DE60303427T2 - Schneller Fiber Bragg Gitter (FBG ) Dehnungs-Wandler mit Reflex-Durchlass-Filter für Schall-Überwachung - Google Patents

Schneller Fiber Bragg Gitter (FBG ) Dehnungs-Wandler mit Reflex-Durchlass-Filter für Schall-Überwachung Download PDF

Info

Publication number
DE60303427T2
DE60303427T2 DE60303427T DE60303427T DE60303427T2 DE 60303427 T2 DE60303427 T2 DE 60303427T2 DE 60303427 T DE60303427 T DE 60303427T DE 60303427 T DE60303427 T DE 60303427T DE 60303427 T2 DE60303427 T2 DE 60303427T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
filter
fbg
light beam
sensor
fbg sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE60303427T
Other languages
English (en)
Other versions
DE60303427D1 (de
Inventor
Hiroshi Chiyoda-ku Tsuda
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST filed Critical National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Application granted granted Critical
Publication of DE60303427D1 publication Critical patent/DE60303427D1/de
Publication of DE60303427T2 publication Critical patent/DE60303427T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/08—Testing mechanical properties
    • G01M11/083—Testing mechanical properties by using an optical fiber in contact with the device under test [DUT]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/165—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by means of a grating deformed by the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/18—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge using photoelastic elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
    • G01D5/35309—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer
    • G01D5/35316—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer using a Bragg gratings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35338—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
    • G01D5/35354—Sensor working in reflection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/242—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre
    • G01L1/246—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre using integrated gratings, e.g. Bragg gratings

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Erfassung einer Dehnungsveränderung unter Verwendung eines Bragg-Gittersensors (im Nachfolgenden als "FBG"-Sensor bezeichnet) und im Spezielleren auf die Erfassung einer akustischen oder Schallemission (im Nachfolgenden als "AE" bezeichnet), die durch einen infinitesimalen Schaden in einem Material oder einem Strukturkörper verursacht wird.
  • Die vorliegende Erfindung wird eingesetzt, wenn die Unversehrtheit eines Strukturkörpers durch das AE-Verfahren durch Erzeugen einer Schallwelle mit einem piezoelektrischen Element ermittelt oder eine schnelle Dehnungsveränderung aufgrund einer Stoßbelastung erfasst wird. Die vorliegende Erfindung kann bei der Gefügeuntersuchung der Unversehrtheit mechanischer Konstruktionen wie Automobilen, Flugzeugen, Brücken, Gebäuden usw. eingesetzt werden.
  • Herkömmlicherweise wurden piezoelektrische Elemente zur Erfassung von AE verwendet, und zur Erfassung von Stoßbelastung wurde ein Dehnungsmessgerät eingesetzt.
  • Es wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Lichtstrahl, der von einem Bragg-Gittersensor (FBG-Sensor) reflektiert wird, durch ein FBG mit einer Bragg-Wellenlänge, die im Wesentlichen gleich der Bragg-Wellenlänge des FGB-Sensors ist, übertragen wird, wobei die AE dann aus dem übertragenen Licht erfasst wird (siehe I. Perez, H. L. Cui und E. Udd, 2001 SPIE, Bd. 4328, S. 209–215). Herkömmlicherweise wurden optische Spektrumsanalysatoren dazu verwendet, eine Veränderung in der Bragg-Wellenlänge des FGB-Sensors zu messen.
  • Da das bekannte, zur Erfassung von AE eingesetzte piezoelektrische Verfahren Messparameter direkt in ein elektrisches Signal umwandelt, unterliegt dieses Verfahren der Auswirkung elektromagnetischer Interferenz. Im vorgeschlagenen optischen Verfahren wandelt der FGB-Sensor Messparameter in ein optisches Signal um und ist deshalb frei von den Auswirkungen elektromagnetischer Interferenz, allerdings spiegelt die erfasste Wellenform nicht unbedingt die ursprüngliche Form der AE wider und kann manchmal an Verzerrung kranken. Darüber hinaus arbeitet das bekannte Verfahren zum Messen einer Veränderung der Bragg-Wellenlänge eines FGB-Sensors unter Verwendung eines Spektrumsanalysators typischerweise mit einer Abtastrate von einer Probe pro Sekunde. Aus diesem Grunde ist das Verfahren nicht in der Lage, eine dynamische Dehnungsveränderung nachzuvollziehen und zu erfassen.
  • Die DE 19912800A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Analysieren eines Schmalbandsignals, das von einem Bragg-Gitter reflektiert wird, wobei die Vorrichtung ein Sperrfilter umfasst, zu welchem das Schmalbandsignal geleitet wird.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehenden Nachteile zu überwinden und einen Lichtwellenleiterdehnungssensor bereitzustellen, der die folgenden Merkmale aufweist:
    • (1) Die Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung erfasst die AE oder eine schnelle Dehnungsveränderung aufgrund einer Stoßbelastung unter Verwendung eines FGB-Sensors.
    • (2) Unter Verwendung eines einzelnen FGB-Sensors erfasst die Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung einen breiten Dehnungsveränderungsbereich.
    • (3) Die Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung ist frei von der Auswirkung elektromagnetischer Interferenz, weil der FGB Messparameter in ein optisches Signal umwandelt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein Dehnungserfassungsverfahren nach Anspruch 6 bereit. Ausführungsformen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 5 definiert.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einer Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung werden nachstehend rein beispielhaft mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen ausführlich erläutert:
  • 1 stellt das Funktionsprinzip des FBGs dar.
  • 2 stellt das Verhältnis zwischen einer Bragg-Wellenlänge und Dehnung dar.
  • 3 stellt ein Dehnungserfassungssystem dar, das einen FBG-Sensor verwendet.
  • 4 stellt das Prinzip der Dehnungsänderungserfassung unter Verwendung des FBG-Sensors dar.
  • 5 stellt ein Demonstrationstestsystem dar.
  • 6 stellt Reflexionskennlinien eines FBG-Sensors und eines Filters dar.
  • 7 stellt eine durch den FBG-Sensor erfasste AE-Wellenform dar.
  • 8 stellt eine Frequenzkomponentenstärke eines durch den FBG-Sensor erfassten Signals dar.
  • 9 stellt Ansprechverhalten des FBG-Sensors und eines piezoelektrischen Sensors im Hinblick auf AE dar; und
  • 10 stellt eine Frequenzkomponentenstärke von Signalen des FBG-Sensors und des piezoelektrischen Sensors dar.
  • Das Funktionsprinzip des FBGs wird mit Bezug auf 1 erläutert. Das FBG ist so aufgebaut, dass der Lichtwellenleiterkern periodisch im Brechungsindex verändert wird und nur ein optisches Signal in einem Schmalband mit dem doppelten Produkt des Brechungsindexes und die Dauer der Veränderungen des Brechungsindexes als mittlere Wellenlänge (als "Bragg-Wellenlänge" bezeichnet) reflektiert.
  • Wie in 1 gezeigt ist, besitzt ein durch das FBG übertragener Lichtstrahl, wenn ein Breitbandlichtstrahl auf das FBG fällt, eine Stärkenverteilung, welcher der Bragg-Wellenlängenbereich fehlt. Ein vom FBG reflektierter Lichtstrahl hat eine Stärkenverteilung mit einem auf der Bragg-Wellenlänge zentrierten Schmalband. Wie in 1 gezeigt ist, handelt es sich bei einem optischen Zirkulator 4 um ein optisches Element, das einen Lichtstrahl nur von einem Anschluss 1 zu einem Anschluss 2 und nur vom Anschluss 2 zu einem Anschluss 3 überträgt.
  • Erleidet das FBG Dehnung und eine Temperaturveränderung, verändert sich dessen Bragg-Wellenlänge. Konkreter ausgedrückt wird die Bragg-Wellenlänge bei einer konstanten Temperatur länger, wenn das FBG Zugverformung ausgesetzt ist, und die Bragg-Wellenlänge wird kürzer, wenn das FBG Druckverformung ausgesetzt ist, wie in 2 gezeigt ist.
  • 3 stellt den Aufbau einer Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung der vorliegenden Erfindung und ein Dehnungserfassungsverfahren dar, das die Dehnungssensorvorrichtung verwendet.
  • Eine Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung 5 der vorliegenden Erfindung umfasst einen FBG-Sensor 6, einen ersten optischen Zirkulator 7, einen zweiten optischen Zirkulator 8, und ein FBG-Filter 9, die über einen Lichtwellenleiter 10 miteinander verbunden sind. Der FBG-Sensor 6 ist dazu ausgelegt, an einem zu vermessenden Objekt angebracht zu werden. Ein dielektrisches Vielschichtenfilter kann das FBG-Filter 9 ersetzen.
  • Der erste optische Zirkulator 7 ist über den Lichtwellenleiter an eine Breitbandlichtquelle 11 angeschlossen. Eine erste fotoelektrische Wandlervorrichtung 12 ist über den Lichtwellenleiter 10 an den ersten optischen Zirkuator 7 angeschlossen. Eine zweite fotoelektrische Wandlervorrichtung 13 ist an das FBG-Filter 9 angeschlossen.
  • Wie in 3 gezeigt ist, wird ein Lichtstrahl aus der Breitbandlichtquelle 11 durch den ersten optischen Zirkulator 7 zu dem am Objekt angebrachten FBG-Sensor 6 übertragen. Ein vom FBG-Sensor 6 reflektierter Lichtstrahl fällt durch den ersten optischen Zirkulator 7 am zweiten optischen Zirkulator 8 ein. Der Lichtstrahl fällt dann auf das FBG-Filter 9. Die Lichtstrahlen, die am FBG-Filter 9 als zwei optische Signale einfallen, und zwar ein Lichtstrahl, der durch das FBG-Filter 9 übertragen wurde, und ein Lichtstrahl, der vom FBG-Filter 9 reflektiert und durch den zweiten optischen Zirkulator 8 aufgenommen wurde, werden von der ersten und zweiten fotoelektrischen Wandlereinrichtung 12 und 13 in elektrische Signale umgewandelt.
  • Das Verhältnis zwischen dem Ausgang der ersten fotoelektrischen Wandlervorrichtung 12 und der Dehnung, welcher der FBG-Sensor 6 ausgesetzt ist, wird mit Bezug auf 4 erläutert. 4(a) zeigt idealisierte Reflexionskennlinien des FBG-Sensors 6 und des Filters 9 mittels durchgezogener bzw. unterbrochener Linien. Es sei angenommen, λS stellt die Bragg-Wellenlänge des FBG-Sensors 6 ohne Dehnung dar. Die Stärkenverteilung des vom FBG-Sensor 6 reflektierten Lichtstrahls ist mittels eines Bereichs dargestellt, der von der durchgezogenen Linie in der mittleren Darstellung von 4(a) umgeben ist.
  • Der Lichtstrahl mit dieser Stärkenverteilung fällt auf das FBG-Filter 9 ein. Da das FBG-Filter 9 die Reflexionskennlinie besitzt, die durch die unterbrochene Linie dargestellt ist, ist der Ausgang der ersten fotoelektrischen Wandlervorichtung 12, die die Stärke des vom FBG-Filter 9 reflektierten Lichts erfasst, proportional zu einer Fläche einer Bereichs (einer schraffierten Fläche), in der sich der durch die durchgezogene Linie umgebene Bereich und der von der unterbrochenen Linie umgebene Bereich überschneiden.
  • Wenn der Bragg-Sensor 6 einer Druckverformung ausgesetzt ist, sinkt die Bragg-Wellenlänge des FBG-Sensors 6 auf λS' (<λS). Da die Bragg-Wellenlänge λF des FBG-Filters 9 unverändert bleibt, nimmt ein Überschneidungsbereich der beiden Reflexionskennlinien zu (siehe linke Abbildung in 4(a)). Der Ausgang der ersten fotoelektrischen Wandlervorrichtung 12 wird größer, wenn keine Dehnung auftritt. Unterliegt hingegen der FBG-Sensor einer Zugverformung, wird die Bragg-Wellenlänge des FBG-Sensors 6 länger und erreicht λS'' (<λS). In diesem Fall nimmt der Überschneidungsbereich der beiden Reflexionskennlinien ab und der Ausgang der ersten fotoelektrischen Wandlervorrichtung 12 sinkt (siehe rechte Abbildung in 4(a)). Wenn der Ausgang der ersten fotoelektrischen Wandlervorrichtung 12 ohne Dehnung als Benchmark oder feste Bezugsmarke angesehen wird, nimmt der Ausgang der ersten fotoelektrischen Wandlervorrichtung 12 mit der auf den FBG-Sensor 6 wirkenden Druckverformung zu und nimmt mit der auf den FBG-Sensor 6 wirkenden Zugverformung ab.
  • Der Transmissionsgrad des FBG-Filters 9 wird durch Transmissionsgrad = 1 – Reflexionsgrad dargestellt. 4(b) stellt die Reflexionskennlinien des Sensors und die Transmissionskennlinien des Filters im Ansprechen auf eine Veränderung bei der Dehnung dar, welcher der Sensor ausgesetzt ist. Aus der vorstehenden Erläuterung ergibt sich, dass der Ausgang der zweiten fotoelektrischen Wandlervorrichtung 13, die die Stärke des durch das FBG-Filter 9 übertragenen Lichtstrahls erfasst, im Ansprechen auf die Druckverformung abnimmt und im Ansprechen auf Zugverformung zunimmt.
  • Die tatsächlichen Reflexionskennlinien des FBGs sind nicht so einfach wie die in den 4(a) und 4(b) gezeigten. Die tatsächlichen Kennlinien sind wie in 6 gezeigt. Wegen solcher komplexer Reflexionskennlinien erhöht sich der Ausgang der ersten fotoelektrischen Wandlervorrichtung 12, die die Stärke des vom FBG-Filter 9 reflektierten Lichts erfasst, nicht unbedingt gleichförmig, wenn die Zugverformung zunimmt. Selbiges trifft auf die zweite fotoelektrische Wandlervorrichtung 13 zu. Anders ausgedrückt verändert sich der Ausgang der zweiten fotoelektrischen Wandlervorrichtung 13 im Ansprechen auf die Dehnung, welcher der FBG-Sensor 6 ausgesetzt ist, nicht linear.
  • Die Erfinder glauben, dass der durch das FBG-Filter 9 übertragene Lichtstrahl und der vom FBG-Filter 9 reflektierte Lichtstrahl im Ansprechen auf die Dehnung, welcher der FBG-Sensor 6 ausgesetzt ist, einander in der Phase entgegengesetzt sind, und dass ein Signal, das durch Summieren des übertragenen und des reflektierten Lichtstrahls, wobei einer der beiden Lichtstrahlen in der Phase umgekehrt ist, sich im Ansprechen auf eine Veränderung der Dehnung, welcher der FBG-Sensor 6 ausgesetzt ist, linear verändert.
  • Nun werden Beispiele für die vorliegende Erfindung erläutert, um den Betrieb der Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung 5 der vorliegenden Erfindung und das Dehnungserfassungsverfahren unter Verwendung der Sensorvorrichtung 5 zu erklären und die Vorteile der Sensorvorrichtung 5 und deren Verfahren zu demonstrieren.
  • Eine in 5 gezeigte Messvorrichtung umfasst die in 3 gezeigte Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung 5 der vorliegenden Erfindung als Hauptelement, und umfasst ferner noch einen Signalgenerator 16, einen Signalverstärker 17, und einen AE-Oszillator (piezoelektrisches Element) 18, um einem zu vermessenden Objekt 15 eine Schwingung zuzuführen (d.h. ihm zu Testzwecken eine Belastung aufzuerlegen); und umfasst darüber hinaus noch ein Oszilloskop 19 als Einrichtung zum Messen, Anzeigen und Verarbeiten der Signale SR und ST der ersten fotoelektrischen Wandlereinrichtung 12 und der zweiten fotoelektrischen Wandlereinrichtung 13. Jede bekannte Einrichtung zum Durchführen der Signalanalyseaufgaben des Oszilloskops, wie etwa standardmäßige Signalverarbeitungshardware, kann das Oszilloskop ersetzen. Darüber hinaus wird dem Fachmann auf dem Gebiet klar sein, dass die elektrische Verarbeitung der fotoelektrisch umgewandelten Lichtsignale durch direkte optische Verarbeitung ersetzt werden könnte.
  • Ein Test wurde unter Verwendung der Messvorrichtung 14 durchgeführt, um die Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung 5 der vorliegenden Erfindung und das Dehnungserfassungsverfahren unter Verwendung der Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung 5 zu prüfen.
  • In diesem Test erzeugte der Signalgenerator 16 ein Tone-Burst-Signal mit einer Mittelfrequenz, die auf 180 Hz zentriert war, und es wurde dem AE-Oszillator 18 ein vom Signalverstärker 17 (Verstärkung = 40 dB) verstärktes Signal mit einer Resonanzfrequenz von 180 kHz zugeführt. Der FBG-Sensor 6 war mittels eines Dehnungsmessklebstoffs am Objekt 15 befestigt. Unter Verwendung des AE-Oszillators 18 wurde das Objekt 15 mit einer schnellen Dehnungsspannungsveränderung beaufschlagt, während gleichzeitig ein Lichtstrahl aus der Breitbandlichtquelle 11 mit einem Wellenlängenbereich von 1520–1620 nm durch den ersten optischen Zirkulator 7 auf den FBG-Sensor 6 geworfen wurde.
  • Eine Veränderung in der Dehnungsbelastung des FBG-Sensors 6 wurde gemessen. Da die durch den AE-Oszillator 18 bereitgestellte Dehnungsspannungsveränderung eine Frequenz und Spannung mit derselben Höhe wie die akustische Emission (AE) hat, die während der infinitesimalen Zerstörung eines Materials hervorgerufen wird, ist in diesem Fall die Erfassung der Dehnungsspannung gleich dem Messwert der AE.
  • Der Lichtstrahl aus dem FBG-Sensor 6 fiel durch den ersten optischen Zirkulator 7 am zweiten optischen Zirkulator 8 ein. Mit dem am FBG-Filter 9 einfallenden Lichtstrahl wurde ein durch das FBG-Filter 9 übertragener Lichtstrahl und ein vom FBG-Filter 9 reflektierter Lichtstrahl von der zweiten fotoelektrischen Wandlervorrichtung 13 bzw. der ersten fotoelektrischen Wandlervorrichtung 12 erfasst. Die elektrischen Signale SR und ST, die von der ersten fotoelektrischen Wandlervorrichtung 12 und der zweiten fotoelektrischen Wandlervorrichtung 13 umgewandelt worden waren, wurden dann am Oszilloskop gemessen.
  • 6 zeigt Reflexionskennlinien des FBG-Sensors 6 und des FBG-Filters 9, die in diesem Test zum Einsatz kamen. Der FBG-Sensor 6 und das FBG-Filter 9 hatten Bragg-Wellenlängen von 1550,33 bzw. 1550,18 nm.
  • Testergebnis 1: Wiederholbarkeit der Wellenform
  • 7 zeigt vier Signale, und zwar (1) ein an den AE-Oszillator 18 angelegtes Signal, (2) die Signale SR und ST aus der ersten fotoelektrischen Wandlervorrichtung 12 und der zweiten fotoelektrischen Wandlervorrichtung 13 (der dritte und vierte Linienverlauf in der Figur), und (3) ein verarbeitetes Signal (SR-ST) (der zweite Linienverlauf in der Figur). Die Signale SR und ST aus der ersten fotoelektrischen Wandlervorrichtung 12 und der zweiten fotoelektrischen Wandlervorrichtung 13 sind einander in der Phase entgegengesetzt. Der Ausgangspegel im Ansprechen auf die Zugverformung und der Ausgangspegel im Ansprechen auf die Druckverformung sind im Hinblick auf den Ausgangspegel im Ansprechen auf keine Spannungsbelastung als Referenzpegel nicht symmetrisch, und die Ausgangssignale unterscheiden sich von dem an den AE-Oszillator 18 geschickten Signal.
  • Dies wird den komplexen Formen der Reflexionskennlinien des FBG-Sensors 6 und des Filters 9 zugesprochen. Jedoch hat ein Signal, das durch Phasenumkehr des Signals ST erhalten wird, und das umgekehrte Signal und das Signal SR dann summiert werden (in der Praxis wird ein Unterschied zwischen den beiden Signalen SR und ST bestimmt), dieselbe Form wie das an den AE-Oszillator 18 übertragene Signal.
  • Testergebnis 2: Frequenzanalyse:
  • 8 stellt ein Analyseergebnis einer Frequenzkomponentenstärke der in 7 dargestellten Signale dar. Bei dem in den AE-Oszillator 18 eingegebenen Signal handelt es sich um ein Signal mit einer Mittelfrequenz, die bei 180 kHz liegt. Das Signal SR und das Signal ST aus der ersten und zweiten fotoelektrischen Wandlervorrichtung haben einen hohen Stärkepegel in einem niedrigen Frequenzbereich und weisen eine Frequenzkomponentenstärkeverteilung auf, die sich vom übertragenen Signal unterscheidet. Das verarbeitete Signal hingegen hat eine Frequenzkomponentenstärke, die mit dem übertragenen Signal übereinstimmt.
  • Testergebnis 3: Vergleich der Ansprechverhalten des FBG-Sensors 6 und des piezoelektrischen Sensors im Hinblick auf AE:
  • Piezoelektrische Sensoren sind herkömmlicher Weise in weitverbreitetem Einsatz zur AE-Messung. Das Ansprechverhalten des FBG-Sensors 6 wurde mit dem Ansprechverhalten eines handelsüblichen piezoelektrischen Sensors im Hinblick auf AE verglichen. Im Ergebnis sind das in 9 gezeigte Signal aus dem FBG-Sensor 6, das verarbeitet worden war, und das Signal aus dem piezoelektrischen Sensor augenscheinlich gleich in der Wellenform. Dies beweist, dass die Signalverarbeitung es zulässt, dass der FBG-Sensor 6 auf dieselbe Weise als AE-Sensor eingesetzt werden kann, wie ein piezoelektrisches Element herkömmlicher Weise eingesetzt wird. 10 stellt die Analyseergebnisse der Frequenzkomponentenstärke der in 9 dargestellten Signale dar. Signale, die aus dem FBG-Sensor 6 und dem piezoelektrischen Elementsensor erfasst wurden, weisen identische Kennlinien auf.
  • Der vorstehende Test beweist, dass die vorliegende Erfindung den folgenden Vorteil bietet. Die AE mit einer Tone-Burst-förmigen Welle, die durch das piezoelektrische Element in Schwingung versetzt wurde, wurde vom FBG-Sensor 6 aufgenommen, und wurde dann im Verfahren der vorliegenden Erfindung unter Verwendung des FBG-Filters 9 als Filter signalverarbeitet. Die Wellenformen der übertragenen und der reflektierten Welle des FBG-Filters 9 stellten die ursprüngliche Wellenform der AE nicht wieder her. Die Wellenform des Signals, das gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren der vorliegenden Erfindung verarbeitet wurde, stellte die ursprüngliche Wellenform der AE wieder her.
  • Bei einer Analyse der Frequenzkomponentenstärke der vom FBG-Filter 9 reflektierten und der durch den FBG-Filter 9 übertragenen Welle, weisen die reflektierte und die übertragene Welle eine von den Merkmalen der ursprünglichen Wellenform unterschiedliche Frequenzkomponentenstärkeverteilung auf. Hingegen stimmt die signalverarbeitete Wellenform mit der Frequenzkomponentenstärkeverteilung der ursprünglichen Wellenform überein.
  • Die AE-Erfassungswellenform des offenbarten Sensors wurde mit der AE-Wellenform eines handelsüblichen piezoelektrischen Elementsensors verglichen, der herkömmlicher Weise in weitverbreitetem Einsatz ist. Im Ergebnis ist die Wellenform, die durch Signalverarbeitung der aus dem FBG-Sensor 6 reflektierten Welle erhalten wird, augenscheinlich dieselbe wie die des piezoelektrischen Elementsensors, und die Frequenzanalyseergebnisse der beiden Sensoren stimmen gut überein.
  • Die Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit dem vorstehend ausgewiesenen Aufbau erfasst die AE mittels des FBG-Sensors. Im Vergleich zu dem Verfahren, das die AE lediglich unter Verwendung der durch das Filter übertragenen Welle misst, erzielt das Verfahren der vorliegenden Erfindung genauere AE-Messwerte. Das Verfahren ist wirksam zur Erfassung einer schnellen Dehnungsveränderung aufgrund einer Stoßbelastung.

Claims (6)

  1. Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung, umfassend: einen FBG-Sensor (6), der einen Lichtwellenleiter mit einem darin eingezogenen Bragg-Fasergitter umfasst und an einem zu messenden Objekt angebracht ist, eine Breitbandlichtquelle (11), um einen Breitbandlichtstrahl auf den FBG-Sensor zu richten, und ein Filter (9), das einen vom FBG-Sensor reflektierten Lichtstrahl reflektiert und durchlässt, und eine Einrichtung (12, 13, 19), um eine Amplitudenveränderung in einem Signal zu erfassen, das durch Invertieren der Phase: (a) eines Signals, das repräsentativ für den vom Filter reflektierten Lichtstrahl ist, oder (b) eines Signals, das für den durch das Filter durchgelassenen Lichtstrahl repräsentativ ist, erhalten wird, und dann das invertierte und das nicht invertierte Signal miteinander zu addieren; wobei die Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung unter Verwendung des Filters eine Dehnung erfasst, indem eine Veränderung in einer Mittelwellenlänge des vom FBG-Sensor reflektierten Lichtstrahls erfasst wird; und dadurch gekennzeichnet, dass das Filter ein Interferenzfilter ist.
  2. Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der FBG-Sensor und die Breitbandlichtquelle durch einen optischen Zirkulator (7) miteinander verbunden sind, und wobei der FBG-Sensor und das Interferenzfilter durch den optischen Zirkulator miteinander verbunden sind.
  3. Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der FBG-Sensor und die Breitbandlichtquelle durch einen ersten optischen Zirkulator (7) miteinander verbunden sind, und wobei der FBG-Sensor und das Interferenzfilter durch einen zweiten optischen Zirkulator (8) miteinander verbunden sind.
  4. Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung nach jedem vorhergehenden Anspruch, wobei das Interferenzfilter ein FBG-Filter oder ein dielektrisches Mehrschichtfilter ist.
  5. Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Erfassen eine erste (12) und eine zweite (13) fotoelektrische Umformungsvorrichtung umfasst, um Lichtstrahlen zu empfangen, die vom Interferenzfilter reflektiert bzw. durchgelassen werden, und eine Signalverarbeitungseinrichtung (19), um die Phase eines Ausgangs einer ausgewählten der fotoelektrischen Umformungsvorrichtungen zu invertieren, die invertierten und nicht invertierten Ausgänge zu kombinieren, und mindestens eine Kennlinie der kombinierten Ausgänge zu messen.
  6. Dehnungserfassungsverfahren, das eine Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung verwendet, wobei ein FBG-Sensor (6), der einen Lichtwellenleiter mit einem darin eingezogenen Bragg-Fasergitter umfasst, an einem zu messenden Objekt (15) angebracht ist, ein Breitbandwellenlängenlichtstrahl dazu gebracht wird, auf den FBG-Sensor einzufallen, ein vom Bragg-Fasergitter reflektierter Lichtstrahl dazu gebracht wird, auf ein Filter (9) einzufallen, und Messen einer Veränderung in der Mittelwellenlänge des vom FBG-Sensor reflektierten Lichtstrahls unter Verwendung des Filters, wobei die Veränderung proportional zu einer vom FBG-Sensor erfassten Dehnung ist, um dadurch eine Veränderung in der Dehnung des FBG-Sensors zu erfassen, wobei die Lichtwellenleiterdehnungssensorvorrichtung eine vom FBG-Sensor erfasste Dehnungsveränderung erfasst, indem der vom Filter reflektierte Lichtstrahl und der vom Filter durchgelassene Lichtstrahl zu einem der phaseninvertierten Lichtstrahlen addiert werden, wobei der vom Filter reflektierte Lichtstrahl und der vom Filter durchgelassene Lichtstrahl sich im Hinblick auf eine Veränderung in dem vom Bragg-Fasergitter reflektierten Lichtstrahl in zueinander entgegengesetzten Phasen verändern, und Erfassen einer Amplitudenveränderung in der Summe; und dadurch gekennzeichnet, dass das Filter ein Interferenzfilter ist.
DE60303427T 2002-11-25 2003-11-25 Schneller Fiber Bragg Gitter (FBG ) Dehnungs-Wandler mit Reflex-Durchlass-Filter für Schall-Überwachung Expired - Lifetime DE60303427T2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002340197 2002-11-25
JP2002340197A JP3837525B2 (ja) 2002-11-25 2002-11-25 光ファイバひずみセンサ装置及びひずみの検出方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE60303427D1 DE60303427D1 (de) 2006-04-13
DE60303427T2 true DE60303427T2 (de) 2006-10-26

Family

ID=32212147

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE60303427T Expired - Lifetime DE60303427T2 (de) 2002-11-25 2003-11-25 Schneller Fiber Bragg Gitter (FBG ) Dehnungs-Wandler mit Reflex-Durchlass-Filter für Schall-Überwachung

Country Status (4)

Country Link
US (1) US7002672B2 (de)
EP (1) EP1422494B1 (de)
JP (1) JP3837525B2 (de)
DE (1) DE60303427T2 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014200954A1 (de) * 2014-01-21 2015-07-23 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Erfassung von lokalen mechanischen Belastungen
CN104828259A (zh) * 2015-05-05 2015-08-12 北京理工大学 一种利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的方法及实现装置

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10230165A1 (de) * 2002-07-04 2004-01-15 Ino Therapeutics Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Administration von Kohlenmonoxid
JP5030081B2 (ja) * 2006-08-18 2012-09-19 独立行政法人産業技術総合研究所 Ａｅ・超音波検出システム、及びそれを備えた材料監視装置並びに非破壊検査装置
US7953307B2 (en) * 2006-09-22 2011-05-31 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Optical waveguide having bistable transmission states suitable for optical logic circuits
GB2443661B (en) 2006-11-08 2011-08-31 Polarmetrix Ltd Detecting a disturbance in the phase of light propogating in an optical waveguide
US20080177089A1 (en) * 2007-01-19 2008-07-24 Eugene Steven Sadlowski Novel whitening agents for cellulosic substrates
US7507891B2 (en) * 2007-03-21 2009-03-24 The Hong Kong Polytechnic University Fiber Bragg grating tuner
JP5196483B2 (ja) * 2008-11-07 2013-05-15 独立行政法人産業技術総合研究所 振動又は弾性波検出装置
CN102346090B (zh) * 2011-01-31 2014-05-14 上海大学 临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验平台及方法
JP2013083558A (ja) * 2011-10-11 2013-05-09 Toyota Industries Corp Ｆｂｇひずみセンサ及びひずみ量計測システム
CN102519384A (zh) * 2011-12-28 2012-06-27 烟台睿创微纳技术有限公司 一种光纤光栅的叶片应变在线检测装置
CN102589588A (zh) * 2012-02-17 2012-07-18 南京师范大学 利用光纤光栅解调Fabry–Pérot腔腔长的方法
US8989573B2 (en) * 2012-04-05 2015-03-24 Gwangju Institute Of Science And Technology Sensing apparatus
CN102680263B (zh) * 2012-05-17 2015-05-20 天津大学 一种复合参数监测系统
CN102680582B (zh) * 2012-06-07 2014-05-07 北京航空航天大学 一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感系统
US8867867B2 (en) * 2012-06-12 2014-10-21 The Cleveland Electric Laboratories Company Fiber optic switch
US20140076550A1 (en) * 2012-09-14 2014-03-20 Halliburton Energy Services, Inc. Systems and Methods for Detecting Microannulus Formation and Remediation
CN102853953A (zh) * 2012-09-17 2013-01-02 南京大学 一种基于微光纤布拉格光栅微拉力传感装置及制备
CN104819694A (zh) * 2015-04-14 2015-08-05 上海大学 柔性板状结构形态感知与重构实验平台
NL2016733A (en) * 2015-06-02 2016-12-12 Asml Netherlands Bv Monitoring Apparatus, Lithographic Apparatus and Method of Monitoring a Change in a Property
CN106338549B (zh) * 2016-09-05 2019-03-26 北京航空航天大学 一种多通道光纤环声发射检测系统及解调方法
CN112344870A (zh) * 2020-11-02 2021-02-09 武汉理工大学 一种带温度补偿的耐高温fbg应变传感器及其封装方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5426297A (en) 1993-09-27 1995-06-20 United Technologies Corporation Multiplexed Bragg grating sensors
US5818585A (en) 1997-02-28 1998-10-06 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Fiber Bragg grating interrogation system with adaptive calibration
GB2323441B (en) 1997-03-22 2001-02-14 British Aerospace Apparatus for sensing temperature and/or strain in an object
DE19913800C2 (de) 1999-03-26 2002-02-28 Telegaertner Geraetebau Gmbh Anordnung zur Auswertung schmalbandiger optischer Signale
AU2001283043A1 (en) * 2000-08-01 2002-02-13 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Optical sensing device containing fiber bragg gratings
GB0111295D0 (en) 2001-05-09 2001-06-27 Europ Economic Community Sensor system and method incorporating fibre bragg gratings

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014200954A1 (de) * 2014-01-21 2015-07-23 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Erfassung von lokalen mechanischen Belastungen
CN104828259A (zh) * 2015-05-05 2015-08-12 北京理工大学 一种利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的方法及实现装置
CN104828259B (zh) * 2015-05-05 2016-08-31 北京理工大学 一种利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的方法及实现装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20040104337A1 (en) 2004-06-03
JP3837525B2 (ja) 2006-10-25
US7002672B2 (en) 2006-02-21
EP1422494B1 (de) 2006-02-01
EP1422494A1 (de) 2004-05-26
DE60303427D1 (de) 2006-04-13
JP2004177134A (ja) 2004-06-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60303427T2 (de) Schneller Fiber Bragg Gitter (FBG ) Dehnungs-Wandler mit Reflex-Durchlass-Filter für Schall-Überwachung
DE3138061C2 (de)
AT390519B (de) Verfahren und pruefgeraet zur beruehrungslosen bestimmung des flaechengewichts bzw. der dicke von duennem material, wie beispielsweise papier, folien oder aehnlichem
DE69927274T2 (de) Nichtintrusiver faseroptischer drucksensor zur messung von druckänderungen in einem rohr
EP0774109B1 (de) Verfahren zum bestimmen des schwingungsverhaltens eines körpers
DE19641653A1 (de) Ultraschallerzeugung und Nachweis mit Langimpulslasern
DE102015103139B3 (de) Verteilte optische Messvorrichtungen und Verfahren zum Ausführen einer Messung
DE4006454A1 (de) Stark daempfendes messteil und ultraschallmessvorrichtung
DE3032538A1 (de) Verfahren zur ueberwachung eines materialfehlers
DE3628313C2 (de) Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung einer physikalischen Eigenschaft eines lichtabsorbierenden Werkstücks
DE3802138A1 (de) Nachweissystem fuer materialfehler
DE102010019247A1 (de) Sensor, System sowie Verfahren zur Kraft- und/oder Momentenmessung
DE10210787B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Deformation und Schallwellen in Festkörpern
DE19531858B4 (de) Messverfahren für Abspannseile
DE2317793A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum orten einer quelle impulsartiger signale
DE102017112776B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur dynamischen Belastungsprüfung
EP0902900B1 (de) Vorrichtung zum untersuchen von grenzflächenbereichen mit ultraschall
DE4023179A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur spannungsmessung
DE2720966C2 (de) Ultraschallsender
DE10252875A1 (de) Betriebsfestigkeitsprüfung von Bauteilen eines Kraftfahrzeuges
DE2929766A1 (de) Phasenunempfindlicher ultraschall- wandler
DE4233958A1 (de) Gefüge-Zustandermittlung von Gestein
DE69633322T2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur optischen Messung durch Polarisationsanalyse
DE3217519C2 (de)
DE19502756A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Schwingungsanalyse von Bauteilen

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition