DE10210787A1 - System zur Messung physikalischer Parameter in Festkörpern - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Strukturmonitoring in Festkörpern angegeben, das durch die Verwendung von Faser-Bragg-Gittern die Bestimmung von Deformationen und Schallwellen unter Verwendung desselben Sensors ermöglicht.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung physikalischer Parameter in Festkörpern.
• Eine verbreitete Methode zur Messung von Deformation, insbesondere Dehnung in oder an Festkörpern, besteht im Einsatz von sog. Dehnmessstreifen (DMS). Dies wird beispielsweise in der DE 199 54 300 A1 beschrieben. Dehnmessstreifen ändern abhängig von ihrem Dehnungszustand ihren elektrischen Widerstand und lassen so quantitative Rückschlüsse auf das Maß der erfolgten Deformation zu. Dabei weisen sie allerdings einige Nachteile auf. So sind Dehnmessstreifen anfällig gegenüber elektromagnetischen Störungen und müssen für verteilte Messungen mit mehreren DMS jeweils einzeln elektrisch kontaktiert und abgefragt werden. Dies macht sie insbesondere für das Einbringen beispielsweise in Faser-Verbundwerkstoffe unattraktiv.
• Faser-Bragg-Gitter (FBG), die in den letzten Jahren verstärkt an Bedeutung gewonnen haben, weisen die beschriebenen Nachteile nicht auf. Sie sind kompakt und aufgrund ihrer kleinen Abmessungen leicht in Werkstoffstrukturen integrierbar. Ferner ist das Messsignal wellenlängencodiert, somit streckenneutral und robust gegenüber elektromagnetischen Störungen. Durch den Einsatz von Faser-Bragg-Gittern mit verschiedener Bragg- Wellenlänge (Braggwellenlänge: Wellenlänge, für die das Gitter maximale Reflektivität aufweist) in einer Faser lassen sich exzellente Multiplexmöglichkeiten erzielen. Die Verwendung und das Potential dieser Gitter als Sensoren zur Dehnungsmessung ist in der DE 198 56 549 A1 beschrieben.
• In der genannten Schrift wird ein System zur hochgenauen Dehnungsmessung unter Verwendung von Faser-Bragg-Gittern beschrieben. Die bereits erwähnter leichte Strukturintegrierbarkeit der Faser-Bragg-Gitter ermöglicht es, solche Messungen an einem Bauteil aus beispielsweise einem Faserverbundwerkstoff während des Einsatzes des Bauteiles vorzunehmen.
• Bei solchen Verbundwerkstoffen ist es darüber hinaus notwendig, Schäden an beanspruchten Bauteilen wie z. B. Delamination (Ablösung einzelner Schichten voneinander) frühzeitig zu erkennen. Sichtprüfungen reichen hierzu nicht aus, da diese Schäden in der Regel an der Bauteiloberfläche nicht sichtbar sind. Für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung an Bauteilen wie beispielsweise Flugzeugflügeln ist somit ein aktives Prüfverfahren, mit dem auch das Innere der Struktur untersucht werden kann, notwendig.
• Hierzu werden üblicherweise Verfahren angewandt, die sich der Erzeugung und Messung von Ultraschallwellen in der Struktur bedienen. Coppola et al. stellen beispielsweise in der Schrift "Analysis of Feasibility on the Use of Fibre Bragg Gratings as Ultrasound Detectors" (Proc. SPIE Vol. 4328, 2001, pp 224-232) die Möglichkeit der Messung von Ultraschallwellen mittels Faser-Bragg-Gittern vor, ohne jedoch eine entsprechende Vorrichtung anzugeben.
• Für eine besonders effiziente Strukturüberwachung und -untersuchung an Festkörpern ist die Verbindung von Dehnungs- mit Schallmessungen wünschenswert, um sowohl aufgetretene kritische Belastungen als auch beginnende strukturelle Schädingungen des Materials zuverlässig und frühzeitig aufklären zu können.
• Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, sowohl Deformationen als auch Schallwellen in Festkörpern auf möglichst einfache und wirkungsvolle Weise zu bestimmen.
• Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung und das Verfahren mit den in den Patentansprüchen 1 und 11 aufgeführten Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.
• Zur Realisation der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in oder auf einen Festkörper eine oder mehrere Glasfasern mit einem oder mehreren darin eingeschriebenen Faser-Bragg-Gittern eingebracht oder aufgeklebt. Diese Gitter weisen beispielsweise ein Reflexionsspektrum von der Art des in Fig. 1 dargestellten auf.
• Die Ansteuerung der Sensoren und die Auswertung der empfangenen Signale wird über eine Kontrolleinheit vorgenommen (Fig. 2). Sie enthält zur Steuerung der Messungen eine Steuereinheit, beispielsweise einen PC, der auch als Auswerteeinheit verwendet wird. Ferner wird in der Kontrolleinheit das zur Messung verwendete Licht sowohl erzeugt als auch detektiert.
• Als Lichtquelle hat sich ein durchstimmbarer Halbleiterlaser, ein sog. VCSEL, bewährt. Solche Laser sind mittlerweile in der Lage, eine schmalbandige Emissionslinie (Bandbreite von ca. 100 kHz bis 1 MHz) über einen breiten Wellenlängenbereich modensprungfrei und sehr schnell zu verschieben. Derzeit sind VCSEL kommerziell verfügbar, deren Emissionswellenlänge sich in ca. 1 ms über einen Wellenlängenbereich von ca. 30 nm modensprungfrei durchstimmen läßt. Darüber hinaus sind die VCSEL aufgrund ihrer kompakten Bauweise auf einfache Weise in die Kontrolleinheit integrierbar.
• Auch andere Lichtquellen wie beispielsweise External Cavity Laser oder breitbandige Lichtquellen in Verbindung mit schmalbandigen Bandpaßfiltern sind zum Einsatz in der beschriebenen Vorrichtung geeignet.
• Durch die Verwendung einer ebenfalls in die Kontrolleinheit integrierten Wellenlängenzuordnungseinheit kann so z. B. das Reflexionsspektrum eines Faser-Bragg-Gitters bestimmt werden. Die Wellenlängenzuordnungseinheit kann beispielsweise durch die Verwendung einer gasgefüllten Absorptionszelle mit bekanntem Absorptionslinienspektrum realisiert werden.
• Vorzugsweise läuft ein Messvorgang mit dem beschriebenen beispielhaften System wie folgt ab:
  Über die Kontrolleinheit wird die Wellenlänge der Laserlinie bis in den Bereich des Hauptreflexes eines Faser-Bragg-Gitters durchgestimmt. Dabei wird das reflektierte Licht beispielsweise mit einem Photoempfänger detektiert. Zur Bestimmung der aktuellen Dehnung am Gitterort wird eine bestimmte Wellenlänge im Reflexionsspektrum herangezogen. So bietet es sich beispielsweise an, hierzu die Wellenlänge des Intensitätsmaximums des Hauptreflexes zu verwenden. Durch Vergleich beispielsweise mit einem aus einer vorigen Messung gespeicherten oder einem Referenzwert kann die Dehnung am Gitterort mittels der Auswerteeinheit bestimmt werden.
• Im unmittelbaren Anschluß an die Dehnungsmessung ist mit der beschriebenen Anordnung die Schallmessung möglich. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, kann ein begrenzter Bereich der Flanken des Hauptreflexes als näherungsweise linear angenommen werden. Stellt man nun die Laserwellenlänge beispielsweise so ein, daß 50% der maximal reflektierten Intensität vom Gitter zurückreflektiert werden, so erfolgt bei einer schallinduzierten geringen periodischen Verschiebung des Bragg-Reflexes im Wellenlängenspektrum eine Intensitätsmodulation des reflektierten Lichtes mit der Frequenz der das Faser-Bragg-Gitter passierenden Schallwelle (vgl. Fig. 3). Auch die Bereiche der Nebenmaxima des Braggreflexes mit betragsmäßig hoher Steigung der Reflexions-/Transmissionsfunktion sind prinzipiell für eine derartige Messung geeignet. Es ist mit dem beschriebenen System möglich, Ultraschallwellen im Bereich mehrerer hundert kHz zu messen. Ein exemplarisches Messergebnis ist in Fig. 4 dargestellt.
• Beim Auftreten von Rissen oder anderen Schädigungen im Material werden Schallwellen angeregt, die zwar in der Struktur stark gedämpft werden, aber quasi in Echtzeit Rückschlüsse auf neu auftretende strukturelle Defekte zulassen. Eine Detektion dieser Art von Wellen bietet sich für eine passive Online- Schadensdiagnose an, bei der ohne aktive Schallerzeugung durch einen zusätzlichen Schallgeber während der Benutzung des Bauteils eine Strukturuntersuchung vorgenommen werden kann.
• Somit kann während des Einsatzes des Bauteiles eine durch das Entstehen einer Schädigung im Material ausgelöste Schallwelle mit der vorgestellten Anordnung vermessen werden. Auf diese Weise ist es möglich, mit dem selben Sensor sowohl die aktuelle Dehnung als auch das Auftreten struktureller Defekte zu überwachen. Durch die Verwendung des Faser-Bragg-Gitters als Sensor für beide Größen entfällt die Notwendigkeit der Verwendung einer zusätzlichen Klasse von Sensoren mit separater Ansteuerung und Auswertung.
• Um die Sensitivität der Messungen hinsichtlich struktureller Schäden ohne Änderungen am verwendeten Sensornetz weiter zu erhöhen, ist es vorteilhaft, sog. Lambwellen in der Struktur aktiv zu erzeugen und diese zur Strukturuntersuchung zu verwenden. Lambwellen sind geführte Ultraschallwellen in Plattenstrukturen, die analog zu Lichtwellen in Filmwellenleitern im Material über beträchtliche Strecken ausbreitungsfähig sind. Sie sind eine Superposition von Longitudinal- und Transversalwellen und lassen sich über akustische Geber wie beispielsweise piezoelektrische Wandler anregen.
• In einer unbeschädigten Festkörperstruktur erzeugt ein Impuls des Gebers eine charakteristische Modenstruktur der durchlaufenden Lamb-Wellen. Diese Modenstruktur erzeugt in der Meßvorrichtung ein typisches Signal, das für jeden der verwendeten Faser-Bragg-Gitter in einer Speichereinheit als Referenzgröße hinterlegt werden kann. Im Material auftretende Defekte verändern diese Modenstruktur. Durch Vergleich des gemessenen mit dem Referenzsignal in der Auswerteeinheit können auftretende strukturelle Schädigungen des Materials frühzeitig festgestellt werden.
• Eine weitere Verbesserung des erhaltenen Schallsignals läßt sich erreichen, wenn beispielsweise durch die geeignete Wahl der Beschaffenheit des Fasercoatings im Bereich der Faser- Bragg-Gitter oder die Orientierung der Gitter in der Struktur die Sensitivität der Sensoren hinsichtlich entweder der Transversal- oder der Longitudinalmoden der Schallwelle minimiert bzw. maximiert werden.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, statt des durchstimmbaren Halbleiterlasers eine breitbandig emittierende Lichtquelle zu verwenden. Im Unterschied zur erstgenannten Lösung scannt hier nicht die Lichtquelle in der Einkoppelseite, sondern ein durchstimmbares Filter auf der Auskoppelseite der Sensoranordnung. Steuerung und Auswertung erfolgen analog dem oben beschriebenen Verfahren.
• Es ist selbstverständlich auch möglich, statt des Reflexionsspektrums des Faser-Bragg-Gitters in analoger Weise das Transmissionsspektrum zur Messung zu verwenden.
• Zur verteilten Überwachung ausgedehnter Strukturen bietet sich Wellenlängenmultiplex an. Hier werden in eine einzige oder auch mehrere Fasern eingeschriebene Faser-Bragg-Gitter mit unterschiedlichen Bragg-Wellenlängen verwendet, die an verschiedenen Stellen in der Struktur platziert werden. Eine räumliche Zuordnung der erhaltenen Rückreflexe ist somit aufgrund der Kenntnis der einzelnen Bragg-Wellenlängen leicht möglich. Um die Zuordnung der gemessenen Reflexe zu den einzelnen Sensoren gewährleisten zu können, sind die Bragg-Wellenlängen hierbei so zu wählen, daß auch unter extremen Deformationen die Braggreflexe nicht in überlappenden Wellenlängenbereichen liegen. Auf diese Weise kann unter Verwendung einer einzigen Lichtquelle und einer einzigen Faser eine räumlich verteilte Struktur vollständig ausgemessen werden.
• Bei der Verwendung des oben beschriebenen Halbleiterlasers und 100 in der Struktur verteilten Sensoren ist eine Untersuchung der gesamten Struktur in weniger als einer Sekunde möglich.
• Die Meßzeit für die gesamte Struktur läßt sich durch den parallelen Einsatz mehrerer auf die Braggwellenlänge der verwendeten Faser-Bragg-Gitter abgestimmten Halbleiterlaser weiter verkürzen; das hohe Potential der VCSELs zur einfachen Bildung von Laserdiodenarrays ist hierbei besonders vorteilhaft. In analoger Weise ist bei der Verwendung einer breitbandigen Lichtquelle auch der Einsatz mehrerer durchstimmbarer Filter zur Verkürzung der Meßzeiten möglich.
• Eine zyklische Wiederholung des beschriebenen Messvorgangs ermöglicht es, die Entwicklung der strukturellen Integrität des untersuchten Bauteils über einen längeren Zeitraum zu verfolgen. Dabei wird entweder ein in der Struktur vorhandenes Faser- Bragg-Gitter in bestimmten Intervallen oder mehrere Gitter wiederholt nacheinander abgefragt. Die Auswertung von solchen Messungen in Werkstoffstrukturen insbesondere in Verbindung mit Schallmessungen läßt sich zur Festlegung von Wartungsintervallen verwenden. So ist es beispielsweise vorteilhaft, die Wartungsintervalle eines Tragflügels bei gemessener häufiger extremer Beanspruchung zu verkürzen, um strukturelle Schädigungen frühzeitig detektieren und beheben zu können.
• Das beschriebene Verfahren kann sowohl während des Einsatzes des Bauteiles als auch im Rahmen routinemäßiger Prüfungen der Struktur bspw. anläßlich regelmäßiger Wartungsmaßnahmen vorgenommen werden. Die kurzen erforderlichen Meßzeiten sowie die hohe Automatisierbarkeit der Messung halten dabei den Zeit- und Personalbedarf gering. Das beschriebene System erlaubt dabei die Messung von Deformation und Schallwellen unter Verwendung eines aus einer einzigen Sensorklasse bestehenden Sensornetzes; dabei ist auch eine parallele Messung der genannten Größen allein durch eine entsprechende Programmierung der Kontrolleinheit möglich.
• Die sich so ergebenden erweiterten Diagnosemöglichkeiten sind beispielsweise für die Überwachung der Integrität sicherheitsrelevanter Bauteile insbesondere in Luft- und Raumfahrt von zunehmender Bedeutung.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Messung physikalischer Parameter in Festkörpern mit einem oder mehreren an oder in der Struktur angeordneten Lichtwellenleitern mit mindestens einem eingeschriebenen Faser-Bragg-Gitter und einer Kontrolleinheit dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinheit geeignet ist, mit dem selben Faser- Bragg-Gitter sowohl Deformation als auch Schallwellen zu bestimmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Deformation und der Schallwellen in einem Meßzyklus erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung so ausgebildet ist, daß sie als Schallwellen Lamb-Wellen bestimmen kann.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaften des Fasercoatings oder die Orientierung der Faser im Bereich eines oder mehrerer Faser-Bragg-Gitter so gewählt wird, daß die Empfindlichkeit des betreffenden Sensors entweder gegenüber Transversalwellen oder gegenüber Longitudinalwellen minimiert wird.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein akustischer Geber vorgesehen ist, der geeignet ist, Schallwellen in der Struktur anzuregen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Faser-Bragg-Gitter unterschiedliche Braggwellenlängen aufweisen.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine mindestens eine durchstimmbare Lichtquelle mit schmalbandigem Emissionsspektrum enthält.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Faser-Bragg-Gitter jeweils mit einer unterschiedlichen durchstimmbaren Lichtquelle beleuchtet werden.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine Lichtquelle mit breitbandigem Emissionsspektrum enthält.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedenen Faser-Bragg-Gittern unterschiedliche schmalbandige Filter zugeordnet sind.

11. Verfahren zur Messung von Deformation und Schallwellen in Festkörpern mittels Meßwerten eines oder mehrerer Faser- Bragg-Gitter mit einer in den Ansprüchen 1 bis 10 beschriebenen Vorrichtung.

12. Verfahren nach Anspruch 11 mit den folgenden Verfahrensschritten:

- Aufsuchen einer bestimmten Wellenlänge im Reflexions- oder Transmissionsspektrum eines Faser-Bragg-Gitters und Wellenlängenmessung

- Aufsuchen einer bestimmten Wellenlänge im Reflexions- oder Transmissionsspektrum eines Faser-Bragg-Gitters und Aufnahme vom Schallwellen in der Struktur

- Auswerten der erhaltenen Meßwerte zur Bestimmung der Dehnung und der Schallwellen

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwellen mittels eines akustischen Gebers erzeugt werden.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zyklisch für eines oder mehrere der verwendeten Faser-Bragg-Gitter wiederholt wird.