DE102018214195A1 - Verfahren zum Befestigen einer Faser mit einem Faser-Bragg-Sensorsegment an eine Komponente oder Lagervorrichtung mit einer derartigen Faser - Google Patents

Verfahren zum Befestigen einer Faser mit einem Faser-Bragg-Sensorsegment an eine Komponente oder Lagervorrichtung mit einer derartigen Faser Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zum Befestigen einer Faser (1) mit einem Faser-Bragg-Gittersensorsegment (2) an einer Komponente (3), die dazu ausgelegt ist, Veränderungen in Dehnung und/oder Temperatur ausgesetzt zu sein, umfassend die Schritte:Dehnen von zumindest einem Abschnitt der Faser (1) mit dem Faser-Bragg-Gittersensorsegment (2) mittels einer definierten und kalibrierten Vorspannung in einen vorgespannten Zustand, Befestigen des Abschnitts der Faser (1) mit dem Faser-Bragg-Gittersensorsegment (2) in dem vorgespannten Zustand an dem Sensorelement (4), und Befestigen des Trägerelements (4) an der Komponente (3), sowie eine Lagervorrichtung (100) mit einer solchen Faser.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befestigen einer Faser mit einem Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensorsegment an einer Komponente, die dazu ausgelegt ist, Veränderungen in Dehnung und/oder Temperatur ausgesetzt zu sein. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Lagervorrichtung mit einem Lagerring, einer Faser mit einem FBG-Sensorsegment und ein Trägerelement.
  • Es ist bekannt, Lagerringe mit einem Glasfaserelement mit FBG-Sensorsegmenten auszustatten, um Messungen der Änderungen in physikalischen Parametern, wie beispielsweise Temperatur und Dehnung zu ermöglichen. Der Lagerring hat eine äußere Fläche mit einer Nut, in der das Glasfaserelement angeordnet ist. Die Qualität der Verbindung, insbesondere hinsichtlich Positionsgenauigkeit und Lebensdauer, zwischen den FGB-Sensorsegmenten und dem Lagerring ist elementar für die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Messungen in industriellen Anwendungen.
  • Es ist bekannt, die FBG-Sensorsegmente unter einer gewissen Vorspannung direkt auf den Lagerring mittels eines Klebstoffs aufzubringen. Hier ist es jedoch schwierig, die FBG-Sensorsegmente präzise an dem Lagerring zu positionieren. Des Weiteren treten üblicherweise Änderungen in der Temperatur von mehr als 100 K während dieses Verbindungsprozesses auf; deshalb ist es schwierig, den Grad der Vorspannung während des Verbindungsprozesses konstant zu halten. Als eine Konsequenz von nicht präzisen Anordnungen und/oder undefinierten Vorspannungen der FBG-Sensorsegmente, ist die erreichbare Genauigkeit der Messungen, die unter Verwendung der FBG-Sensorsegmente ausgeführt werden, begrenzt, insbesondere hinsichtlich lang dauernden Anwendungen und/oder Anwendungen in einem großen Temperaturbereich. Des Weiteren ist der Prozess der Herstellung arbeitsaufwendig.
  • Die Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Befestigen einer Faser mit zumindest einem FBG-Sensorsegment an einer Komponente bereitzustellen, die dazu ausgelegt ist, Änderungen in Dehnung und/oder Temperatur ausgesetzt zu sein, insbesondere an einem Lagerring. Insbesondere ist es eine Aufgabe, das Verfahren hinsichtlich der erreichbaren Genauigkeit einer Messung, die mittels des FBG-Sensorsegments durchgeführt wird, zu verbessern. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Verfahren hinsichtlich des Aufwands beim Herstellen zu verbessern. Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, analog eine verbesserte Lagervorrichtung bereitzustellen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Befestigen einer Faser mit einem FBG-Sensorsegment an einer Komponente, die dazu ausgelegt ist, Veränderungen in Dehnung und/oder Temperatur ausgesetzt zu sein. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    1. i) Dehnen von zumindest einem Abschnitt der Faser, der das FBG-Sensorsegment umfasst, mittels einer vordefinierten und kalibrierten Vorspannung in einen vorgespannten Zustand,
    2. ii) Befestigen des Abschnitts der Faser mit dem FBG-Sensorsegment in dem vorgespannten Zustand an einem Trägerelement; und
    3. iii) Befestigen des Trägerelements an der Komponente.
  • Die Befestigung des Abschnitts der Faser mit dem FBG-Sensorsegment an dem Trägerelement in Schritt ii) kann unter bevorzugten räumlichen Umgebungsbedingungen ausgeführt werden. Folglich kann das Halten der definierten Vorspannung während des Befestigungsprozesses ebenfalls gut gesteuert werden. Des Weiteren kann das Trägerelement in Schritt iii) präzise relativ zu der Komponente positioniert werden. Folglich kann eine genaue Positionierung des FBG-Sensorsegments vis-a-vis der Komponente vorteilhafterweise realisiert werden. Im Ergebnis kann die Genauigkeit in den Messungen, die mittels der Verwendung des FBG-Sensorsegments ausgeführt werden, verbessert werden. Des Weiteren ist der Aufwand beim Herstellen reduziert.
  • Das Verfahren ist speziell geeignet, wenn die Komponente ein Lagerring ist.
  • In Schritt ii) wird das Befestigen des Abschnitts der Faser mit dem FBG-Sensorsegment an dem Trägerelement vorzugsweise durch Kleben und/oder mechanisches Ineinandergreifen und/oder Sintern durchgeführt. Dies ermöglicht einen vergleichsweise einfachen Befestigungs- oder Anbindeprozess.
  • In Schritt iii) wird das Befestigen des Trägerelements auf der Komponente vorzugsweise durch Kleben oder Schweißen ausgeführt. Dies macht es möglich, das Trägerelements relativ zu der Komponente sehr genau anzuordnen. Deshalb ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das Material des Trägerelements aus dem gleichen Basismaterial hergestellt ist wie die Komponente, oder eine Beschichtung/Finish aus dem gleichen Basismaterials hat, z. B. sind beide aus Plastik oder Metall hergestellt. Dadurch ist die Befestigungsprozedur vereinfacht und der Transfer von Lasten ist sichergestellt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Lagervorrichtung bereitgestellt mit einem Lagerring, einer Faser mit zumindest einem FBG-Sensorsegment und einem Trägerelement. Zumindest ein Abschnitt der Faser mit dem zumindest einen FBG-Sensorsegment ist in einem definierten und vorgespannten Zustand auf dem Trägerelement befestigt und das Trägerelement ist an dem Lagerring befestigt. Die Lagervorrichtung zeigt eine besondere hochqualitative Leistung hinsichtlich der Genauigkeit der Messungen, die mittels des FBG-Sensorsegments ausgeführt werden. Selbstverständlich kann jede Faser mehrere FBG-Sensorsegmente aufweisen, die den Lagerring zumindest teilweise umfassen.
  • Vorzugsweise hat der Lagerring eine Nut, wobei das Trägerelement zumindest teilweise in der Nut aufgenommen ist. Dies ist bevorzugt hinsichtlich eines zuverlässigen Kontakts zwischen dem Trägerelement und dem Lagerring. Es ist weiter bevorzugt, da es ermöglicht, das FBG-Sensorsegment neben einem Bereich des Lagerrings zu lokalisieren, der besonders sensitiv ist hinsichtlich der physikalischen Parameter, die zu messen sind.
  • Vorzugsweise ist das Trägerelement ein massives Element, insbesondere aus einem Metallmaterial. Dies ist vorteilhaft hinsichtlich der Übertragung von Wärme und/oder mechanischer Energie von dem Lagerring auf das FBG-Sensorsegment.
  • Vorzugsweise ist das Trägerelement im Wesentlichen wie eine Stange oder eine dünne Platte geformt. Dies ermöglicht es, die Faser sehr nah an der Oberfläche des Lagerrings anzuordnen. Dies ist besonders wie vorteilhaft hinsichtlich der Übertragung von thermischer und/oder mechanischer Energie von dem Lagerring über das Trägerelement auf das FBG-Sensorsegment.
  • Vorzugsweise hat das Trägerelement eine konkave Fläche, die einer konvexen äußeren Fläche des Lagerrings entspricht, wobei das Trägerelement mit seiner konkaven Fläche auf der konvexen Außenfläche des Lagerrings befestigt ist. Dies ermöglicht einen besonders hochqualitativen Kontakt zwischen dem Lagerring und dem Trägerelement und folglich eine besonders gute Übertragung von thermischer und/oder mechanischer Energie.
  • Vorzugsweise hat die Faser weiterhin zumindest einen Abschnitt mit zumindest einem weiteren FBG-Sensorsegment, das an zumindest einem weiteren Trägerelement befestigt ist. Durch die Verwendung von zwei separaten Trägerelementen sind die vielen FBG-Sensorsegmente mechanisch voneinander entkoppelt. Dadurch kann eine weitere Vergrößerung in der Genauigkeit der Messungen erreicht werden.
  • Weitere Vorteile und Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung mit entsprechender Referenz auf die angehängten Zeichnungen.
  • In den Zeichnungen:
    • 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Lagervorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    • 2 ist eine schematische Ansicht eines Trägerelements und eines Abschnitts einer Faser mit einem FBG-Sensorsegment, das daran befestigt ist, und
    • 3 ist eine schematische Ansicht der Faser und einiger Trägerelemente.
  • 1 zeigt eine Lagervorrichtung 100 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Lagervorrichtung 100 umfasst einen Lagerring 3, eine Faser 1 mit einem FBG-Sensorsegment 2 und ein Trägerelement 4. Die Faser 1 ist beispielsweise eine Glasfaser. Der Lagerring 3 ist beispielsweise ein äußerer Lagerring, insbesondere ein nichtrotierender Ring. Die Faser 1 mit dem FBG-Sensorsegment ist dazu ausgelegt, Messungen von Änderungen in physikalischen Parametern, wie beispielsweise Temperatur und/oder Dehnung, zu ermöglichen, wie es im Prinzip als solches bekannt ist. Der Lagerring 3 ist vorzugsweise aus einem Metallmaterial hergestellt.
  • Gemäß der Erfindung ist zumindest ein Abschnitt der Faser 1 mit dem FBG-Sensorsegment 2, wie in 2 dargestellt, in einem definierten und vorgespannten Zustand an dem Trägerelement 4 befestigt, und das Trägerelement 4 ist an dem Lagerring 3 befestigt. Die Befestigung des Abschnitts der Faser 1 mit dem FBG-Sensorsegment 2 an dem Trägerelement 4 kann durch Kleben ausgeführt sein. Alternativ oder zusätzlich können ein mechanisches Ineinandergreifen und/oder Sintern verwendet werden.
  • Vorzugsweise umfasst, wie in 2 dargestellt, der Abschnitt der Faser 1 mit dem FBG-Sensorsegment zumindest ein FBG-Sensorsegment 2. Weiterhin vorzugsweise umfasst die Befestigung des Abschnitts der Faser 1 an dem Trägerelement 4 zumindest zwei Befestigungsstellen 5, 6, die jeweils ein FBG-Sensorsegment 2 zwischen sich umfassen.
  • Die Länge des FBG ist so kurz wie möglich, vorzugsweise weniger als 2 cm, vorzugsweise weniger als 10 mm. Es hat sich gezeigt, dass eine Länge von 2 mm in einfach identifizierbaren Wellenlängenspitzen resultiert.
  • Vorzugsweise zeigt der Lagerring 3 eine zylindrische Außenfläche, in der das Trägerelement 4 an der äußeren Fläche befestigt ist. Vorzugsweise ist eine Nut 7 an der äußeren Fläche des Lagerrings 3 bereitgestellt, in der das Trägerelement 4 zumindest teilweise aufgenommen ist.
  • Das Trägerelement 4 ist an der Komponente 3 beispielsweise durch Kleben oder Schweißen befestigt. Das Befestigen des Trägerelements an dem Lagerring 3 durch Schweißen oder irgendein anderes ausgereiftes Metall-an-Metall-Verbindeverfahren ist insbesondere vorteilhaft hinsichtlich einer langanhaltenden Stabilität.
  • Dabei sollte bemerkt werden, dass gemäß der Erfindung die Faser mit dem FBG-Sensor an dem Lagerring 3 befestigt ist, der Veränderungen in Dehnung und/oder Temperatur ausgesetzt ist, gemäß den folgenden Schritten:
    1. i) Dehnen von zumindest einem Abschnitt der Faser 1 mit dem FBG-Sensorsegment 2 mittels einer definierten und kalibrierten Vorspannung in einen vorgespannten Zustand.
    2. ii) Befestigen des Abschnitts der Faser 1 mit dem FBG-Sensorsegment 2, das in dem vorgespannten Zustand ist, an dem Trägerelement 4,
    3. iii) Befestigen des Trägerelements 4 an dem Lagerring 3.
  • Aufgrund der signifikanten besseren räumlichen Bedingungen ist es viel leichter, den Abschnitt der Faser 1 mit dem FBG-Sensorsegment 2 unter dem definierten vorgespannten Zustand an dem Trägerelement 4 und dann direkt in der Nut 7 zu befestigen. Demgemäß ist die Verwendung des Trägerelements 4 vorteilhaft, da eine definierte Vorspannung ein elementarer Faktor hinsichtlich der erreichbaren Genauigkeit der Messungen ist.
  • Das Verfahren des Anbindens oder Befestigens des Abschnitts der Faser 1 mit dem FBG-Sensorsegment 2 an dem Trägerelement 4 ist einfacher im Vergleich mit den entsprechenden Verbindungsverfahren gemäß dem Stand der Technik; deshalb ist der Herstellungsaufwand der Vorrichtung reduziert.
  • Vorzugsweise ist das Trägerelement 4 ein massives Element, beispielsweise aus einem Metallmaterial. Weiterhin vorzugsweise ist das Trägerelement 4, als ein integrales oder einstückiges Element ausgebildet. Deshalb kann eine ungewünschte Modifikation der thermischen oder mechanischen Energie durch das Trägerelement 4 während der Übertragung von dem Lagerring 3 auf das FBG-Sensorsegment 2 eliminiert oder zumindest marginal gehalten werden. Für den gleichen Zweck ist das Trägerelement 4 weiterhin vorzugsweise im Wesentlichen als eine Stange oder eine dünne Platte ausgebildet.
  • Ein besonders guter Kontakt zwischen dem Trägerelement 4 und einer konvexen Außenfläche des Lagerrings 3, wie beispielsweise der zylindrischen Außenfläche, kann realisiert werden, wenn das Trägerelement 4 eine konkave Fläche hat, die zu der konvexen Außenfläche des Lagerrings 3 passt, und das Trägerelement 4 an seiner konkaven Fläche an der konvexen Außenfläche des Lagerrings 3 befestigt ist.
  • Vorzugsweise hat die Faser 1 zumindest einen weiteren Abschnitt mit einem weiteren FBG-Sensorsegment 2', das an dem Trägerelement 4 oder einem weiteren Trägerelement 4' auf die gleiche Weise, wie oben angesprochen, befestigt ist, und wobei das zumindest eine weitere Trägerelement 4' an dem Lagerring 3 auf die gleiche Weise befestigt ist, wie das erstgenannte Trägerelement 4 an dem Lagerring 3.
  • Durch die Verwendung von zwei separaten Trägerelementen 4, 4' sind die mehreren FBG-Sensorsegmente 2, 2' mechanisch voneinander entkoppelt. Dies macht es möglich, die Trägerelemente 4, 4' ganz besonders genau an dem Lagerring 3 zu positionieren, insbesondere hinsichtlich der winkligen Richtung bezüglich einer Hauptachse der Lagervorrichtung 100, das heißt entlang des Umfangs der zylindrischen Außenfläche des Lagerrings 3, aber auch hinsichtlich der korrespondierenden axialen Richtung.
  • Vorzugsweise sind die Trägerelemente 4, 4' analog oder identisch in ihrer Konstruktion ausgebildet. Dies ist vorteilhaft hinsichtlich der Herstellung.
  • Die Vorteile, die durch die technischen Eigenschaften der Erfindung erreicht werden, umfassen insbesondere:
    • - Die Vorspannung des FBG-Sensorsegments kann besser gesteuert werden.
    • - Das Steuern der Positionsgenauigkeit des FBG-Sensorsegments ist verbessert; insbesondere ist die radiale (winklige) Positionierung der FBG-Sensorsegmente voneinander entkoppelt.
    • - Eine Extralänge der Faser kann zwischen jedem der FBG-Sensorsegmente definiert sein; deshalb kann eine einzelne Größe eines Messstreifens auf verschiedene Größen von verschiedenen Lagerringen passen.
    • - Die Trägerelemente können an dem Lagerring durch Schweißen oder durch ein anderes Metall-zu-Metall-Verbindungsverfahren befestigt sein. Dies ermöglicht eine bessere Langzeit-Stabilität.
    • - Der Prozess des Anbindens eines Abschnitts der Faser mit einem FBG-Sensorsegment ist vereinfacht.
  • Obwohl die Erfindung in Relation zu ihren bevorzugten Ausführungsbeispielen, wie sie oben erwähnt sind, erklärt wurde, ist zu verstehen, dass viele andere mögliche Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne von dem Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es ist deshalb vorhergesehen, dass die angehängten Ansprüche solche Modifikationen und Variationen abdecken, die in den wahren Rahmen der Erfindung hineinfallen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Lagervorrichtung 1
    1
    Faser
    2, 2'
    FBG-Sensorsegment
    3
    Lagerring
    4, 4'
    Trägerelement
    5,6
    Befestigungsstelle
    7
    Nut

Claims (9)

  1. Verfahren zum Befestigen einer Faser (1) mit einem Faser-Bragg-Gittersensorsegment (2) an einer Komponente (3), die dazu ausgelegt ist, Veränderungen in Dehnung und/oder Temperatur ausgesetzt zu sein, umfassend die Schritte: i) Dehnen von zumindest einem Abschnitt der Faser (1) mit dem Faser-Bragg-Gittersensorsegment (2) mittels einer definierten und kalibrierten Vorspannung in einen vorgespannten Zustand, ii) Befestigen des Abschnitts der Faser (1) mit dem Faser-Bragg-Gittersensorsegment (2) in dem vorgespannten Zustand an dem Sensorelement (4), iii) Befestigen des Trägerelements (4) an der Komponente (3).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Komponente (3) ein Lagerring ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt ii) das Befestigen des Abschnitts der Faser (1) mit dem Faser-Bragg-Gittersensorsegment (2) an dem Trägerelement (4) durch Kleben und/oder mechanisches Ineinandergreifen und/oder Sintern ausgeführt ist, und/oder wobei in Schritt iii) das Befestigen des Trägerelements (4) an der Komponente (3) durch Kleben oder Schweißen ausgeführt ist.
  4. Lagervorrichtung (100) mit - einem Lagerring (3), - einer Faser (1) mit zumindest einem Faser-Bragg-Gittersensorsegment (2), - einem Trägerelement (4), wobei zumindest ein Abschnitt der Faser (1) mit dem zumindest einen Faser-Bragg-Gittersensorsegment (2) in einem definierten und vorgespannten Zustand an dem Trägerelement (4) befestigt ist, und das Trägerelement (4) an dem Lagerring (3) befestigt ist.
  5. Lagervorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei der Lagerring (3) eine Nut (7) aufweist, und das Trägerelement (4) zumindest teilweise in der Nut (7) aufgenommen ist.
  6. Lagervorrichtung (100) gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei das Trägerelement (4) ein massives Element ist, das beispielsweise aus einem Metallmaterial hergestellt ist.
  7. Lagervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Trägerelement (4) im Wesentlichen wie eine Stange oder eine dünne Platte ausgeformt ist.
  8. Lagervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei das Trägerelement (4) eine konkave Fläche hat, die zu einer konvexen Außenfläche des Lagerrings (3) passt, wobei das Trägerelement (4) mit seiner konkaven Fläche an der konvexen Außenfläche des Lagerrings (3) befestigt ist.
  9. Lagervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Lagervorrichtung (100) zumindest eine weitere Faser (1) hat mit zumindest einem weiteren Abschnitt mit zumindest einem weiteren Faser-Bragg-Gittersensorsegment (2'), das an zumindest einem weiteren Trägerelement (4') befestigt ist.
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