DE112014004544T5

DE112014004544T5 - FBG-Sensor zur Messung maximaler Dehnung, Herstellungsverfahren und Verwendungsverfahren

Info

Publication number: DE112014004544T5
Application number: DE112014004544.6T
Authority: DE
Inventors: Joo Eun Im; Il-Bum Kwon; Mi Hyun Kim; Ki Sun Choi
Original assignee: Korea Research Institute of Standards and Science KRISS
Current assignee: Korea Research Institute of Standards and Science KRISS
Priority date: 2013-10-01
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-07-07
Anticipated expiration: 2034-10-01
Also published as: CN105683705B; CN105683705A; JP6139026B2; JP2016540188A; US20160216166A1; KR101465156B1; US9791335B2; WO2015050355A1; DE112014004544B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen FBG-Sensor zum Messen einer maximalen Dehnung eines zu messenden Objekts, ein Verfahren zur Herstellung des Sensors, und ein Verfahren zur Verwendung des Sensors. Dazu ist ein FBG-Sensor zum Messen einer maximalen Dehnung vorgesehen, der aufweist: eine optische Faser (130)

mit einem darin befindlichen FBG-Sensor (150), eine erste Metallfolie (100), welche mit einer Oberfläche mit der optischen Faser (130) in Berührung steht, eine zweite Metallfolie (120), die in Oberflächenkontakt mit der einen Oberfläche steht, einer Klebstoffschicht (140) zwischen der ersten und der zweiten Metallfolie (100, 120), einem Mittel zur Messung einer verbleibenden Dehnung der ersten und der zweiten Metallfolie (100, 120) mittels des FBG-Sensors (150), und einem Mittel zum Berechnen einer maximalen Dehnung auf der Basis der gemessenen verbleibenden Dehnung und eines durch Versuch erhaltenen Sensitivitätskoeffizienten (Csen).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen FBG-Sensor, und mehr im einzelnen auf einen FBG-Sensor, der eine maximale Dehnung eines zu messenden Gegenstands messen kann, auf ein Verfahren zur Herstellung des Sensors, und auf ein Verfahren zur Verwendung des Sensors.
Stand der Technik
Im allgemeinen bedeutet ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor (FBG-Sensor) einen Sensor, der die Reflexions-, Brechungs-, Beugungs- und Durchlässigkeitserscheinungen von Licht bei Übertragung von Licht durch eine optische Faser ausnutzt. Bei einem solchen FBG-Sensor werden Ultraviolettstrahlen selektiv auf eine optische Glasfaser abgestrahlt, so dass in Längsrichtung der optischen Faser ein Muster gebildet wird, dessen Brechungsindex periodisch fein geändert wird.
Ein solcher FBG-Sensor ist dadurch gekennzeichnet, dass er einen niedrigen Einfügungsverlust hat, weil er als ein Filter innerhalb einer optischen Faser ausgebildet werden kann. Des weiteren hat der FBG-Sensor sehr niedrige Herstellungskosten im Falle von Massenfertigung, und die Bandbreite des Filters kann größenmäßig sehr klein sein.
Zu weiteren Eigenschaften des FBG-Sensors gehört, dass der FBG-Sensor für Messungen der Einlagerungsart geeignet ist (Dauerhaftigkeit), weil eine geringe Wahrscheinlichkeit der Verschlechterung aufgrund von Korrosion besteht, und weil kein abnormer Wert aufgrund von Feuchtigkeit erzeugt wird (Zuverlässigkeit), weil ein optisches Signal verwendet wird. Es gibt keinen Einfluß, wie beispielsweise ein elektrisches Feld an der Meßstelle, weil ein optisches Signal zu einer Meßeinrichtung übertragen wird. Insbesondere ist der FBG-Sensor leicht in einer Hochspannungsumgebung einsetzbar (geräuschlos), kann frei in feuergefährlichen Bereichen verwendet werden, weil weder ein elektrisches Signal noch Elektrizität benutzt wird (Explosionssicherheit), kann leicht in langen Tunnels und großmaßstäblichen Strukturen verwendet werden, weil ein optisches Signal einen sehr geringen Übertragungsverlust hat und in einem Bereich von mehreren Kilometer gemessen werden kann (Anwendbarkeit), kann von einer extrem niedrigen Temperatur (–270°) bis zu einer extrem hohen Temperatur (mehrere 100 Grad) eingesetzt werden, und kann bei feuchter Hitze und bei extrem niedriger Temperatur und hoher Temperatur eingesetzt werden (Temperaturfähigkeit). Insbesondere kann ein optischer FBG-Fasersensor Dehnungen innerhalb von Beton wie eine existierende elektrische Meßeinrichtung messen und hat eine sehr hohe Wirtschaftlichkeit, weil er seine Meßfunktion über mehr als ein Jahr selbst in einer schwierigen Umgebung aufrechterhalten kann.
Ein solcher FBG-Sensor arbeitet mit einem Zeitteilungs-Multiplexverfahren (TDM-Verfahren) unter Verwendung einer Zeitdifferenz und einem Wellenteilungs-Multiplexverfahren (WDM-Verfahren) unter Verwendung einer Differenz zwischen Wellenformen. Bei dem Zeitteilungs-Multiplexverfahren kann ein einfaches Meßsystem aufgebaut werden, weil ein Maximum von 100 FBG-Sensoren in Reihe in einer einzigen optischen Faser angeordnet werden kann. Im Gegensatz dazu ist das Wellenteilungs-Multiplexverfahren ein Verfahren zur FBG-Identifizierung in einer höheren Schicht einer für das FBG einzigartigen Reflexionswellenlänge und kann eine Messung über eine lange Distanz durchführen.
Neuerdings ist der FBG-Sensor auf dem Gebiet der Strukturzustandsüberwachung (SHM) entwickelt worden, beispielsweise als Dehnungsmessung, Riß-Diagnose, Wärmemessung, und Drucküberwachung. Der Grund dafür liegt darin, dass der FBG-Sensor exzellente Vorteile einer anti-elektromagnetischen Eigenschaft, einer geringen Größe, Korrosionsbeständigkeit, und Sensor-Multiplizität für eine einzige Faser aufweist, wie oben beschrieben.
Des weiteren kann der FBG-Sensor zum Messen von Parameter eingesetzt werden, die mit Bezug auf eine Änderung einer Dehnung oder Temperatur signifikant erscheinen.
Herkömmliche optische Fernkommunikationsfasern umfassen Silika-Glasfasern, die mit zwei bis drei Polymerschichten beschichtet sind. Der Grund dafür liegt darin, dass eine unbeschichtete optische Faser leicht bricht. Eine mit Polymer überzogene Silikafaser ergibt für eine kurze Zeit hohe Steifigkeit. Wenn solche Fasern in einer nassen Umgebung einer Spannung ausgesetzt werden, verringert sich jedoch die Festigkeit über einen längeren Zeitraum, weil ein Riß sehr langsam wächst. Um eine Silika-Glasfaser vor dem Eindringen von Feuchtigkeit zu schützen, kann eine Metallbeschichtung, beispielsweise aus Aluminium, Indium, Zinn, Antimon, Zink, Blei, Kupfer, Nickel oder Gold auf die optische Faser aufgebracht werden. Einige der Fasern zeigten eine höhere Beständigkeit gegen das Eindringen von Feuchtigkeit. Des weiteren zeigten einige der Fasern eine höhere Steifigkeit im Vergleich zu einer Polymer-beschichteten Faser. Einige der Fasern können einer relativ höheren Temperatur standhalten. Mittlerweile wird eine optische Faser zur Steigerung mechanischer Eigenschaften beschichtet, wie beispielsweise des Elastizitätsmoduls, des Wärmedehnungskoeffizienten, und einer Poissonzahl, um die Zuverlässigkeit zu verbessern und die optische Faser gegen eine schwierige Umgebung zu schützen. Obwohl eine solche Technologie zur Beschichtung einer optischen Faser die Eigenschaften der optischen Faser verbessert wurde eine Technologie zum Erfassen einer maximalen Dehnung des zu messenden Objekts unter Verwendung der veerbleibenden Dehnung eines beschichteten Materials noch nicht gefunden.
Technisches Problem
Dementsprechend behält die vorliegende Erfindung die obigen, im Stand der Technik auftretenden Probleme im Auge und eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines FBG-Sensors zum Messen einer maximalen Dehnung, der in der Lage ist, eine maximale Dehnung des zu messenden Objekts unter Verwendung einer bleibenden Dehnung zu messen, eines Verfahrens zum Herstellen des FBG-Sensors, und eines Verfahrens zur Anwendung des FBG-Sensors.
Die von der vorliegenden Erfindung zu erreichenden Ziele sind nicht auf die oben erwähnte Zielsetzung beschränkt, und der Fachmann auf dem Gebiet, auf welches die vorliegende Erfindung sich bezieht, wird aus der folgenden Beschreibung weitere technische Ziele leicht verstehen.
Technische Lösung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann durch einen FBG-Sensor zum Messen einer maximalen Dehnung gelöst werden, mit einer optischen Faser 130, in welcher ein FBG-Sensor 150 gebildet ist, einer ersten Metallfolie 100, mit welcher die optische Faser 130 an einer Oberfläche derselben in Berührung steht, einer zweiten Metallfolie 120, die Oberflächenkontakt mit der einen Oberfläche hat, einer Klebeschicht 140, die zwischen der ersten und der zweiten Metallfolie 100, 120 vorgesehen ist, Mitteln zur Messung verbleibender Dehnungen der ersten und der zweiten Metallfolie 100, 120 durch den FBG-Sensor 150, und Mitteln zum Berechnen einer maximalen Dehnung, basierend auf den gemessenen verbleibenden Dehnungswert und einem durch Experimente berechnenden Sensitivitätskoeffizienten Csen.
Des weiteren kann mindestens eine der ersten Metallfolie 100 und der zweiten Metallfolie 120 eine Aluminiumfolie, eine Stahlfolie, oder eine Kupferfolie sein. Des weiteren hat mindestens eine der ersten Metallfolie 100 und der zweiten Metallfolie 120 eine Dicke im Bereich von 10 μm bis 30 μm. Mindestens eine der ersten Metallfolie 100 und der zweiten Metallfolie 120 ist vorzugsweise in Längsrichtung der optischen Faser 130 rechteckig. Des weiteren ist die optische Faser 130 auf der Mittellinie mindestens einer der ersten Metallfolie 100 und der zweiten Metallfolie 120 platziert.
Des weiteren weist der FBG-Sensor vorzugsweise weiter eine Halterung zur Verbindung einer Oberfläche einer der ersten Metallfolie 100 und der zweiten Metallfolie 120 mit einem zu messenden Objekt auf. Ferner weist die Halterung vorzugsweise ein Paar von Halterungen 160a und 160b auf, die symmetrisch auf den FBG-Sensor 150 platziert sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann als weitere Kategorie durch ein Verfahren zur Herstellung eines FBG-Sensors zum Messen einer maximalen Dehnung gelöst werden, welches die Schritte des Bildens einer Klebstoffschicht 140 durch Aufbringen von Klebstoffen auf einer Oberfläche einer ersten Metallfolie 100 (S 100), des Bindens einer optischen Faser 130, welche den FBG-Sensor 150 enthält, an die Klebstoffe (S 200), und des Bindens einer zweiten Metallfolie 120 an die eine Oberfläche der ersten Metallfolie 100 (S 300) umfasst.
Des weiteren umfaßt das Verfahren vorzugsweise ferner den Schritt (S 400) des Schneidens der ersten und der zweiten Metallfolie 100, 120 in eine gewünschte Form.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann als eine noch weitere Kategorie durch ein Verfahren zur Verwendung eines FBG-Sensors zum Messen einer maximalen Dehnung gelöst werden, das die Schritte des Befestigens des FBG-Sensors, der hergestellt wurde durch die Schritte des Bildens einer Klebstoffschicht 140 durch Aufbringen von Klebstoffen auf eine Oberfläche einer ersten Metallfolie 100 (S 100), des Bindens einer optischen Faser 130, welche den FBG-Sensor 150 enthält, an die Klebstoffe (S 200), des Bindens einer zweiten Metallfolie 120 auf die eine Oberfläche der ersten Metallfolie 100 (S 300), und des Schneidens der ersten und der zweiten Metallfolie 100, 120 in eine gewünschte Form (S 400), an einem zu messenden Objekt, des Eingebens eines spezifischen Eingangssignals in die optische Faser 130, während das zu messende Objekt verformt wird oder nach dem das zu messende Objekt verformt worden ist, des Messens eines Ausgangssignals des FBG-Sensors 150, basierend auf dem Eingangssignal, des Messens einer verbleibenden Dehnung des zu messenden Objekts, basierend auf dem Ausgangssignal, und einer maximalen Dehnung unter Verwendung des gemessenen verbleibenden Dehnungswerts und eines durch Experimente berechneten Sensitivitätskoeffizienten Csen umfasst.
Vorteilhafte Wirkungen
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Eigenschaften (anti-elektromagnetische Eigenschaft, kleine Größe, Korrosionsbeständigkeit, usw.) eines FBG-Sensors aufrechterhalten werden, und eine maximale Dehnung eines zu messenden Objekts kann ebenfalls gemessen werden. Dementsprechend kann die vorliegende Erfindung aktiv auf dem Gebiet der Strukturzustandsüberwachung (SHM) eingesetzt werden, wie beispielsweise Dehnungsmessung, Riß-Diagnose, Wärmemessung, und Drucküberwachung.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit dem bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist für den Fachmann klar, dass die vorliegende Erfindung in verschiedener Weise abgewandelt und modifiziert werden kann, ohne von dem Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass solche Änderungen und Modifikationen in den Schutzbereich der anliegenden Ansprüche fallen.
Beschreibung der Zeichnungen
Die anliegenden Zeichnungen zu dieser Beschreibung illustrieren bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zur Erleichterung des weiteren Verständnisses des technischen Gehalts der vorliegenden Erfindung zusammen mit der detaillierten Beschreibung der Erfindung. Dementsprechend sollte die vorliegende Erfindung nicht als nur auf die in den Zeichnungen dargestellten Inhalte beschränkt angesehen werden.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines FBG-Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine Querschnittsdarstellung der 1 in Richtung A-A,
3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines FBG-Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4 ist eine Verwendungszustandsdarstellung, die schematisch den Zustand zeigt, in welchem die in 1 gezeigte erste Ausführungsform an einem CFRP 200 befestigt ist, d. h. an einer Probe, und maximale Dehnungen und verbleibende Dehnungen gemessen werden,
5 zeigt eine Seitenansicht der 4,
6 ist eine Verwendungszustandsdarstellung, die schematisch den Zustand zeigt, in welchem die in 3 gezeigte zweite Ausführungsform an dem CFRP 200 befestigt ist, d. h. einer Probe, und maximale Dehnungen und verbleibende Dehnungen gemessen werden,
7 zeigt ein Flußdiagramm, welches ein Verfahren der Herstellung des FBG-Sensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
8 zeigt eine Graphik der Messung maximaler Dehnungen unter Verwendung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
9 zeigt eine Graphik der Messung von Dehnungen und verbleibenden Dehnungen unter Verwendung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
10 zeigt eine Graphik der Messung einer maximalen Dehnung unter Verwendung der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
11 zeigt eine Graphik der Messung von Dehnungen und verbleibenden Dehnungen unter Verwendung der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beste Ausführungsweise
Ein FBG-Sensor zum Messen einer maximalen Dehnung gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine optische Faser 130 mit einem darin angeordneten FBG-Sensor 150, eine erste Metallfolie 100, wobei die optische Faser 140 in Kontakt mit einer Oberfläche derselben steht, eine zweite Metallfolie 120, die Oberflächenkontakt mit der einen Oberfläche hat, eine Klebstoffschicht 140, die zwischen der ersten Metallfolie 100 und der zweiten Metallfolie 120 vorgesehen ist, Mittel zum Messen verbleibender Dehnungen der ersten und der zweiten Metallfolie 100, 120 durch den FBG-Sensor 150, und Mittel zum Berechnen einer maximalen Dehnung basierend auf den gemessenen verbleibenden Dehnungswert und einem durch Experimente berechneten Sensitivitätskoeffizienten Csen aufweisen.
In diesem Fall wird der FBG-Sensor 150 im mittleren Teil der optischen Faser 130 platziert. Die erste und die zweite Metallfolie 100, 120 werden oben und unten auf der Basis des FBG-Sensors 150 verbunden. Die erste und die zweite Metallfolie 100, 120 und die optische Faser 130 sind durch die Klebstoffschicht 140 dicht aneinander gebunden. Wenn die erste und die zweite Metallfolie 100, 120 in eine Rechteckform geschnitten sind, befindet sich der FBG-Sensor 150 in der Mittenposition hiervon.
Betriebsweise der Erfindung
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im einzelnen mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, so dass der für die vorliegende Erfindung zuständige Fachmann in der Lage ist, die vorliegende Erfindung leicht anzuwenden. Bei der Beschreibung eines Arbeitsprinzips mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird jedoch eine detaillierte Beschreibung relevanter Funktionen oder Konstruktionen weggelassen, sofern anzunehmen ist, dass dies den Gedanken der vorliegenden Erfindung unnötig vage machen würde.
Des weiteren bezeichnen die gleichen Bezugszahlen Elemente mit ähnlichen Funktionen und Arbeitsweisen in allen Zeichnungen. In der gesamten Beschreibung gilt, wenn beschrieben wird, dass ein Element mit dem anderen Element verbunden ist, das eine Element unmittelbar oder mittelbar über ein drittes Element mit dem anderen Element verbunden sein kann. Ferner, wenn beschrieben wird, dass ein Element ein anderes Element aufweist, bedeutet dies, dass das eine Element ein weiteres Element nicht ausschließt, sondern weitere Elemente umfassen kann, sofern nichts anderes gesagt ist.
Konfiguration
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines FBG-Sensors 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 2 zeigt eine Schnittdarstellung der 1 in Richtung A-A. Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, ist ein FBG-Sensor 150 im Mittelteil einer optischen Faser 130 angeordnet. Eine erste Metallfolie 100 und eine zweite Metallfolie 120 stehen oben und unten in Berührung mit dem FBG-Sensor 150. Die erste Metallfolie 100 und die zweite Metallfolie 120 sowie die optische Faser 130 sind mittels einer Klebstoffschicht 140 dicht aneinander gebunden.
Die erste und die zweite Metallfolie 100, 120 können jeweils eine Aluminiumfolie mit einer Dicke im Bereich von 10 μm bis 30 μm sein. Mehr vorzugsweise können die erste und die zweite Metallfolie 100, 120 jeweils eine Dicke vom Bereich von 15 μm bis 20 μm haben. Wenn die Dicke weniger als 10 μm beträgt, kann die Metallfolie reißen, wenn sie gehandhabt wird, oder es ist schwierig, die Metallfolie herzustellen. Wenn die Dicke größer als 30 μm ist, kann es schwierig sein, die verbleibende Dehnung der Metallfolie genau zu messen, weil die elastische Rückstellkraft erhöht ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde eine Aluminiumfolie mit einer Dicke von etwa 18 μm sowohl als erste Metallfolie 100 als auch als zweite Metallfolie 120 verwendet. Dementsprechend beträgt die Gesamtdicke der ersten und der zweiten Metallfolien 100 und 120 und der Klebstoffschicht 140 etwa 36 μm. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann statt der Aluminiumfolie eine Stahlfolie, eine Kupferfolie oder dgl. verwendet werden.
Wenn die erste und die zweite Metallfolie 100 und 120 in eine Rechteckform geschnitten werden, ist der FBG-Sensor 150 in der Mittenposition der ersten und der zweiten Metallfolie 100 und 120 platziert.
Ein Produkt von KYOBA, nämlich Cyano-Acrylat-Basis-CC-33A, wurde als Klebstoff in der Klebstoffschicht 140 verwendet.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines FBG-Sensors 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 gezeigt ist, sind die erste und die zweite Metallfolie 100 und 120, die Klebstoffschicht 140, die optische Faser 130, der FBG-Sensor 150 usw. gleich wie bei der ersten Ausführungsform, und auf eine Beschreibung dieser Elemente wird verzichtet.
Halterungen 160a und 160b dienen zum Verbinden der ersten Metallfolie 100 und des zu messenden Objekts 200. Die Halterungen 160a und 160b sind symmetrisch an Positionen angeordnet, die etwa 2,5 cm voneinander an der Basis des FBG-Sensors 150 beabstandet sind. Aktuell können die Halterungen 160a und 160b aus Epoxyharz bestehen (KFR-730E-Harz:KFR-730F-Härter = Verhältnis von 100:37), das dick aufgetragen und ausgehärtet ist. Dementsprechend wird eine Spannung und eine Dehnung des zu messenden Objekts 200 über die Halterungen 160a und 160b auf den Sensor übertragen.
Herstellungsverfahren
Ein Herstellungsverfahren der ersten und der zweiten Ausführungsform mit den obigen Konstruktionen wird nun unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen beschrieben. 7 zeigt ein Flußdiagramm, welches ein Herstellungsverfahren des FBG-Sensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie in 7 gezeigt ist, werden eine Aluminiumfolie (die erste Metallfolie 100) mit einer Dicke von etwa 18 μm, die leicht erhältlich ist, und die optische Faser 130 vorbereitet, in welcher der FBG-Sensor 150 von etwa 1 cm Länge eingebettet ist. Danach wird die Klebeschicht 140 durch Aufbringen von Klebstoff auf eine Oberfläche der Aluminiumfolie (der ersten Metallfolie 100) aufgebracht (S 100).
Danach wird die optische Faser 130 an die Klebstoffschicht 140 gebunden, so dass der FBG-Sensor 150 in deren Mitte platziert wird (S 200).
Danach wird die gleiche Aluminiumfolie (die zweite Metallfolie 120) wie die Aluminiumfolie (die erste Metallfolie 100) aufgelegt und an die Aluminiumfolie (die erste Metallfolie 100) gebunden (S 300). Ein Blatt einer größeren Aluminiumfolie kann bei Anwendung eines modifizierten Herstellungsverfahrens gefaltet werden, um dadurch den Schritt S 300 durchzuführen.
Danach werden die Ränder der Aluminiumfolien (der ersten und der zweiten Metallfolie 100 und 120) auf die gewünschte Größe und Form (z. B. rechteckig) geschnitten und fertiggestellt (S 400). Auf diese Weise wird die optische Faser 130 vorzugsweise auf der Mittellinie der Aluminiumfolien platziert, so dass diese links und rechts symmetrisch zueinander verlaufen.
Des weiteren kann ein Schritt zum Verbinden der Halterungen 160a und 160b wie bei der zweiten, in 3 gezeigten Ausführungsform hinzugefügt werden, falls notwendig. Das Paar von Halterungen 160a und 160b wird an voneinander links und rechts etwa 2,5 cm beabstandeten Positionen auf der Basis von der Mitte aus unter Verwendung von Epoxyharz angebracht. Das Fertigungsverfahren des FBG-Sensors 10, 20 nach der vorliegenden Erfindung wird durch solche Schritte vervollständigt.
Verwendungsverfahren
Ein Verwendungsverfahrung zur Messung einer maximalen Dehnung unter Verwendung der ersten und der zweiten Ausführungsform wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Zuerst wird ein Sensitivitätskoeffizient Csen zwischen einer maximalen Dehnung und einer verbleibenden Dehnung wie folgt definiert:
In der Gleichung 1 ist e_max eine maximale Dehnung und e_res ist eine verbleibende Dehnung. Danach, nachdem der FBG-Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung und ein Dehnungsmeßstreifen an einer spezifischen Probe befestigt worden sind, wird ein Zugspannungstest in einem Zugspannungstestgerät durchgeführt. Der Sensitivitätskoeffizient Csen wird aus Gleichung 1 unter Verwendung der maximalen Dehnung e_max des zu diesem Zeitpunkt gemessenen Dehnungsmeßstreifens und der verbleibenden Dehnung e_res des nach dem Zugspannungstest gemessenen FBG-Sensors berechnet. Danach, wenn eine zu messende Struktur an dem FBG-Sensor befestigt ist und die verbleibende Dehnung e_res gemessen wird, erhält man die maximale Dehnung e_max aus der Gleichung 1 unter Verwendung des zuvor berechneten Sensitivitätskoeffizienten Csen.
4 zeigt eine Verwendungszustandsdarstellung, die schematisch den Zustand zeigt, in welchem die 1 gezeigte erste Ausführungsform an einem CFRP 200 befestigt ist, d. h. an einer Probe, und es werden maximale Dehnungen und verbleibende Dehnungen gemessen, und 5 zeigt eine Seitenansicht der 4. Wie in den 4 und 5 gezeigt ist, wurde kohlefaserverstärktes Polymer (CFRP), also eine spezifische Probe 200, deren Sensitivitätskoeffizient Csen zu berechnen war, vorbereitet. Der kohlefaserverstärkte Polymer (CFRP) wird als hauptsächliches Konstruktionsmaterial in nahezu sämtlichen kommerziellen modernen Flugzeugen verwendet. Um den Gesundheitszustand eines komplexen Materials wie beispielsweise CFRP zu überwachen, ist es sehr wichtig, eine maximale Dehnung zu erfassen. Der Grund dafür liegt darin, dass ein Struktursicherheitskriterium auf der Basis einer solchen Information bestimmt werden kann. Die Dimensionen der kohlefaserverstärkten Polymerkomplex-Probe 200 waren 2 mm Dicke, 25 mm Breite, und 150 mm Länge. Der FBG-Sensor 10, mit welchem die Aluminiumfolien verbunden waren, wurde an der Oberseitenfläche der CFRP-Probe 200 unter Verwendung von Epoxyharz befestigt, und ein elektrischer Dehnungsmeßstreifen 250 von 5 mm Länge wurde auf der Unterseite der CFRP-Probe 200 befestigt. Ein Signal des Dehnungsmeßstreifens 250 wurde durch eine separate Verdrahtung 260 ausgegeben.
Die gemäß den 4 und 5 vorbereitete Probe 200 wurde auf einer Universaltestmaschine (UTM) montiert, die so steuerbar war, dass eine Belastung von einem Maximum von 5 Tonnen und Verformung ausgeübt werden konnten, und es wurde eine Zugkraft in Richtung des Pfeils in 4 angelegt. Während des Zugspannungstests wurden die Daten des FBG-Sensors 10 gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine FBG-Abfrageeinrichtung erhalten, und die Daten des Dehnungsmeßstreifens 250 wurden durch einen Signalregler (nicht dargestellt) über einen A/D-Wandler (nicht dargestellt) erhalten. Als detaillierte Versuchsmethode wurde eine Dehnung wiederholt 10× für jeden Belastungsschritt gemessen. Jeder Schritt war 100 Kbf, und eine Steigerung jeder Last auf den FBG-Sensor 10 auf der Probe 200 und das Wegnehmen der Spannung wurde wiederholt.
6 zeigt eine Verwendungszustandsdarstellung, die schematisch den Zustand zeigt, in welchem die zweite, in 3 gezeigte Ausführungsform an dem CFRP 200, also einer Probe, befestigt ist und maximale Dehnungen und verbleibende Dehnungen gemessen werden.
Graphiken maximaler Dehnungen und verbleibender Dehnungen für die erste und zweite Ausführungsform unter Verwendung eines solchen Verfahrens sind in den 8 bis 11 dargestellt. 8 zeigt eine Graphik der Messung maximaler Dehnungen unter Verwendung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 9 zeigt eine Graphik der Messung von Dehnungen und verbleibenden Dehnungen unter Verwendung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 10 zeigt eine Graphik der Messung einer maximalen Dehnung unter Verwendung der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 11 zeigt eine Graphik der Messung von Dehnungen und verbleibenden Dehnungen unter Verwendung der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Als Referenz konnte keine verbleibende Dehnung vom FBG-Sensor ohne eine Metallfolie erhalten werden.
Wie aus den 8 und 9 ersichtlich ist, sind bleibende Dehnungen aus dem zweiten Schritt der angelegten Zugkraft verblieben. Wann immer die Zugkraft erhöht wurde, wurden Ergebnisse erhalten, wonach die verbleibende Dehnung sich linear erhöht hatte. Das bedeutet, dass die Steigung der maximalen Dehnung e_max und der verbleibenden Dehnung e_res 5,64 bzw. 0,87 betrug. Gemäß Gleichung 1 wurde der Sensitivitätskoeffizient Csen mit etwa 6,48 berechnet. Der Sensitivitätskoeffizient Csen konnte durch einen solchen Prozeß berechnet werden.
Danach wurde der FBG-Sensor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung an dem aktuell zu messenden Objekt befestigt und es wurde die verbleibende Dehnung e_res des Objekts berechnet. Die maximale Dehnung e_max konnte aus Gleichung 1 unter Verwendung der gemessenen verbleibenden Dehnung e_res und dem mittels des Prozesses berechneten Sensitivitätskoeffizienten Csen berechnet werden.
Wie aus den 10 und 11 ersichtlich ist, wurde eine Dehnung wiederholt fünf Mal für jeden Schritt gemessen. Wenn die Zugspannung an die Probe 200 angelegt wurde, wurde die verbleibende Dehnung aus dem vierten Schritt gemessen. Die Dehnungen zeigten Linearität wie in den 8 und 9. Die Steigungen einer maximalen Dehnung e_max und einer verbleibenden Dehnung e_res, die nach dem gleichen Verfahren wie bei dem Experiment nach den 8 und 9 gemessen wurden, betrugen 2,69 bzw. 0,319. Dementsprechend wurde gemäß Gleichung 1 ein Sensitivitätskoeffizient Csen von etwa 8,43 berechnet.
Eine Differenz zwischen den Ergebnissen der ersten Ausführungsform nach den 8 und 9 und den Ergebnissen der zweiten Ausführungsform nach den 10 und 11 zeigt ein Verhältnis zwischen der Dehnung und den Zugspannungsschritten. Wie erwartet, ist der Dehnungskoeffizient Csen von 6,48 bei der ersten Ausführungsform (8 und 9) kleiner als der Sensitivitätskoeffizient Csen von 8,43 bei der zweiten Ausführungsform (10 und 11). Das kann als mit der Distanz zwischen dem FBG-Sensor und der Probe 200 im Zusammenhang stehend angesehen werden. Dies bedeutet: Im Fall der ersten Ausführungsform (8 und 9) ist der Sensitivitätskoeffizient Csen klein, weil die Distanz zwischen dem FBG-Sensor und der Probe 200 gering ist. Im Fall der zweiten Ausführungsform (10 und 11) ist der Sensitivitätskoeffizient Csen groß, weil die Distanz zwischen dem FBG-Sensor und der Probe 200 größer ist.
Des weiteren beträgt die verbleibende Dehnung e_res bei der ersten Ausführungsform (8 und 9) 0,87, und die verbleibende Dehnung e_res bei der zweiten Ausführungsform (10 und 11) beträgt 0,319, und hier ist eine Differenz von mehr als dem Zweifachen. Dementsprechend können die FBG-Sensoren der ersten und der zweiten Ausführungsform in geeigneter Weise angebracht und verwendet werden, je nach Sensorverteilungsgebiet, Größe und Kleinheit einer verbleibenden Dehnung, und Größe und Kleinheit eines Sensitivitätskoeffizienten.
Der oben beschriebene FBG-Sensor ist nicht auf die Konfigurationen und Verfahren der oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern manche oder sämtliche der Ausführungsformen können selektiv kombiniert und konfiguriert werden, so dass die Ausführungsformen in verschiedener Weise modifiziert werden können.

Claims

FBG-Sensor zum Messen einer maximalen Dehnung, mit: einer optischen Faser (130) mit einem darin angeordneten FBG-Sensor (150), einer ersten Metallfolie (100), wobei die optische Faser (130) in Berührung mit einer Oberfläche hiervon steht, einer zweiten Metallfolie (120), die Oberflächenkontakt mit der einen Oberfläche hat, einer Klebstoffschicht (140), die zwischen der ersten und der zweiten Metallfolie (100, 120) vorgesehen ist, Mitteln zum Messen verbleibender Dehnungen der ersten und der zweiten Metallfolie (100, 120) durch den FBG-Sensor (150), und Mitteln zum Berechnen einer maximalen Dehnung, basierend auf den gemessenen Werten der verbleibenden Dehnung und einem durch Experimente berechneten Sensitivitätskoeffizienten Csen.
FBG-Sensor nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der ersten und der zweiten Metallfolie (100, 120) eine Aluminiumfolie ist.
FBG-Sensor nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der ersten und der zweiten Metallfolie (100, 120) eine Dicke im Bereich von 10 μm bis 30 μm hat.
FBG-Sensor nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der ersten und der zweiten Metallfolie (100, 120) in Längsrichtung der optischen Faser (130) rechteckig ist.
FBG-Sensor nach Anspruch 1, wobei die optische Faser (130) auf einer Mittellinie mindestens einer der ersten und der zweiten Folie (100, 120) angeordnet ist.
FBG-Sensor nach Anspruch 1, der weiter eine Halterung zur Verbindung einer Oberfläche einer der ersten und der zweiten Metallfolie (100, 120) und einem zu messenden Objekt aufweist.
FBG-Sensor nach Anspruch 6, wobei die Halterung ein Paar von Halterungen (160a, 160b) umfasst, die symmetrisch bezüglich des FBG-Sensors (150) platziert sind.
Verfahren zur Herstellung eines FBG-Sensors zum Messen einer maximalen Dehnung, wobei das Verfahren die Schritte (S 100, S 200, S 300) aufweist: Bilden einer Klebstoffschicht (140) durch Aufbringen von Klebstoff auf eine Oberfläche einer ersten Metallfolie (100), Binden einer optischen Faser (130), welche den FBG-Sensor (150) enthält, an den Klebstoff, und Binden einer zweiten Metallfolie (120) an die eine Oberfläche der ersten Metallfolie (100).
Verfahren nach Anspruch 8, das weiter den Schritt (S 400) des Schneidens der ersten und der zweiten Metallfolie (100, 120) in eine gewünschte Form umfaßt.
Verfahren zur Verwendung eines FBG-Sensors um Messen einer maximalen Dehnung, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: Befestigen des FBG-Sensors, der durch die Schritte Bilden einer Klebstoffschicht (140) durch Aufbringen von Klebstoff auf eine Oberfläche einer ersten Metallfolie (100), Binden einer optischen Faser (130), welche den FBG-Sensor (150) enthält, an den Klebstoff, Binden einer zweiten Metallfolie (120) an die eine Oberfläche der ersten Metallfolie (100), und Schneiden der ersten und der zweiten Metallfolie (100, 120) in eine gewünschte Form hergestellt ist, an einem zu messenden Objekt, Einleiten eines spezifischen Eingangssignals in die optischer Faser (130), während ein zu messendes Objekt verformt wird, oder nachdem das zu messende Objekt verformt worden ist, Messen eines Ausgangssignals des FBG-Sensors (150), basierend auf dem Eingangssignal, Messen einer verbleibenden Dehnung des zu messenden Objekts, basierend auf dem Ausgangssignal, und Ermitteln einer maximalen Dehnung unter Verwendung der gemessenen verbleibenden Dehnung und eines durch Experimente berechneten Sensitivitätskoeffizienten Csen.