DE4242546A1 - Technische Gläser in auto-radialen Verbunden zur Erfassung physikalischer Größen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Materialien für auto-radiale Verbunde nach dem Patentanspruch 1 und folgende.

Bekannt sind Materialien und deren Verwendung als Meßaufnehmer, die ganz auf Kunststoff aufgebaut sind (DE OS 3 443 949). In DE OS 3 311 524 wird ein Meßaufnehmer in der Form beschrieben, daß eine Monomo­ de-Faser nur infinitesimal verformt wird. Eine inhomogene Kunst­ stoffschicht um eine transmissionsfähige Faser beschreibt DE OS 3 305 234 und DE OS 3 809 957.

Anwendungen von transmissionsfähigen Fasern zur Erfassung physikali­ scher Größen werden in GB 2 189 880, DE 37 01 632, DE 37 20 349, DE OS 36 18 632, US 3714644, DE OS 3635053, DE 34 15 855, DE OS 3 517 678 und DE OS 3 343 510 beschrieben.

Die Krümmung von Fasern kann durch geeignete Applikation an einem Bauteil erfolgen oder durch Verwendung eines Bauteils. Hierzu werden in den Patentschriften EP 0 208 562, US 4 836 030, EP 0 126 223, US 4 788 868, US 4 358 678, GB 2 201 511, EP 0 380 764, GB 2 145 516, GB 2 188 719 Technologien gezeigt.

In DE OS 3 526 966, PCT/SE85/00265, EP 0 379 650 werden Fasern von Fasern aus Metall umwickelt. Die Ausrichtung der mittleren, trans­ missionsfähigen Faser verläuft im wesentlichen als Gerade.

In FR 2 584 348 wird eine Konfiguration gezeigt, nach der Fasern miteinander verdrillt sind.

Diese Erfindung betrifft die Faser-Verbunde, bei denen die Fasern gekrümmt angeordnet sind. Die Krümmung ist bedingt durch die Kon­ figuration der Faser bzw. der Fasern untereinander und durch deren Biegesteifigkeit. Die Verwendung eines Bauteils, um diese Struktur zu stützen, ist nicht notwendig. Die Verbunde sind, abgesehen von wenigen Klebe- oder Klammerpunkten, durch ihre Konfiguration selbststrukturiert. Diese Verbunde werden in dieser Erfindung mit dem Begriff auto-radiale Verbunde beschrieben.

Auto-radiale Verbunde, in denen die transmissionsfähigen Fasern gekrümmt angeordnet sind, werden in PCT/EP90/01287 beschrieben.

Diese Verbunde werden zur Erfassung der phys. Größen verwendet, die aus der Wegmessung durch geeignete Transformation ableitbar sind bzw. geometrische Größen sind. Ableitbare Größen sind z. B. Tempera­ tur, Beschleunigung, Druck, Spannung, Kraft, Dehnung. Geometrische Größen sind z. B. Rauheit, Welligkeit, Längenänderung, Biegung etc. Die Verwendung solcher Meßaufnehmer dient zum Messen, Stellen, Schalten und Geben oder zur Registrierung und als Kontaktgeber.

Die Fertigung der Meßringe ist leicht nachvollziehbar. Die Fertigung der geflochtenen auto-radialen Verbunde erlaubt mehrere Varianten.

Bei einer Variante werden 3 Stränge wechselseitig über den jeweils mittleren Strang gelegt, wobei ein Strang mindestens eine Faser auf­ weist.

Bei einer weiteren Variante werden zwei äußere Stränge an gegen­ überliegenden Seiten eines mittleren Strangs vorbeigeführt, an der Unterseite des mittleren Strangs überkreuzt und an den Seiten wieder hochgeführt und nun an der Oberseite überkreuzt und so fort. Der Nachteil dieser Variante ist, daß die Fasern nicht alle die gleiche Länge haben. Dadurch kann es bei Belastung zu Relativbewegungen an den Berührungspunkten kommen. Diese führen zu tribologischen Effekten und einer Veränderung der Grundkrümmungen, wodurch die Festigkeit der Fasern und die Reproduzierbarkeit vermindert wird. Zudem ist die mittlere Faser geklemmt, wodurch ebenfalls tribologische Effekte zu erwarten sind.

Ein Aspekt dieser Erfindung ist, die Meßempfindlichkeit, die Übertragungsleistung und -sicherheit zu verbessern. Die Streuung soll im Arbeitsbereich möglichst deutlich zunehmen und so zu Transmissions­ verlusten führen. Außerhalb des Arbeitsbereiches, hin zu größeren Radien, soll die Streuung infolge der Krümmung gering sein. Dadurch wird beim Verlegen der Fasern außerhalb des Meßortes in nicht meß­ technischer Anordnung die Streuung bei geringen Radien vermindert. Bewegungen des Bauteils führen dann nicht bzw. nicht wesentlich zu Störgrößen. Gleichzeitig wird der Leistungsverlust infolge des gekrümmten Faserverlaufes reduziert. Quarzglas hat einen hohen Rein­ transmissionsgrad bei etwa 200 bis 5000 nm. Wird ein Kern aus Quarz­ glas mit einem Mantel anders dotierten Quarzglases versehen, lassen sich für das Streuungsverhalten vorteilhafte numerische Apperturen einstellen. Fig. 1 zeigt die Streuung in Abhängigkeit von dem Radius eines einfachen Meßrings; hier in Form der prozentualen Verlust­ leistung. Über Rmax ist der Verlust gering. Zwischen Rmin und Rmax, also im Arbeitsbereich, sind die Verluste signifikant. Dabei nimmt die Streuung bei kleineren Radien zu. Die numerische Appertur der Faser nach Fig. 1 ist 0,22. Der Einsatz dieser Fasern in auto-radia­ len Verbunden verbessert die Meßempfindlichkeit deutlich. Je nach Konfiguration sind Empfindlichkeiten bis 80 dB/cm möglich. Der Graph nach Fig. 1 zeigt ggf. eine Unstetigkeit, wenn Rmin der Radius ist, bei dem die Faser bricht. Die Streuung S stellt den Leistungsver­ lust, also die eingestrahlte minus der ausgestrahlten Leistung, pro­ zentual bezogen auf die eingestrahlte Leistung dar.

Fig. 1 macht auch deutlich, weshalb diese Quarz/Quarz-Faser in Auf­ nehmern, in denen die transmissionsfähige Faser geradlinig angeordnet ist, nicht sinnvoll eingesetzt werden kann. Hier muß, soweit mög­ lich, erst eine Krümmung in Höhe von Rmax aufgebracht werden. Ebenfalls wird deutlich, daß verdrillte Konfigurationen mit diesen Quarzfasern nicht leistungsfähig sind, da keine signifikanten Krüm­ mungsänderungen auftreten.

Aufgrund der geringen Verlustleistung bei R < Rmax bleiben die Ver­ luste in Folge der Konfiguration gering.

Auch die hohe Meßempfindlichkeit der auto-radialen Verbunde ins­ besondere mit Quarzfasern erfordert eine weitere Optimierung des Zeit- und des Temperaturverhaltens.

Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung ist, das Zeitverhalten zu opti­ mieren. Dazu wird zunächst das plastische und viscoelastische Ver­ halten von Glas beschrieben. Viele technische Gläser zeigen noch weit unterhalb des Transformationsbereiches plastisches Verhalten. Manche Gläser neigen noch bei Raumtemperatur zum Kriechen. So kann z. B. an Glasscheiben eine Verdickung am Stützpunkt erkannt werden. Kriechen bzw. plastisches Verformen unter Last würde das Signal des Meßaufnehmers zeitabhängig machen. Eine wesentliche Anforderung für Meßaufnehmer, die Reproduzierbarkeit, wäre nicht mehr gegeben bzw. mathematisch aufwendig zu formulieren. Das plastische Verhalten von Polymerwerkstoffen ist bekanntlich sehr ausgeprägt.

Eine Lösung dieses Problems wird durch die Verwendung von Materia­ lien mit einer hohen Erweichungstemperatur gegeben, wie es Kiesel­ glas besitzt. Produkte aus Kieselglas sind noch bei einer Umgebungs­ temperatur bis 1400°C einsatzfähig. Die Anwendungen von auto-radia­ len Verbunden liegen weit unter dieser Temperatur. So wird plasti­ sches Verformen und damit einhergehendes Fließen des Meßwertes durch die Verwendung einer Faser, bestehend aus einem Kern aus Quarz und einem Mantel aus Quarz, signifikant vermindert. Tatsächlich konnte in Versuchen keine Signaländerung durch Kriechen gemessen werden.

Die in einigen Patentschriften beschriebene Verwendung von Kunst­ stoffasern ist, wie oben gezeigt, für die Verwendung in auto-radia­ len Verbunden ungünstig. Hier wirken nicht die Knotenstellen in der Form, daß die Verformung durch Querdruck über den weichen Mantel an die innere Faser übertragen wird. In der Anordnung durch Flechten sind die Knotenstellen eher Umlenkpunkte, wodurch die radiale Struk­ tur erzeugt wird und Krümmungsänderungen entlang eines Teilbereiches eingeleitet werden. Ebenso wie der Meßring wirkt diese Struktur wie eine Feder. Eine wichtige Voraussetzung, da der Anfangszustand immer wieder erreicht werden soll, um auch so die Reproduzierbarkeit zu gewährleisten.

Die Verwendung von Quarz/Quarz-Fasern erhöht wesentlich das Leistungsvermögen auto-radialer Verbunde und eröffnet somit weite Gebiete der Meßtechnik für diese Technologie. Je nach Aufgabenstel­ lung kann diese Faser mit einem Schutzmantel oder einer Schlichte versehen sein. Bei einem polymeren Schutzmantel ist dessen plasti­ sches Verhalten zu berücksichtigen. Vorteilhaft ist ein dünn auf­ getragener Schutzmantel aus Polyimid.

Ein Schutzmantel aus Polyimid wirkt auch vorteilhaft, wenn der Meß­ aufnehmer in einer harzreichen Umgebung zur Bauteilüberwachung ver­ wendet wird. Die Verbundfestigkeit zwischen Schutzmantel und Harz ist dann soweit herabgesetzt, das es bei Rißbildung zu einer Delami­ nation an dieser Fläche führt. So werden die Fasern nicht geschä­ digt. Der Meßverbund kann nun zur Überwachung des Risses genutzt werden. Vorteilhaft können auch Schutzmäntel aus Kieselglas, einem Metall oder Edelmetall Verwendung finden.

Kieselglas hat einen niedrigen Temperaturkoeffizienten von ca. 0,58_*0,000001. Der Temperaturgang der auto-radialen Verbunde ist somit gering. Wird der geflochtene Sensor leicht vorgespannt auf Materialien mit einem höheren Temperaturkoeffizienten appliziert, führen die unterschiedlichen Längenänderungen zu einer signifikanten Streuungsänderung. Diese Anordnung kann zur Temperaturerfassung dienen.

Die Meßempfindlichkeit auto-radialer Verbunde wird durch mehrere Parameter definiert, wodurch gezielt aufgabenrelevante Aufnehmer realisiert werden. So kann zum einen der Durchmesser der Fasern variiert werden. Vorteilhaft ist ein Durchmesser zwischen 60 µm und 250 µm. Zum anderen kann die Konfiguration verändert werden, z. B. die Änderung des Durchmessers beim Meßring oder der Abstand von Knotenpunkt zu Knotenpunkt beim Geflecht. Als weiterer Parameter kann die numerische Appertur variiert werden, je nach Aufgabe z. B. auf 0,18 oder 0,25. Schließlich wirkt die Applikation auf die Meß­ empfindlichkeit. Mit dem Grad der Einbettung in eine harzreiche Umgebung wird die Empfindlichkeit gezielt gesteuert.

Vorteilhaft ist die Erfassung und Auswertung des linearen Signals. Bei dieser Meßanordnung steigt die Empfindlichkeit proportional mit dem Nullsignal. Gleichzeitig wirken die Störgrößen - Elektronik, LED - weniger dominant.

Je nach Meßstrecke kann es vorteilhaft sein, die den Verbund bilden­ den Fasern einzeln zu messen, alle Fasern mit einer Diode zu messen oder insgesamt nur eine einzige Faser zu messen. Wird die Streuung nur einer einzigen Faser erfaßt, z. B. weil das Leistungspotential des gewandelten Signals den Spannungsbereich einer A/D-Karte über­ steigt, kann darauf verzichtet werden, weitere transmissionsfähige Fasern im Verbund anzuordnen. Das Geflecht kann dann aus einer Quarz/Quarz-Faser bestehen und z. B. zwei Quarz- oder Glasfasern. Analog ist die Variante mit zwei Quarz/Quarz-Fasern und einer Quarz­ faser etc. möglich bzw. je nach der Meßaufgabe oder dem Produktpreis sinnvoll. Alternativ kann auch eine Faser mit einem OTDR-Gerät und ggf. mindestens eine weitere Faser mit einem Intensitätsmeßgerät überwacht werden.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung, um physikalische Einflüsse in oder auf einem mechanischen Gebilde zu erfassen, z. B. Beschleunigung, Kraft, Temperatur, Längenänderung und/oder Spannung.

Claims (9)

1. Verwendung von mindestens einer Faser in auto-radialen Verbunden, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser einen Kern aus Kieselglas und einem Mantel aus Kieselglas besitzt und die Streuung bei Rmax kleiner 150 mm ein Minimum sowie bei Rmin ein Maximum beträgt.

2. Verwendung von mindestens einer Faser in auto-radialen Verbunden, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser einen Kern aus Glas oder Kieselglas und einen Mantel aus Glas oder Kieselglas besitzt und die Streuung dieser Faser bei Rmax kleiner 150 mm ein Minimum sowie bei Rmin ein Maximum beträgt und der Transformationspunkt größer 700°C ist.

3. Verwendung mindestens einer Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf diese Faser eine Schlichte aufgebracht ist.

4. Verwendung mindestens einer Faser nach einem der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser mit einem Schutzmantel aus einem Metall oder Edelmetall, Glas oder Kieselglas versehen ist.

5. Verwendung mindestens einer Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Faser ein dünner und/oder wenig plastischer Schutzmantel aus einem Polymerwerkstoff, vor­ zugsweise Polyimid, aufgebracht ist.

6. Einsatz der nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Überwachung von Spannungen, Dehnungen, oder Strukturänderungen in oder an Bau­ teilen.

7. Applikation der Verbunde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, indem der Verbund punktuell, partiell oder vollständig in oder auf Bauteilen eingebettet, fixiert oder verklebt wird.

8. Verwendung der Verbunde nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Erfassung einmaliger, periodischer oder intermitierender Ereig­ nisse, wobei der Verbund in einem Schutzmantel oder -röhrchen untergebracht sein kann.

9. Verwendung der Verbunde nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in mechanischen Baugruppen, um deren Zustand oder darauf wirkende phys. Größen, z. B. die Temperatur, Kraft oder Beschleunigung, zu erfassen.