DE102011118527A1 - Fiber Bragg grating expansion sensor for detecting material expansion during lamination in e.g. wind turbine blade, has fiber section covered with plastic tube, where length and outer and inner diameters of tube satisfy specific conditions - Google Patents

Fiber Bragg grating expansion sensor for detecting material expansion during lamination in e.g. wind turbine blade, has fiber section covered with plastic tube, where length and outer and inner diameters of tube satisfy specific conditions Download PDF

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Tobias Kipp
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Abstract

The sensor has an optical fiber (1) having outer diameter (d) of 0.01 mm to 0.9 mm and comprising a Bragg grating (2) in a predesignated fiber section, where length (l) of the Bragg grating amounts to 2 mm to 20 mm. The fiber section with the Bragg grating is covered with a resilient plastic tube (3a) into which the fiber section slides. The tube has length (L) of 2 mm to 50 mm, outer diameter (D1) of 0.05 mm to 1.9 mm and inner diameter (D2) of 0.011 mm to 1.3 mm, where the length and outer and inner diameters satisfy specific conditions, where the sensor is formed as a measuring strip.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dehnungssensor mit einer optischen Faser, die ein Faser-Bragg-Gitter aufweist, nachfolgend FBG-Dehnungssensor genannt.The present invention relates to an optical fiber strain sensor comprising a fiber Bragg grating, hereinafter called an FBG strain sensor.

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.The use of FBG strain sensors to detect material strains or strains of a material surface is well known. Such sensors have been developed for several decades and also described in the patent literature, such as. In the document US-PS 47 61 073 , in which the essential physical relationships of this measuring principle are set out.

Es ist eine ständige Aufgabe bei der Entwicklung von FBG-Dehnungssensoren, deren Messgenauigkeit zu erhöhen. Es ist gleichfalls eine Aufgabe, FBG-Dehnungssensoren mit einem großen Messbereich bereitzustellen. Weiterhin ist es eine Aufgabe bei der Entwicklung von FBG-Dehnungssensoren, den Einfluss von Störgrößen gering zu halten. Bei FBG-Dehnungssensoren ist die Temperatur eine wesentliche Störgröße.It is a constant task in the development of FBG strain sensors to increase their measurement accuracy. It is also an object to provide FBG strain sensors with a wide range of measurement. Furthermore, it is an object in the development of FBG strain sensors to keep the influence of disturbances low. For FBG strain sensors, the temperature is a significant disturbance.

Es gibt jedoch noch weitere Anforderungen an FBG-Dehnungssensoren. Um die Dehnungen auf Materialoberflächen oder im Material zu erfassen, ist es 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 zu untersuchenden Materialoberfläche auftreten, beschrieben. Um die Handhabbarkeit der dünnen optischen Faser während der Applikation auf die zu untersuchende Materialoberfläche zu verbessern, wurde die Faser mit dem Bragg-Gitter in einen weichen Kunststoff eingebettet. Außerdem schützt der Kunststoff das Faser-Bragg-Gitter vor mechanischen Einflüssen. Eine derartige Anordnung ist in den Dokumenten JP 2003 279760 A und WO 2008/101657 A1 beschrieben. Der in dem Dokument WO 2008/101657 A1 beschriebene FBG-Dehnungssensor ist für die Praxis bereits gut geeignet. Es wurde jedoch festgestellt, dass diese Konstruktionen bei Dehnungsmessungen unter minus 10 Grad Celsius größere Messfehler aufweisen. Die Erfinder ermittelten, dass dieser negative Effekt auf die Verhärtung des Kunststoffs zurückzuführen ist, in welchem die optische Faser mit dem Bragg-Gitter eingebettet ist. Ein weiteres Problem ist die Dehnungsmessung an gekrümmten Oberflächen. Dabei können zusätzliche Messfehler auftreten, weil z. B. die Faser bei Zugebelastung innerhalb der Einbettung in Richtung der gekrümmten Oberfläche gezogen werden könnte. Da Gaspipelines oder Eisenbahnbrücken hohen Temperaturen im Sommer und tiefen Temperaturen im Winter unterliegen und z. T. auch gekrümmte Oberflächen aufweisen, besteht somit die Aufgabe der Erfindung darin, einen FBG-Dehnungssensor bereitzustellen, der in einem weiten Temperaturbereich und auch an gekrümmten Oberflächen eine verbesserte Messgenauigkeit aufweist.However, there are other requirements for FBG strain sensors. In order to detect the strains on material surfaces or in the material, it is advantageous if the FBG strain sensors can be applied as uncomplicated as possible. To meet this demand, various application techniques have been developed. In the document WO 2009/049733 A1 are the many problems that occur when attaching the very thin FBG strain sensors on a material surface to be examined described. In order to improve the handling of the thin optical fiber during application to the material surface to be examined, the fiber was embedded with the Bragg grating in a soft plastic. In addition, the plastic protects the fiber Bragg grating against mechanical influences. Such an arrangement is in the documents JP 2003 279760 A and WO 2008/101657 A1 described. The one in the document WO 2008/101657 A1 described FBG strain sensor is already well suited for practice. However, it has been found that these designs have larger measurement errors at strain measurements below minus 10 degrees Celsius. The inventors found that this negative effect is due to the hardening of the plastic in which the optical fiber is embedded with the Bragg grating. Another problem is the strain measurement on curved surfaces. This additional measurement errors can occur because z. B. the fiber could be pulled under load in the embedding in the direction of the curved surface. Since gas pipelines or railway bridges are subject to high temperatures in summer and low temperatures in winter and z. T. also have curved surfaces, it is therefore an object of the invention to provide an FBG strain sensor having an improved measurement accuracy in a wide temperature range and also on curved surfaces.

Diese Aufgabe wird mit einem FBG-Dehnungssensor nach Anspruch 1 und nach Anspruch 3 gelöst.This object is achieved with an FBG strain sensor according to claim 1 and claim 3.

Der FBG-Dehnungssensor nach Anspruch 1 weist wenigstens eine optische Faser mit einem Außendurchmesser d von 0,01 mm bis 0,9 mm auf, welche an wenigstens einem vorbestimmten Abschnitt ein Bragg-Gitter mit einer Länge von 2 mm bis 20 mm aufweist. Der Faserabschnitt, der das Bragg-Gitter aufweist, ist mit einem elastischen Kunststoffröhrchen ummantelt, in welchem dieser gleiten kann, wenn die Faser gedehnt oder gestaucht wird. Das Kunststoffröhrchen weist eine Länge L von 2 mm bis 50 mm, einen Außendurchmesser D1 von 0,05 mm bis 1,9 mm und einen Innendurchmesser D2 von 0,011 mm bis 1,3 mm auf, wobei nachfolgende Bedingungen gelten:
L/l = 0,7 bis 9,0;
D1/d = 1,05 bis 110 und
D2/d = 1,0001 bis 2,0.The FBG strain sensor according to claim 1 comprises at least one optical fiber having an outer diameter d of 0.01 mm to 0.9 mm, which has at least one predetermined portion of a Bragg grating with a length of 2 mm to 20 mm. The fiber section comprising the Bragg grating is encased in a resilient plastic tube in which it can slide as the fiber is stretched or compressed. The plastic tube has a length L of 2 mm to 50 mm, an outer diameter D1 of 0.05 mm to 1.9 mm and an inner diameter D2 of 0.011 mm to 1.3 mm, the following conditions apply:
L / L = 0.7 to 9.0;
D1 / d = 1.05 to 110 and
D2 / d = 1.0001 to 2.0.

Die Applikation des FBG-Dehnungssensors auf einer auf Dehnung zu untersuchenden Materialoberfläche ist auf verschiedene Weise möglich:

  • a. An den Endabschnitten des Röhrchens wird die Faser auf die Materialoberfläche mittels Klebstoff befestigt. Diese Applikation ist aber sehr berührungsempfindlich und kann leicht zerstört werden. Daher muss die Applikationsstelle mittels einer Abdeckung geschützt werden.
  • b. Eine bevorzugte Ausführungsform ist die komplette Einbettung des FBG-Dehnungssensors in elastischen Kunststoff oder Klebstoff. Diese Einbettung bietet einen Schutz vor mechanischen Einwirkungen und vor Umwelteinflüssen. Auch wenn der Kunststoff bei tiefen Umgebungstemperaturen seine mechanische Eigenschaften verändert, wird dadurch die Messgenauigkeit des FBG-Dehnungssensors nicht negativ beeinflusst.
The application of the FBG strain sensor on a material surface to be examined for elongation is possible in various ways:
  • a. At the end portions of the tube, the fiber is attached to the material surface by means of adhesive. This application is very sensitive to touch and can easily be destroyed. Therefore, the application site must be protected by means of a cover.
  • b. A preferred embodiment is the complete embedding of the FBG strain sensor in elastic plastic or adhesive. This embedding offers protection against mechanical influences and environmental influences. Even if the plastic changes its mechanical properties at low ambient temperatures, this does not adversely affect the accuracy of the FBG strain sensor.

Bei einer Ausführungsform eines FBG-Dehnungssensors nach Anspruch 2 gelten nachfolgende Bedingungen:
L/l = 1,1 bis 4,9;
D1/d = 1,1 bis 11,0 und
D2/d = 1,001 bis 1,5.In one embodiment of an FBG strain sensor according to claim 2, the following conditions apply:
L / L = 1.1 to 4.9;
D1 / d = 1.1 to 11.0 and
D2 / d = 1.001 to 1.5.

Unter diesen Bedingungen wird die Messgenauigkeit weiter verbessert.Under these conditions, the measurement accuracy is further improved.

Der FBG-Dehnungssensor nach Anspruch 3 ist eine eigenständige Erfindung, die jedoch den gleichen Erfindungsgedanken aufweist wie der FBG-Dehnungssensor nach Anspruch 1. The FBG strain sensor according to claim 3 is an independent invention, however, has the same inventive idea as the FBG strain sensor according to claim 1.

Der FBG-Dehnungssensor nach Anspruch 3 unterscheidet sich vom Gegenstand nach Anspruch 1 dadurch, dass die gesamte optische Faser mit einem elastischen Kunststoffschlauch ummantelt ist. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass der Kunststoffschlauch die mechanisch empfindliche optische Faser auf ihrer Gesamtlänge schützt, denn besonders beim Verlegen der Faser auf einem rauen Untergrund besteht die Gefahr, dass die Faser beschädigt wird. Um jedoch den Abschnitt der Faser, der das FBG aufweist, mit dem Material zu verbinden, an welchem die Dehnung gemessen werden soll, weist der Kunststoffschlauch Öffnungen auf, durch die Klebstoff eindringen und zur Faser gelangen kann. Die Öffnungen befinden sich links und rechts vom Bragg-Gitter und weisen einen Abstand A voneinander auf. Diese Öffnungen ermöglichen das Verkleben der Faser links und rechts vom Bragg-Gitter mit dem Material, an dem die Dehnung gemessen werden soll. Der Abstand A entspricht der Röhrchenlänge L gemäß dem Gegenstand nach Anspruch 1. Somit sind die absoluten Längenwerte, die Durchmesser und die Verhältnisse die gleichen wie die nach Anspruch 1, d. h., das durch den Lochabstand A definierte Röhrchen weist eine Länge von 2 mm bis 50 mm, einen Außendurchmesser D1 von 0,05 mm bis 1,9 mm und einen Innendurchmesser D2 von 0,011 mm bis 1,3 mm auf, wobei nachfolgende Bedingungen gelten:
A/l = 0,7 bis 9,0;
D1/d = 1,05 bis 110 und
D2/d = 1,0001 bis 2,0.The FBG strain sensor according to claim 3 differs from the subject matter of claim 1 in that the entire optical fiber is covered with an elastic plastic tube. The advantage of this arrangement is that the plastic tube protects the mechanically sensitive optical fiber over its entire length, because especially when laying the fiber on a rough surface there is a risk that the fiber is damaged. However, in order to bond the portion of the fiber having the FBG to the material at which the strain is to be measured, the plastic tube has openings through which adhesive can penetrate and pass to the fiber. The openings are located to the left and right of the Bragg grating and have a distance A from each other. These openings allow the fiber to be bonded to the left and right of the Bragg grating with the material on which the strain is to be measured. The distance A corresponds to the tube length L according to the subject matter of claim 1. Thus, the absolute length values, diameters and ratios are the same as those of claim 1, ie the tube defined by the hole spacing A has a length of 2 mm to 50 mm, an outer diameter D1 of 0.05 mm to 1.9 mm and an inner diameter D2 of 0.011 mm to 1.3 mm, the following conditions apply:
A / l = 0.7 to 9.0;
D1 / d = 1.05 to 110 and
D2 / d = 1.0001 to 2.0.

Dieser FBG-Dehnungssensor eignet sich besonders zum Einlaminieren z. B. in Flügel von Windkraftanlagen oder Flugzeugflügel.This FBG strain sensor is particularly suitable for lamination z. B. in wings of wind turbines or aircraft wings.

Bei einer Ausführungsform eines FBG-Dehnungssensors nach Anspruch 4 gelten nachfolgende Bedingungen:
A/l = 1,1 bis 4,9;
D1/d = 1,1 bis 11,0 und
D2/d = 1,001 bis 1,5.In one embodiment of an FBG strain sensor according to claim 4, the following conditions apply:
A / l = 1.1 to 4.9;
D1 / d = 1.1 to 11.0 and
D2 / d = 1.001 to 1.5.

Unter diesen Bedingungen wird die Messgenauigkeit weiter verbessert.Under these conditions, the measurement accuracy is further improved.

Nach Anspruch 5 ist der FBG-Dehnungssensor als ein Messstreifen ausgebildet, wobei der FBG-Dehnungssensor in ein Trägerelement aus einem elastischen Kunststoff eingebettet ist. Im Bereich des vorderen Endabschnitts und im Bereich des hinteren Endabschnitts des Röhrchens ist je ein Fixierelement vorgesehen. Diese Fixierelemente sind mit der optischen Faser fest verbunden und werden mit der zu untersuchenden Materialplatte verklebt. Es ist zu erwähnen, dass die Fixierelemente unmittelbar angrenzend zum Röhrchen angeordnet sein können, gleichermaßen kann auch ein Abstand zwischen dem Röhrchen und den Fixierelementen liegen. Es ist auch möglich, dass das Röhrchen mit den Fixierelementen verbunden ist.According to claim 5, the FBG strain sensor is designed as a measuring strip, wherein the FBG strain sensor is embedded in a carrier element made of an elastic plastic. In the region of the front end portion and in the region of the rear end portion of the tube, a fixing element is provided in each case. These fixing elements are firmly connected to the optical fiber and are glued to the material plate to be examined. It should be noted that the fixing elements may be disposed immediately adjacent to the tube, and equally may be a distance between the tube and the fixing elements. It is also possible that the tube is connected to the fixing elements.

Mit dieser Ausführungsform ist FBG-Dehnungssensor geschaffen, der bei der Applikation leicht handhabbar und robust ist.With this embodiment, FBG strain sensor is created, which is easy to handle and robust in the application.

Nach Anspruch 6 ist eine Vielzahl von FBG-Dehnungssensoren in oder auf einem Flächengebilde angeordnet. Ein Flächengebilde kann z. B. eine doppelwandige Kunststofffolie sein. Dazu eignet sich vorzugsweise die Ausführungsform nach Anspruch 3. Das Flächengebilde kann z. B. mit geringem Aufwand auf einen Druckkessel aufgeklebt werden, dessen Oberflächendehnungen an vielen Stellen punktuell überwacht werden sollen.According to claim 6, a plurality of FBG strain sensors are arranged in or on a sheet. A sheet can z. B. be a double-walled plastic film. For this purpose, preferably the embodiment of claim 3. The fabric may, for. B. be glued to a pressure vessel with little effort, the surface expansions to be monitored selectively at many points.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen in Verbindung mit schematischen Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail below by means of examples in conjunction with schematic drawings.

1a, b, c zeigen perspektivisch und in vergrößerter Darstellung einen FBG-Dehnungssensor. 1a , b, c show in perspective and in an enlarged view an FBG strain sensor.

2a, b zeigen schematisch eine erste Applikation eines FBG-Dehnungssensors auf einem Untergrund. 2a , b show schematically a first application of an FBG strain sensor on a substrate.

3a, b zeigen schematisch eine zweite Applikation eines FBG-Dehnungssensors auf einem Untergrund. 3a , b show schematically a second application of an FBG strain sensor on a substrate.

4 zeigt schematisch die Ansicht einer weiteren Ausführungsform des FBG-Dehnungssensors. 4 schematically shows the view of another embodiment of the FBG strain sensor.

5 zeigt schematisch die Ansicht einer weiteren Ausführungsform des FBG-Dehnungssensors. 5 schematically shows the view of another embodiment of the FBG strain sensor.

6 zeigt schematisch die Ansicht einer weiteren Ausführungsform des FBG-Dehnungssensors. 6 schematically shows the view of another embodiment of the FBG strain sensor.

7 zeigt schematisch eine Kunststoffmatte mit mehreren FBG-Dehnungssensoren für eine Dehnungsrichtung. 7 schematically shows a plastic mat with multiple FBG strain sensors for a strain direction.

8 zeigt schematisch eine Kunststoffmatte mit mehreren FBG-Dehnungssensoren für zwei Dehnungsrichtungen. 8th schematically shows a plastic mat with multiple FBG strain sensors for two strain directions.

9 zeigt schematisch die Ansicht einer Applikation eines FBG-Dehnungssensors auf einem gewölbten Untergrund. 9 schematically shows the view of an application of an FBG strain sensor on a curved surface.

10a, b zeigen zwei Messdiagramme, wobei die 10a ein gestörtes und die 10b ein ungestörtes Messsignal zeigt. 10a , b show two measurement diagrams, where the 10a a disturbed and the 10b an undisturbed measuring signal shows.

Obwohl die nachfolgend beschriebenen FBG-Dehnungssensoren besonders für gekrümmte Oberflächen geeignet sind, erfolgt die Erläuterung des Anbringens solcher Sensoren auf einer geraden Oberfläche anhand der 1 bis 8, um die Verfahrensweise besser verständlich zu machen. Es ist anzumerken, dass diese FBG-Dehnungssensoren auch auf geraden Oberflächen verbesserte Messeigenschaften aufweisen.Although the FBG strain sensors described below are particularly suitable for curved surfaces, the explanation of mounting such sensors on a straight surface will be made with reference to FIGS 1 to 8th to make the procedure easier to understand. It should be noted that these FBG strain sensors have improved measuring properties even on straight surfaces.

Die 1a, b, c zeigen einen FBG-Dehnungssensor mit einer Faser 1 und einem FBG 2. Der Faserabschnitt mit dem FBG 2 ist mit einem Kunststoffröhrchen 3a umhüllt. Die Faser 1 hat einen Außendurchmesser d von 0,3 mm und das FBG 2 eine Länge l von 10 mm. Das Kunststoffröhrchen 3a besteht aus Silikon. Es hat eine Länge L von 15 mm, einen Außendurchmesser D1 von 0,8 mm und einen Innendurchmesser D2 von 0,4 mm. Die 1a zeigt eine stark vergrößerte perspektivische und aufgebrochene Darstellung des FBG-Dehnungssensors und die betreffenden verschiedenen Längen und Durchmesser. Die 1b und 1c zeigen vergrößerte Darstellungen des FBG-Dehnungssensors in der Seitenansicht und eine Schnittansicht entlang der Schnittebene S-S.The 1a , b, c show an FBG strain sensor with a fiber 1 and an FBG 2 , The fiber section with the FBG 2 is with a plastic tube 3a envelops. The fiber 1 has an outside diameter d of 0.3 mm and the FBG 2 a length l of 10 mm. The plastic tube 3a is made of silicone. It has a length L of 15 mm, an outer diameter D1 of 0.8 mm and an inner diameter D2 of 0.4 mm. The 1a shows a greatly enlarged perspective and broken view of the FBG strain sensor and the various lengths and diameters involved. The 1b and 1c show enlarged views of the FBG strain sensor in the side view and a sectional view along the cutting plane SS.

Die 2a, b zeigen schematisch Ansichten einer Applikation eines FBG-Dehnungssensors, der in einem Klebstoff 4a eingebettet ist, wobei 2a eine perspektivische Draufsicht und 2b 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.The 2a , b show schematically views of an application of an FBG strain sensor in an adhesive 4a is embedded, where 2a a perspective top view and 2 B a sectional view along the plane SS shows. With reference number 5 is a material plate called, whose elongation is to be measured. The FBG strain sensor is made by means of the adhesive 4a with the material plate 5 firmly connected.

Die 3a, b zeigen eine ähnliche Applikation wie in 2. Die Faser 1 ist an den mit Bezugszeichen 6 gekennzeichneten Stellen unmittelbar neben dem Kunststoffröhrchen 3a mittels eines Klebers auf der Materialplatte 5 fixiert. Das Kunststoffröhrchen 3a kann ebenfalls auf der Materialplatte 5 aufgeklebt sein. Bei vielen Anwendungsfällen ist das jedoch nicht erforderlich. Entscheidend ist, dass eine sichere Fixierung der Faser 1 auf der Materialplatte 5 am Röhrchenanfang und am Röhrchenende erfolgt.The 3a , b show a similar application as in 2 , The fiber 1 is at the with reference numerals 6 marked points immediately next to the plastic tube 3a by means of an adhesive on the material plate 5 fixed. The plastic tube 3a can also on the material plate 5 be glued on. However, this is not necessary in many applications. It is crucial that a secure fixation of the fiber 1 on the material plate 5 at the beginning of the tube and at the end of the tube.

Die 4 zeigt eine Ausführungsform eines FBG-Dehnungssensors nach Anspruch 3 mit zwei FBG 2. Die gesamte Faser 1 ist mit einem Kunststoffschlauch 3b umhüllt. Jeweils links und rechts der FBG 2 sind in dem Kunststoffschlauch 3b Öffnungen 6a im Abstand A vorgesehen. Diese Öffnungen 6a dienen zum Verkleben der Faser 1 mit dem Material, an welchem die Dehnung gemessen werden soll. Wenn z. B. die Dehnungen in einem Flügel einer Windkraftanlage gemessen werden sollen, dann kann es zweckmäßig sein, die Sensoren innerhalb des Flügels anzuordnen, d. h. die Sensoren müssen bereits bei der Herstellung in die Flügel integriert werden. Die Ausführungsform nach Patentanspruch 3 ist für diesen Arbeitsschritt besonders geeignet, da die gesamte Faser 1 durch den Kunststoffschlauch 3b mechanisch geschützt ist. Somit besteht beim Verlegen dieses FBG-Dehnungssensors nicht die Gefahr einer Beschädigung der Faser. Insofern kann der Flügel schneller und kostengünstiger hergestellt werden. Die Öffnungen 6a sind nur schematisch dargestellt. Je nach technologischen Anforderungen können z. B. auch mehrere Löcher vorgesehen werden, damit es zu einer haltbaren Verklebung der Faser 1 mit dem Flügelmaterial kommen kann.The 4 shows an embodiment of an FBG strain sensor according to claim 3 with two FBG 2 , The entire fiber 1 is with a plastic tube 3b envelops. In each case left and right of the FBG 2 are in the plastic tube 3b openings 6a provided at the distance A. These openings 6a serve to glue the fiber 1 with the material on which the strain is to be measured. If z. B. the strains to be measured in a wing of a wind turbine, then it may be appropriate to arrange the sensors within the wing, ie the sensors must be integrated already in the production in the wings. The embodiment according to claim 3 is particularly suitable for this step, since the entire fiber 1 through the plastic tube 3b is mechanically protected. Thus, when laying this FBG strain sensor there is no risk of damage to the fiber. In this respect, the wing can be made faster and cheaper. The openings 6a are shown only schematically. Depending on the technological requirements z. As well as several holes are provided so that it is a durable bond of the fiber 1 can come with the wing material.

Die 5 zeigt als weitere Ausführungsform einen Messstreifen. Dabei handelt es sich um ein Bauelement, bei dem die Faser 1 bereits in einen elastischen Kunststoff 4b eingebettet ist. Mit Bezugszeichen 6b 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 des Untergrunds 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 5 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.The 5 shows a further embodiment of a measuring strip. It is a component in which the fiber 1 already in an elastic plastic 4b is embedded. With reference number 6b Fixing elements are designated. In the present embodiment, a fiberglass mat impregnated with a plastic is used. However, other materials may be used if these materials bond well with the fiber and the substrate so that the stretching of the substrate 5 transmitted as error-free as possible to the measuring strip. This achieves the same effect as in the application 3 , The advantage of the measuring strip after 5 is the much easier handling compared to the embodiment according to 3 , It can be seen that the FBG is close to the surface of the material plate 5 is arranged to minimize measurement errors.

Die 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines FBG-Dehnungssensors mit mehreren FBG 2. Im Gegensatz zu der Ausführungsform nach 4 wird kein durchgehender Kunststoffschlauch mit Löchern verwendet, sondern ein dickerer Kunststoffschlauch 8, der die Faser 1 gut vor mechanischer Beschädigung schützt. Zwischen dem Röhrchen 3a und dem Kunststoffschlauch 8 ist ein Abschnitt 9 mit einer abziehbaren Schutzfolie 7 überklebt. Die Applikation der Messkette wird nachfolgend beschrieben: Zuerst wird die in 6 gezeigte Anordnung z. B. auf einer Pipeline verlegt, so dass die FBG 2 über den Messstellen liegen. Dann wird der Kunststoffschlauch 8 mechanisch auf dem Messobjekt befestigt, z. B. mit einem Klebeband. Danach wird die Schutzfolie 7 entfernt und die Faser 1 im Bereich 9 auf die Messstelle appliziert, d. h. mittels Klebstoff befestigt. Anschließend wird der Bereich 9 durch eine Abdeckung, z. B. durch eine Kunststoffmasse, geschützt.The 6 shows a further embodiment of an FBG-expansion sensor with multiple FBG 2 , In contrast to the embodiment according to 4 is not a continuous plastic tube with holes used, but a thicker plastic tube 8th who is the fiber 1 good protection against mechanical damage. Between the tube 3a and the plastic tube 8th is a section 9 with a removable protective film 7 pasted over. The application of the measuring chain is described below: First, the in 6 shown arrangement z. B. relocated on a pipeline, so that the FBG 2 lie above the measuring points. Then the plastic tube 8th mechanically attached to the test object, z. B. with an adhesive tape. After that, the protective film 7 removed and the fiber 1 in the area 9 Applied to the measuring point, ie fixed by adhesive. Then the area 9 through a cover, for. B. by a plastic compound protected.

Die 7 und 8 zeigen je eine Kunststoffmatte 10 mit einer Vielzahl darin eingebetteter FBG-Dehnungssensoren. Diese Vorrichtungen eignen sich zur lokalen Erfassung von Dehnungen über einen größeren Bereich. Die Kunststoffmatte 10 wird zuerst mit der erforderlichen Anzahl von FBG-Elementen bestückt, oder es wird eine Ausführungsform nach Anspruch 3 und 4 verlegt. Wenn die FBG-Dehnungssensoren definiert auf der Kunststoffmatte 10 fixiert sind, wird die Kunststoffmatte 10 auf die zu untersuchende Fläche aufgeklebt. Vorzugsweise wird jedoch die Kunststoffmatte 10 mit einer zweiten Kunststoffmatte verklebt, sodass die FBG-Elemente dazwischen eingebettet und geschützt sind.The 7 and 8th each show a plastic mat 10 with a variety embedded therein FBG strain sensors. These devices are suitable for the local detection of strains over a larger area. The plastic mat 10 is first populated with the required number of FBG elements, or it will be an embodiment according to claim 3 and 4 laid. If the FBG strain sensors defined on the plastic mat 10 are fixed, the plastic mat 10 glued to the surface to be examined. Preferably, however, the plastic mat 10 glued to a second plastic mat so that the FBG elements are embedded and protected in between.

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 Sensoren stattdessen einzeln auf den Druckkesseln aufgeklebt würden, ist der Arbeitsaufwand für eine solche Applikation viel höher.The particular advantage of this arrangement is that the FBG sensors are arranged in an exact grid on the plastic mat. If the mat z. B. is glued to the wall of a pressure vessel, the position of the sensors to each other is well defined and known. Instead, if the sensors were individually adhered to the pressure vessels, the workload for such an application would be much higher.

Die 9 zeigt eine Applikation eines FBG-Dehnungssensors auf einer gekrümmten Oberfläche. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten FBG-Dehnungssensoren wird durch die Krümmung die Messgenauigkeit nicht wesentlich beeinflusst.The 9 shows an application of an FBG strain sensor on a curved surface. In contrast to the FBG strain sensors known from the prior art, the measurement accuracy is not significantly influenced by the curvature.

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 den 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 Kunststoffröhrchen 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.The 10 shows two measurement diagrams, the 10a shows a peak with a double peak P1 and P2. This double tip can have different causes. For example, the plastic in which the FBG strain sensor is embedded may have material contractions at low temperatures, creating portions with inhomogeneous strain. This measurement chart was taken at a temperature of -40 ° C with an aluminum-bonded FBG strain sensor without plastic tubes. The peak splitting does not allow a clear determination of the Bragg wavelength, which leads to inaccuracies and uncertainties in the strain detection. In addition, the observed attenuation of about 3 dB, ie of about 50% of the signal level affects the signal-to-noise ratio and may be disadvantageous for signal processing in the case of small Bragg signals.

Die 10b dagegen zeigt einen Peak mit einer eindeutigen Spitze mit geringen Dämpfungsverlusten. Dieses Messdiagramm wurde mit der gleichen Messanordnung und bei gleicher Temperatur, jedoch unter Verwendung des Kunststoffröhrchens 3a aufgenommen.The 10b however, it shows a peak with a unique peak with low attenuation losses. This measurement diagram was made with the same measuring arrangement and at the same temperature, but using the plastic tube 3a added.

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Claims (6)

FBG-Dehnungssensor, der wenigstens eine optische Faser (1) mit einem Außendurchmesser (d) von 0,01 mm bis 0,9 mm aufweist, wobei die optische Faser (1) in wenigstens einem vorbestimmten Faserabschnitt ein Bragg-Gitter (2) mit einer Länge (l) von 2 mm bis 20 mm aufweist und wobei der Faserabschnitt mit dem Bragg-Gitter (2) mit einem elastischen Kunststoffröhrchen (3a) ummantelt ist, in welchem der Faserabschnitt gleiten kann, wobei das Kunststoffröhrchen (3) – eine Länge (L) von 2 mm bis 50 mm, – einen Außendurchmesser (D1) von 0,05 mm bis 1,9 mm, – einen Innendurchmesser (D2) von 0,011 mm bis 1,3 mm aufweist und nachfolgende Bedingungen gelten: L/l = 0,7 bis 9,0; D1/d = 1,05 bis 110 und D2/d = 1,0001 bis 2,0.FBG strain sensor comprising at least one optical fiber ( 1 ) having an outer diameter (d) of 0.01 mm to 0.9 mm, wherein the optical fiber ( 1 ) in at least one predetermined fiber section a Bragg grating ( 2 ) having a length (l) of 2 mm to 20 mm, and wherein the fiber section with the Bragg grating ( 2 ) with an elastic plastic tube ( 3a ) is wrapped in which the fiber section can slide, wherein the plastic tube ( 3 ) - a length (L) of 2 mm to 50 mm, - an outer diameter (D1) of 0.05 mm to 1.9 mm, - an inner diameter (D2) of 0.011 mm to 1.3 mm and the following conditions apply : L / L = 0.7 to 9.0; D1 / d = 1.05 to 110 and D2 / d = 1.0001 to 2.0. FBG-Dehnungssensor nach Anspruch 1, wobei nachfolgende Bedingungen gelten: L/l = 1,1 bis 4,9; D1/d = 1,1 bis 11,0 und D2/d = 1,001 bis 1,5.An FBG strain sensor according to claim 1, wherein the following conditions apply: L / L = 1.1 to 4.9; D1 / d = 1.1 to 11.0 and D2 / d = 1.001 to 1.5. FBG-Dehnungssensor, der wenigstens eine optische Faser (1) mit einem Außendurchmesser (d) von 0,01 mm bis 0,9 mm aufweist, in der an wenigstens einem vorbestimmten Abschnitt ein FBG 2 mit einer Länge (l) von 2 mm bis 20 mm enthalten ist, wobei die optische Faser (1) über ihre Länge mit einem elastischen Kunststoffschlauch (3b) ummantelt ist, der im Bereich des Anfangs und des Endes des Bragg-Gitters (2) wenigstens je eine Öffnung (6a, 6b) aufweist, wobei der Kunststoffschlauch (3b) einen Innendurchmesser (D2) von 0,011 mm bis 1,3 mm aufweist, der Abstand (A) zwischen den Öffnungen (6a, 6b) 2 mm bis 50 mm beträgt und nachfolgende Bedingung gelten: A/l = 0,7 bis 9,0 und D1/d = 1,05 bis 110 D2/d = 1,0001 bis 2,0.FBG strain sensor comprising at least one optical fiber ( 1 ) having an outer diameter (d) of 0.01 mm to 0.9 mm, in which at least one predetermined portion of an FBG 2 with a length (l) of 2 mm to 20 mm, the optical fiber ( 1 ) over its length with an elastic plastic tube ( 3b ), which is in the region of the beginning and the end of the Bragg grating ( 2 ) at least one opening ( 6a . 6b ), wherein the plastic tube ( 3b ) has an inner diameter (D2) of 0.011 mm to 1.3 mm, the distance (A) between the openings ( 6a . 6b ) Is 2 mm to 50 mm and the following condition applies: A / L = 0.7 to 9.0 and D1 / d = 1.05 to 110 D2 / d = 1.0001 to 2.0. FBG-Dehnungssensor nach Anspruch 3, wobei nachfolgende Bedingungen gelten: A/l = 1,1 bis 4,9; D1/d = 1,1 bis 11,0 und D2/d = 1,001 bis 1,5.FBG strain sensor according to claim 3, wherein the following conditions apply: A / l = 1.1 to 4.9; D1 / d = 1.1 to 11.0 and D2 / d = 1.001 to 1.5. FBG-Dehnungssensor nach Anspruch 1, wobei der FBG-Dehnungssensor als Messstreifen ausgebildet ist, der nachfolgende Merkmale aufweist: – ein Trägerelement (4b) aus einem elastischen Kunststoff, in welchem der FBG-Dehnungssensor (2) mit dem Kunststoffröhrchen (3a) eingebettet ist, und – je ein Fixierelement (6b) im Bereich des vorderen Endabschnitts und im Bereich des hinteren Endabschnitts des Kunststoffröhrchens (3a), wobei die Fixierelemente mit der optischen Faser 1 fest verbunden sind.FBG strain sensor according to claim 1, wherein the FBG strain sensor is designed as a measuring strip, which has the following features: - a carrier element ( 4b ) made of an elastic plastic, in which the FBG strain sensor ( 2 ) with the plastic tube ( 3a ), and - one fixing element each ( 6b ) in the region of the front end portion and in the region of the rear end portion of the plastic tube ( 3a ), wherein the fixing elements with the optical fiber 1 are firmly connected. FBG-Dehnungssensor nach Anspruch 1 oder 3, wobei eine Vielzahl von FBG-Dehnungssensoren in oder auf einem Fächengebilde (10) in einem vorbestimmten X-Y-Raster angeordnet ist.An FBG strain sensor according to claim 1 or 3, wherein a plurality of FBG strain sensors are arranged in or on a surface formation ( 10 ) is arranged in a predetermined XY-grid.
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