeit weiter gesteigert werden.
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Nach Anspruch 4 ist die Schraubenfeder aus Stahl gefertigt, wobei die Schraubenfeder wenigstens am Innenumfang mit einem Kunststoff beschichtet ist, der einen geringen Reibungskoeffizienten hat und die Faser gut in der Schraubenfeder gleiten lässt. Mit dieser Ausführungsform kann die Messgenauigkeit ebenfalls weiter gesteigert werden.
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Nach Anspruch 5 ist die Schraubenfeder aus Flachmaterial gefertigt. Dadurch vergrößert sich die Auflagefläche für die Faser. Unter speziellen Bedingungen kann eine größere Auflagefläche zu besseren Messergebnissen führen.
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Nach Anspruch 6 ist die segmentierte Umhüllung 3 ein radial vielfach geschlitztes Röhrchen, wobei die Schlitze eine Tiefe größer als 0,5 × des Außendurchmessers der Umhüllung haben und zueinander versetzt sind. Eine derartige Umhüllung kann durch Variation der Wandstärke sowie der Breite, Tiefe und Anzahl der Schlitze unterschiedlichen messtechnischen Erforderungen angepasst werden. Der Vorteil dieser Ausführungsform der Umhüllung besteht auch darin, dass das Röhrchen aus Materialien gefertigt werden kann, die nicht zur Herstellung von Schraubenfedern geeignet sind.
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Nach Anspruch 7 besteht die segmentierte Umhüllung 3 aus einer Vielzahl von Einzelringen. Da die Einzelringe mechanisch nicht miteinander verbunden sind, ist diese Ausführungsform für die Applikation auf besonders stark gekrümmten Oberflächen geeignet.
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Nach Anspruch 8 ist die segmentierte Umhüllung 3 ein Kunststoffröhrchen, dessen Wand harte und weiche Materialzonen aufweist. Die harten Materialzonen werden z. B. mit Hilfe von energiereichen Strahlen erzeugt. Die Technologie des Kunststoffhärtens ist dem Fachmann für Kunststofftechnologie bekannt. Eine derartige Umhüllung kann durch Variation der Breite und der Form der gehärteten Materialzonen an unterschiedliche messtechnische Erfordernisse angepasst werden. Es ist zu betonen, dass die Bestrahlungstechnologie eine sehr präzise Bearbeitung des Kunststoffs ermöglicht, sodass segmentierte Umhüllungen mit ganz speziellen räumlich verteilten Festigkeitseigenschaften herstellbar sind.
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Nach Anspruch 9 ist die Faser mit der segmentierten Umhüllung in einem elastischen Kunststoff eingebettet. Dieser Kunststoff wirkt einerseits als Klebstoff zum Fixieren der Faser auf der zu untersuchenden Werkstoffoberfläche und andererseits als Schutz des FBG vor Beschädigung durch mechanische Berührung.
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Nach Anspruch 10 ist der FBG-Dehnungssensor als Messstreifen ausgebildet, wobei der FBG-Dehnungssensor in ein Trägerelement aus einem elastischen Kunststoff eingebettet ist und je ein Fixierelement am vorderen und am hinteren Endabschnitt der segmentierten Umhüllung vorgesehen ist. Diese Fixierelemente sind wenigstens mit der Faser fest verbunden und werden mit der zu untersuchenden Materialplatte verklebt. Mit dieser Ausführungsform wird ein gut handhabbarer FBG-Dehnungssensor bereitgestellt.
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Nach Anspruch 11 ist eine Vielzahl von FBG-Dehnungssensoren auf oder in einem Flächengebilde angeordnet. Ein Flächengebilde kann z. B. eine Kunststofffolie sein, auf der die optische Faser verlegt ist. Das Flächengebilde kann z. B. mit geringem Aufwand auf eine Wand aufgeklebt werden, deren Oberflächendehnungen an vielen Stellen punktuell überwacht werden soll. Ein solches Flächengebilde wird verwendet, wenn eine Vielzahl von Messstellen zu überwachen ist, denn das Applizieren ist schneller möglich als das bei Verwendung der gleichen Anzahl an Einzelsensoren.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen in Verbindung mit schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt eine allgemeine Ausführungsform eines FBG-Dehnungssensors mit einer segmentierten Umhüllung.
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2 zeigt eine Ausführungsform eines FBG-Dehnungssensors mit einer Schraubenfeder.
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3 zeigt eine Ausführungsform eines FBG-Dehnungssensors mit einer segmentierten Umhüllung aus Einzelsegmenten.
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4 zeigt eine Ausführungsform eines FBG-Dehnungssensors mit einem geschlitzten Röhrchen.
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5 zeigt eine Ausführungsform eines FBG-Dehnungssensors mit einer Schraubenfeder aus Flachmaterial.
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6a, b zeigen schematisch eine Applikation eines FBG-Dehnungssensors auf einem Untergrund.
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7 zeigt schematisch die Ansicht einer Ausführungsform des FBG-Dehnungssensors als Messstreifen.
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8 zeigt schematisch die Ansicht einer Kunststoffmatte mit mehreren FBG-Dehnungssensoren für eine Dehnungsrichtung.
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9 zeigt schematisch die Ansicht einer Kunststoffmatte mit mehreren FBG-Dehnungssensoren für zwei Dehnungsrichtungen.
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10a, b zeigen zwei Messdiagramme, wobei die 10a ein gestörtes und die 10b ein ungestörtes Messsignal zeigt.
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Die 1 zeigt eine stark vergrößerte perspektivische und aufgebrochene Darstellung des FBG-Dehnungssensors in Verbindung mit den verschiedenen Längen und Durchmessern eines FBG-Dehnungssensors mit einer Faser 1 und einem FBG 2. Der Faserabschnitt mit dem FBG 2 ist mit einer segmentierten Umhüllung 3 ummantelt. Die Faser 1 hat einen Außendurchmesser d von 0,3 mm und das FBG 2 eine Länge l von 10 mm. Die segmentierte Umhüllung 3 ist ein Kunststoffröhrchen, welches wechselweise weiche und harte Segmente 3a, 3b aufweist. Es hat eine Länge L von 15 mm, einen Außendurchmesser D1 von 0,8 mm und einen Innendurchmesser D2 von 0,4 mm.
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Die 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des FBG-Dehnungssensors mit einer Schraubenfeder 2 als segmentierte Umhüllung, deren Windungen aneinander liegen. Es ist jedoch auch möglich, Schraubenfedern zu verwenden, deren Windungen beabstandet sind.
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Die 3 zeigt eine dritte Ausführungsform des FBG-Dehnungssensors mit einer segmentierten Umhüllung aus Einzelsegmenten. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Einzelsegmente aus unterschiedlichen Materialien bestehen können, sodass je nach messtechnischen Anforderungen die Materialien ausgewählt und die Einzelsegmente kombiniert werden können.
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Die 4 zeigt eine vierte Ausführungsform des FBG-Dehnungssensors mit einem geschlitzten Röhrchen als segmentierte Umhüllung. Diese Röhrchen sind sehr steif in radialer Richtung und daher für höhere Drücke geeignet.
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Die 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform des FBG-Dehnungssensors mit einer segmentierten Umhüllung, wobei eine Schraubenfeder aus Flachmaterial gefertigt ist. Dadurch vergrößert sich die Auflagefläche für die Faser. Unter speziellen Bedingungen kann eine größere Auflagefläche zu besseren Messergebnissen führen.
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Die 6a, b zeigen schematisch Ansichten einer Applikation eines FBG-Dehnungssensors, der in einem Klebstoff 4a eingebettet ist, wobei 5a eine perspektivische Draufsicht und 5b eine Schnittdarstellung entlang der Ebene S-S zeigt. Mit Bezugszeichen 5 ist eine Materialplatte bezeichnet, deren Dehnung zu messen ist. Der FBG-Dehnungssensor wird mittels des Klebstoffs 4a mit der Materialplatte 5 fest verbunden.
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Die 7 zeigt als weitere Ausführungsform einen Messstreifen. Dabei handelt es sich um ein Bauelement, bei dem die Faser 1 bereits in einen elastischen Kunststoff 4 eingebettet ist. Mit Bezugszeichen 6 sind Fixierelemente bezeichnet. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein mit einem Kunststoff getränktes Glasfaservlies verwendet. Es können jedoch auch andere Materialien verwendet werden, wenn sich diese Materialien mit der Faser und dem Untergrund gut verkleben lassen, sodass die Dehnung einer Materialplatte 5 möglichst fehlerfrei auf den Messstreifen übertragen wird. Dadurch wird der gleiche Effekt erzielt wie bei der Applikation nach 3. Der Vorteil des Messstreifens nach 7 ist die wesentlich leichtere Handhabbarkeit gegenüber der Ausführungsform nach 3. Es ist erkennbar, dass das FBG nahe an der Oberfläche der Materialplatte 5 angeordnet ist, um Messfehler gering zu halten.
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Die 8 und 9 zeigen eine Kunststoffmatte 7 mit einer Vielzahl darin eingebetteter FBG-Dehnungssensoren. Diese Vorrichtung eignet sich zur lokalen Erfassung von Dehnungen über einen größeren Bereich. Die Kunststoffmatte 7 wird zuerst mit der erforderlichen Anzahl von FBG-Elementen bestückt, oder es wird eine Ausführungsform nach Anspruch 3 und 4 verlegt. Wenn die FBG definiert auf der Kunststoffmatte 7 fixiert sind, wird die Kunststoffmatte 7 auf die zu untersuchende Fläche aufgeklebt. Vorzugsweise wird jedoch die Kunststoffmatte 7 mit einer zweiten Kunststoffmatte verklebt, sodass die FBG-Elemente dazwischen eingebettet und geschützt sind.
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Der besondere Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die FBG-Sensoren in einem genauen Raster auf der Kunststoffmatte angeordnet sind. Wenn die Matte z. B. auf der Wand eines Druckkessels aufgeklebt ist, ist die Lage der Sensoren zueinander genau definiert und bekannt. Wenn die FBG-Sensoren stattdessen einzeln auf den Druckkesseln aufgeklebt würden, ist der Arbeitsaufwand für eine solche Applikation viel hoher.
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Die 10 zeigt zwei Messdiagramme, wobei die 10a einen Peak mit einer Doppelspitze P1 und P2 zeigt. Diese Doppelspitze kann verschiedene Ursachen haben. z. B. kann der Kunststoff, in welchen der FBG-Dehnungssensors eingebettet ist, bei tiefen Temperaturen Materialkontraktionen aufweisen, wodurch Abschnitte mit inhomogener Dehnung entstehen. Dieses Messdiagramm wurde bei einer Temperatur von –40°C mit einem auf Aluminium verklebten FBG-Dehnungssensor ohne segmentierte Umhüllung aufgenommen. Die Peak-Aufspaltung lässt keine eindeutige Bestimmung der Bragg-Wellenlänge zu, was zu Ungenauigkeiten und Unsicherheiten in der Dehnungsermittlung führt. Zudem beeinträchtigt die beobachtete Dämpfung von ca. 3 dB, d. h. von ca. 50% des Signalpegels das Signal-Rausch-Verhältnis und kann bei kleinen Bragg-Signalen nachteilhaft für die Signalverarbeitung sein.
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Die 10b dagegen zeigt einen Peak mit einer eindeutigen Spitze mit geringen Dämpfungsverlusten. Ein derartiges Messdiagramm wird mit der gleichen Messanordnung und bei gleicher Temperatur, jedoch unter Verwendung einer segmentierten Umhüllung 3a erhalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4761073 [0002]
- WO 2009/049733 A1 [0003]
- JP 2003279760 A [0003]
- WO 2008/101657 A1 [0003]
