DE19913113A1

DE19913113A1 - Vorrichtung zur Messung mechanischer, plastischer Verformungen von Stäben

Info

Publication number: DE19913113A1
Application number: DE19913113A
Authority: DE
Inventors: Stephan Groswig; Andrea Graupner; Wolfgang Ecke; Martin Schroeck; Manfred Rothardt
Original assignee: GESO GES fur SENSORIK GEOTECH
Current assignee: GESO GES fur SENSORIK GEOTECH
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2000-10-12
Anticipated expiration: 2019-03-24
Also published as: DE19913113C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung mechanischer, elastischer bis plastischer Verformungen von Stäben mittels optischer Fasergitter-Sensoren, wobei mehrere Fasergitter-Sensoren in einem vorgegebenen Steigungswinkel um den Stab gewickelt und mit diesem kraft-, stoff- und/oder formschlüssig verbunden sind, sowie die Fasern um einen Steigungswinkel phi¶0¶ angeordnet werden. Ein Teil der Faserwicklung weist einen Steigungswinkel phi¶1¶ < phi¶0¶ und ein weiterer Teil der Faserwicklung einen Steigungswinkel phi¶2¶ > phi¶0¶ auf, wobei der Steigungswinkel phi¶0¶ dem Winkel der kontinuumsmechanischen Kompensationsbedingung bei Längsdehnung und gleichzeitiger Querkontraktion des Stabes entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung mechani scher, elastischer bis plastischer Verformungen von Stäben, insbesondere Ankerstäben, gemäß Oberbegriff des Patentan spruchs 1.

Die Kontursicherung in Abbaustrecken des Steinkohlebergbaus in Deutschland erfolgte bisher vorwiegend mit einem nachgiebigen Stahlbogenausbau. In jüngster Zeit wird dazu übergegangen, die Kontur der Abbaustrecken mit einer systematischen Ankerung mit Einstabankern aus Stahl zu sichern und damit die Standfestig keit des Gebirges um den Hohlraum zu erhöhen. Dazu ist ein umfassendes Bemessungs- und Überwachungssystem der Anker not wendig. Die Dehnung der Anker ist auch ein Indiz für die Ver formungen des Gebirges. Ein beispielhaftes Berechnungsverfahren für die Dimensionierung von Ankerausbauten im Bergbau ist in Felsbau 17 (1999) Nr. 5, S. 405-414 beschrieben.

Bisher erfolgt die Überwachung der Stahlanker selbst vorwiegend mit Dehnungsmeßstreifen, die auf den Ankern appliziert sind und im Verbund mit in das Gebirge eingebaut werden. Da der Deh nungsbereich der Dehnungsmeßstreifen sehr klein im Verhältnis der im Anker auftretenden Dehnungen und dieses Verfahren sehr aufwendig und teuer ist, erfolgt eine Anwendung oben genannter Technik zur Dehnungsmessung nur begrenzt.

Des weiteren werden zur Überwachung der Dehnungen der Anker einzelne, sogenannte Widerstandsanker ins Gebirge eingebaut. In diesen befindet sich in einer Nut ein isolierter Stahldraht, welcher in regelmäßigen Abständen auf Durchgang geprüft wird.

Dieses Verfahren dient jedoch lediglich zur Überwachung der Anker im Grenzbereich der maximal aufnehmbaren Dehnungen.

Eine andere Methode zur Abschätzung der Hohlraumverformung ist die Anwendung der sogenannten Tell-Tales.

Zur weiteren Überwachung der Kontur werden die Verformungen des Gebirges mit den in der Geotechnik üblichen Meßverfahren wie z. B. dem Extensometer gemessen. Hier lassen sich jedoch keine genauen Rückschlüsse auf die Dehnungsänderungen des Ankers ziehen.

Aus der PCT-WO 98/29044 ist eine Verankerungseinrichtung mit Dehnungsmessung bekannt. Diese Verankerungseinrichtung weist mindestens einen kraftschlüssig angebrachten Lichtleiter auf, der mindestens ein integriertes Bragg'sches Gitter besitzt. Ein Ankerelement wird demnach mit Lichtleitern, die dehnungsab hängige Beugungseigenschaften besitzen, versehen, wobei sich die Lichtleiter in Längsrichtung des Ankerstabs erstrecken. Konkret wird bei der bekannten Lehre davon ausgegangen, daß das Ankerelement mindestens zwei Lichtleiter besitzt, die parallel zur Längsachse des Ankerstabs verlaufen und die eine Quer schnittsfläche des Ankerstabs derart durchstoßen, daß die Durchstoßpunkte ein symmetrisches Vieleck, z. B. ein gleich seitiges Dreieck bilden.

Bevorzugt sind die Lichtleiter auf der Oberfläche des Ankers oder jeweils in einer Oberflächennut des Ankerstabs befestigt. Die Biegungsmessung mit derartig ausgestalteten Ankerelementen erfolgt derart, daß die Veränderung bzw. Verschiebung der Reflexionswellenlängen der Gitter erfaßt wird. Bei einer Dehnung des Lichtleiters erfolgt eine Verschiebung zu längeren Wellenlängen und bei einer Stauchung des Lichtleiters zu kürzeren Wellenlängen. Falls die Messung mit mehreren Licht leitern je Ankerelement erfolgt, so kann aus der Verschiebung und der Position des jeweiligen Lichtleiters im oder auf dem Ankerstab entsprechend den Dehnungsgesetzen am gebogenen Balken die Richtung und Stärke der Kraftausübung ermittelt werden. Bei Auswertung der Sensorsignale eines Arrays von Gittern, das aus den Gittern verschiedener Ankerelemente zusammengesetzt ist, kann aus den Richtungsinformationen aller Gitter die Quelle der Kraftwirkung im Gebirge lokalisiert werden.

Bei der vorgeschlagenen Anordnung ist es jedoch problematisch, Dehnungen in einem Bereich von bis zu 20% zu bestimmen, wie sie im praktischen Fall auftreten.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Vorrichtung zur Messung mechanischer, elastischer bis plasti scher Verformungen von Stäben, insbesondere Ankerstäben, mittels optischer Fasergitter-Sensoren anzugeben, welche in der Lage ist, Dehnungen von Einstabankern in einem Bereich von bis zu 20% zu ermitteln, wobei in diesem Bereich Verformungen in den meisten Fällen plastisch sind.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Vor richtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Mittels der Erfindung gelingt es, auch unter Berücksichtigung des linearen Dehnungsbereichs der eingesetzten Glasfasern einschließlich der Gitter im Bereich von ± 3%, die Sensoren auf dem Stab so zu applizieren, daß Längsdehnungen des Stabes bis zu 20% mit einer Meßauflösung von in etwa 0,2% bestimmt werden können. Weiterhin kann mit Hilfe der beschriebenen Vorrichtung und der hierbei realisierten Meßanordnung die durch den Tempe ratureinfluß sowie durch Biegung/Abscherung hervorgerufene Dehnung/Stauchung des Stabes von der Längsdehnung selektiert und separiert werden.

Erfindungsgemäß sind also mehrere Fasergitter-Sensoren in ein oder mehreren vorgegebenen Steigungswinkeln auf der Mantel fläche des Stabes angeordnet und mit diesem kraft- und/oder formschlüssig verbunden, wobei die Winkellagen der Fasergitter- Sensoren um einen Steigungswinkel ϕ₀ gewählt sind. Ein Teil der Fasergitter-Sensoren besitzt einen Steigungswinkel ϕ₁ < ϕ₀ und ein weiterer Teil der Fasergitter-Sensoren einen Steigungswinkel ϕ₂ < ϕ₀. Der besondere definierte Steigungs winkel ϕ₀ entspricht dem Winkel der kontinuumsmechanischen Kompensationsbedingung zwischen Längsdehnung und gleichzeitiger Querkontraktion des Stabes, bei dem keine oder nur eine geringfügige Längenänderung der Fasergitter-Sensoren auftritt.

Bevorzugt sind drei Fasergitter-Sensoren auf dem Umfang des Stabes um im wesentlichen 120° versetzt und mit einem Stei gungswinkel ϕ₂ < ϕ₀ angeordnet. Ausgestaltend besteht die Möglichkeit, vier oder mehr Fasergitter-Sensoren gleichmäßig auf dem Umfang des Stabes verteilt zu fixieren.

Zur gleichzeitigen separierbaren Messung von Längsdehnung des Stabes, Biegung des Stabes in zwei Richtungen und Torsion des Stabes sind mindestens drei Fasergitter-Sensoren mit den vor stehend beschriebenen Winkeln und mindestens ein weiterer Fasergitter-Sensor mit einem Steigungswinkel ϕ₁ ≦ ϕ₀ auf dem Umfang des Stabes verteilt befindlich.

Durch die zusätzliche Anordnung mindestens drei weiterer Fasergitter-Sensoren mit einem Steigungswinkel ϕ₁ ≦ ϕ₀ auf dem Umfang des Stabes verteilt lassen sich große mechanische Längsdehnungen des Stabes bis hinein in den plastischen Verformungsbereich ermitteln.

Die Fasergitter-Sensoren mit dem Steigungswinkel ϕ₁ sind in diesem Fall auf der das Lichtsignal zuführenden Lichtleiter faserstrecke der Lichtquelle am nächsten gegenüber den Faser gitter-Sensoren mit dem höheren Steigungswinkel ϕ₂ angeordnet.

Zur maximalen Verformungsbestimmung sind jeweils Gruppen von drei Fasergitter-Sensoren mit unterschiedlichem Steigungswinkel ϕ₂ < ϕ₀, ϕ₃ = ϕ₀, ϕ₁ < ϕ₀ angeordnet, so daß eine Untersetzung der Längsdehnung des Stabes auf die resultierende Längsdehnung der Fasergitter-Sensoren im ungedehnten Zustand von in etwa +15%, 0%, -15% bei gegebener Toleranz erfolgt und wobei der Fasergitter-Sensor mit dem Steigungswinkel ϕ₁ der Lichtquelle am nächsten sowie der Fasergitter-Sensor mit dem Steigungs winkel ϕ₃ von der Lichtquelle aus gesehen am entferntesten angeordnet ist.

Es wird also, um die effektive Faserdehnung zu verringern und den Meßbereich auf ca. 20% Stabdehnung zu erhöhen, die Glas faser mit den Faser-Bragg-Gitter-Sensoren spiralförmig mit einer definierten Steigung um den Stab gewickelt und kraft schlüssig mit dem Stab verbunden.

Für die Wahl des Anstiegswinkels respektive die Wahl der Steigung gilt folgendes. Für den Stab sollen die Regeln der Kontinuumsmechanik gelten, d. h. bei Längsdehnung des Stabes verjüngt sich der Querschnitt entsprechend der Stoffgesetze. Wird die Glasfaser sehr flach gewickelt, werden die Bragg- Gitter bei Längsdehnung des Stabes aufgrund der gleichzeitigen Querkontraktion gestaucht. Bei einem sehr großen Anstellwinkel hingegen wird die Glasfaser bei Stabverlängerung ebenfalls gedehnt.

Es existiert hier eine Kompensationsbedingung beim Übergang der beiden beschriebenen Fälle. Bei Längenänderung des Stabes ändert sich auch der Steigungswinkel. Unter der Voraussetzung der Volumenkonstanz läßt sich ein Grenzwinkel ϕ₀ bestimmen. Durchläuft die Glasfaser bei Dehnung des Stabes diesen Winkel ϕ₀, wird die Glasfaser und damit auch die Sensoren weder gedehnt noch gestaucht, d. h. die relative Längenänderung der Faser ist in einem bestimmten Bereich gleich 0.

Die Anstellwinkel der Sensoren werden zur Erreichung des Meß ziels so gewählt, daß sie sich in der Umgebung des Grenzwinkels ϕ₀ befinden.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei spiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine prinzipielle Anordnung der Glasfasern mit Faser-Bragg-Gitter-Sensoren, die spiralförmig um den hinsichtlich seiner Dehnung zu überwachenden Stab gewickelt sind;

Fig. 2 dient der Erläuterung der Kompensationsbedingung und

Fig. 3 gibt beispielhafte Anstellwinkel respektive Positionen der Faser-Bragg-Gitter an.

Unter Berücksichtigung der Kompensationsbedingung anhand der Fig. 2 ist, wie in Fig. 3 dargestellt, ein Teil der Wicklung mit einer Steigung ϕ₁ < ϕ₀ ausgeführt, wobei zu beachten ist, daß sich der Winkel ϕ₁ in ausreichendem Abstand zum Winkel ϕ₀ befindet. In diesem Fall wird das Bragg-Gitter bei Längsdehnung des Stabes gestaucht. Ein weiterer Faserteil mit einem vierten Bragg-Gitter-Sensor 4 ist mit einer Steigung ϕ₂ < ϕ₀ ausge stattet. Das Gitter wird dann bei Längenänderung des Stabes gedehnt. Der eine Teil der Wicklung mit den jeweils um 120° versetzt angeordneten Faser-Bragg-Gitter-Sensoren ist mit den Bezugszeichen 1 bis 3 versehen.

Die vorstehend beschriebene Anordnung der Sensoren soll zum Separieren und Selektieren der durch Zugbeanspruchung von der durch Temperaturänderung hervorgerufenen Dehnung Verwendung finden. Eine mechanische Entkopplung eines Gitters zur Erfas sung des Temperatureinflusses ist technisch kaum zu reali sieren, insbesondere dann, wenn gleichzeitig ein erschütte rungsarmer Aufbau realisiert werden muß.

Wird der Stab aufgrund einer einachsigen Zugbelastung gedehnt, werden die Gitter 1 bis 3 gestaucht, während das Gitter 4 eine positive Dehnung erfährt. Eine Temperaturänderung hingegen ruft bei allen vier Gittern 1 bis 4 unabhängig vom Anstellwinkel eine gleichmäßige Dehnung mit gleichem Vorzeichen hervor. Auf grund dieser Unterschiede läßt sich jeweils die Ursache Zug bzw. Temperatur, die einen stärkeren Einfluß auf die Verformung des Stabes hat, eindeutig nachweisen.

Es liegt im Sinne der Erfindung, daß die beschriebene Anordnung der Faser-Bragg-Gitter-Sensoren auch in umgekehrter Weise erfolgen kann, d. h. daß nur ein Gitter in einem flachen Winkel (kleiner als ϕ₀) angeordnet und drei weitere Gitter in einem Winkel befindlich sind, der größer als der Grenzwinkel ϕ₀ ist.

Um die Biegung des Stabes zu identifizieren, sind die Dehnungs beträge der Faser-Bragg-Gitter mit gleicher Steigung zu unter suchen. Wird der Stab nur längsgedehnt, sind die Beträge unter der Voraussetzung der gleichmäßigen Verjüngung des Stabquer schnitts gleich. Tritt eine Biegung des Stabes auf, dann unterscheiden sich die Dehnungsbeträge der um 120° versetzten Faser-Bragg-Gitter-Sensoren. Durch die vorgeschlagene Meßan ordnung ist weiterhin eine räumliche Erfassung der Verfor mungsursachen realisierbar.

Alles in allem gelingt es mit der vorstehend beschriebenen Erfindung, unter Anwendung von Fasergitter-Sensoren elastische bis plastische Verformungen von Stäben, insbesondere Anker stäben, für Sicherungsaufgaben im Bergbau bis hin zu einem Dehnungsbereich von 20% sicher zu erfassen, ohne daß die Sensoren zerstört oder beschädigt werden, was zu einer erheblich höheren Meßsicherheit im Vergleich zum Stand der Technik führt.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung mechanischer, elastischer bis plastischer Verformungen von Stäben, insbesondere Ankerstäben, mittels optischer Fasergitter-Sensoren, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Fasergitter-Sensoren in einem vorgegebenen Steigungs winkel um den Stab gewickelt und mit diesem kraft-, stoff- und/oder formschlüssig verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern um einen Steigungswinkel ϕ₀ angeordnet werden, wobei ein Teil der Faserwicklung einen Steigungswinkel ϕ₁ < ϕ₀ und ein weiterer Teil der Faserwicklung einen Steigungswinkel ϕ₂ < ϕ₀ aufweist, und wobei weiterhin der Steigungsgrenzwinkel ϕ₀ dem Winkel der kontinuumsmechanischen Kompensationsbedingung bei Längsdehnung und gleichzeitiger Querkontraktion des Stabes entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der Faserwicklungen jeweils drei um 120° versetzt ange ordnete Fasergitter-Sensoren aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß vier oder mehr Fasergitter-Sensoren gleichmäßig auf dem Umfang des Stabes verteilt angeordnet sind, wobei zur gleichzeitigen separierbaren Messung von Längsdehnung des Stabes und Biegung des Stabes in zwei Richtungen sowie Torsion mindestens drei Fasergitter-Sensoren auf dem Umfang des Stabes um 120° versetzt und mit einem Steigungswinkel ϕ₂ größer ϕ₀ angeordnet und mindestens ein Fasergitter-Sensor mit dem Steigungswinkel ϕ₁ ≦ ϕ₀ auf dem Umfang des Stabes befindlich ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasergitter-Sensoren mit dem Steigungswinkel ϕ₁ auf der das Lichtsignal zuführenden Lichtleiterfaserstrecke der Lichtquelle am nächsten gegenüber den Fasergitter-Sensoren mit höherem Steigungswinkel ϕ₂ befindlich sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils Gruppen von drei Fasergitter-Sensoren mit unterschied lichem Steigungswinkel ϕ₂ < ϕ₀, ϕ₃ = ϕ₀, ϕ₁ < ϕ₀ angeordnet sind, so daß eine Untersetzung der Längsdehnung des Stabes auf die resultierende Längsdehnung der Fasergitter-Sensoren im ungedehnten Grundzustand erfolgt und der Fasergitter-Sensor mit dem Steigungswinkel ϕ₁ der Lichtquelle am nächsten sowie der Fasergitter-Sensor mit dem Steigungswinkel ϕ₃ von der Licht quelle aus am entferntesten angeordnet ist.