EP1896813A2 - Optical strain gauge strips - Google Patents

Optical strain gauge strips

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Publication number
EP1896813A2
EP1896813A2 EP06762219A EP06762219A EP1896813A2 EP 1896813 A2 EP1896813 A2 EP 1896813A2 EP 06762219 A EP06762219 A EP 06762219A EP 06762219 A EP06762219 A EP 06762219A EP 1896813 A2 EP1896813 A2 EP 1896813A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical
strain gauge
bragg grating
strain
carrier film
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.)
Withdrawn
Application number
EP06762219A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Karl-Heinz Haase
Michael Schmidt
Regis Blin
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.)
Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Original Assignee
Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
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 Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH filed Critical Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Publication of EP1896813A2 publication Critical patent/EP1896813A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24Measuring 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
    • G01L1/242Measuring 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
    • G01L1/246Measuring 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

Definitions

  • the invention relates to an optical strain gauge according to the preamble of patent claim 1 and its manufacturing method according to the preamble of patent claim 9.
  • Such electrical strain gages usually consist of meander-shaped measuring grids produced photolithographically from an electrical resistance material which is applied to a carrier film made of plastic and for mechanical protection, usually with a further one
  • These electrical strain gauges are applied to a deformation-dependent strain to detect a load-dependent strain and convert the strain by a change in resistance of the measuring grid in an electrical signal that is proportional to the strain or the force.
  • electrical strain gauges are sensitive to electromagnetic fields or high-voltage influence and may not be used in potentially explosive atmospheres.
  • a high voltage insensitive optical strain sensor for measuring the contact force of a current collector for rail vehicles is known from DE 102 49 896 Al. This is between the sanding bar and a Holding frame of the current collector attached to an expansion body whose surface deforms according to the contact force.
  • a so-called fiber Bragg grating sensor is fixed, which obviously consists of an optical waveguide, in whose application area a so-called Bragg grating is embossed, which changes its reflection wavelength according to the detected strain.
  • the waveguide end with the Bragg grating is simply glued to the deformation body and acts as an electrical strain gauge on a load-dependent surface strain.
  • An embedded optical sensor is known from EP 753 130 Bl, which consists of a linear waveguide with a Bragg grating embedded within multiple layers of reinforcing filaments to form a laminated structure. This sensor is designed to measure both stresses and temperatures in the structure within the laminated structure with a single Bragg grating fiber.
  • a voltage sensor must always be embedded in the measurement object, so that the deformation element must always represent a laminated structure, so that it can not produce thin planar optical strain gauges with comparable dimensions as with electrical strain gauges.
  • EP 1 129 327 Bl a sensor for measuring mechanical stresses with fiber-optic Bragg gratings is known, which is designed as a planar flat transducer, which can be applied to a deformation body.
  • This voltage sensor is provided as a rosette for measuring a multi-axis voltage, which consists of a waveguide with preferably three successively arranged Bragg gratings, which are aligned at certain angles to each other. To reduce the sensor surface and to avoid larger reflection losses are therefore the curved
  • the waveguide with the Bragg gratings and the connecting elements is preferably encapsulated in a rigid epoxy or glued between two parallel rigid plates.
  • the plates can be attached to the surface of deformation bodies and thus transfer the strain applied to the plates to the fiber Bragg gratings whose reflected wavelength changes in proportion to the strain and can be detected.
  • Optical fiber unrolled over the middle of the row of holes and glued onto the adhesive strip carrier. Thereafter, the adhesive strip with the fixed optical fiber is positioned on the support surface and coated with a lacquer layer that penetrates through the rows of holes and the
  • the invention is therefore based on the object to provide prefabricated strain gauges of optical waveguides that can be produced in precise uniform manufacturing quality and can be manufactured inexpensively.
  • the invention has the advantage that very compact optical strain gauges can be produced by fixing the waveguide with the Bragg gratings in provided guide channels on a carrier foil.
  • the provided guide channels are preferably by a photolithographic etching process or a mechanical processing method made very accurately, so that such optical strain gauges have a high reproducibility and can advantageously be prefabricated as serial parts in large quantities at low cost to be applied in a simple manner on intended deformation bodies or other expansion bodies.
  • Such prefabricated flat and small-area optical strain gauges can also be advantageously fixed in or on fiber composites, which affect the fiber structure only slightly and advantageously also withstand strain changes up to 10% undamaged, as are common in deformation bodies made of fiber composites.
  • the optical strain gages of the invention have the advantage over electrical strain gauges that they are largely insensitive to electromagnetic fields and high voltage areas. They advantageously have no power supply, so that they are insensitive to power fluctuations on the transmission line and may also be used in hazardous areas. Furthermore, the non-positive connection of the Bragg gratings in the guide channels allows an enclosed connection structure with the flat carrier film, so that a good and defined power transmission is ensured on the Bragg gratings, whereby a high measurement accuracy and in particular a low hysteresis effect can be achieved.
  • a particular embodiment of the invention in which the optical waveguides are cast over the entire surface in the guide channels, has the advantage that it can be made very flat easy to manufacture optical strain gauges. Because these optical strain gauges too can be produced from ceramic or glass carrier foils and optical waveguides made of glass materials, these can be advantageously used even at very high temperature loads.
  • Strain gauge and the adjacent remaining components can be detected.
  • Fig. 1 the top view of an optical
  • an optical strain gauge 1 is shown, which is designed for biaxial strain measurement as a rosette and basically consists of three juxtaposed optical waveguides 2, 3, 4 with embossed Bragg gratings 5 in the incorporated guide channels 7, 8, 9 a carrier film 6 are fixed.
  • a thin elastic carrier film 6 is provided, which is preferably made of plastic, such as. B. polyimide.
  • the carrier film 6 can but also made of other hard elastic plastics, metals, glass or ceramics. In practice, an elastic silica glass film has proven to be very thin and in which the guide channels can be precisely ground.
  • the carrier film 6 is used to apply the prefabricated optical strain gauges 1 on provided deformation bodies or to integrate in loaded components in a positionally and non-positively.
  • the prefabricated support film 6 is planar, preferably has a rectangular or square base and a thickness of about 0.3 mm. For special designs but also film thicknesses of 0.2 to 0.8 mm are possible.
  • the base depends essentially on the length of the Bragg gratings 5 at the ends of the optical waveguides 2, 3, 4 and the formation of the optical strain gauges 1 for one or two-axis strain detections.
  • a linearly aligned optical waveguide 3 is provided in a guide channel 2 of the carrier film 6, which has a length of about 8 to 15 mm and a width of about 2 to 5 mm, depending on the required Stör- Nutzsignalabstand.
  • an optical strain gauge 1 for biaxial strain detection by means of three angularly offset disposed Bragg gratings 5 a size of the support film 6 of about 26 x 30 mm is provided. The size is determined not only by the 10 mm long Bragg gratings 5, but essentially also by the
  • optical waveguide 2, 3, 4 guide channels 7, 8, 9 or recesses incorporated, whose cross section corresponds at least to the cross section of the optical waveguides 2, 3, 4.
  • optical waveguides 2, 3, 4 are preferably used made of mineral glass fibers with an outer diameter of 0.25 mm, so that the guide channels 7, 8, 9 or depressions at least in the lead-in area 12 to the cross-sectional edge AA each have a depth and width of 0.25 mm have.
  • optical waveguides 2, 3, 4 The arrangement of the optical waveguides 2, 3, 4 is shown in detail in detail in Fig. 2 of the drawing. From the section of the sectional image A-A it can be seen that four optical waveguides 2, 3, 4, 13 are arranged parallel next to one another in the lead-in region 12. There are three
  • Optical waveguide 2, 3, 4 provided for strain measurement and an end in the lead-in optical waveguide 13 is used only for temperature compensation.
  • This fourth optical waveguide 13 ends about 2 mm behind the introduction edge and has outside the carrier film 6, a Bragg grating 14 for temperature detection.
  • the other three optical waveguides 2, 3, 4 are continued after the introduction region 12 only with their fiber cladding region.
  • These glass fibers 2, 3, 4 are preferably made of a fiber core 15, a fiber cladding 16 and a fiber protection layer 17, which may also be omitted. Since the optical light-guiding effect occurs exclusively in the core 15 and cladding region 16 of the glass fiber, the fiber protection layer 17 has been removed as a mechanical protection region behind the introduction region 12. This is also necessary in order to impress the Bragg gratings 5 at the end of the glass fibers 2, 3, 4.
  • three further guiding channels 7, 8, 9 of only 0.125 mm (or less) depth and width are incorporated into the carrier film 6, which corresponds to the diameter of the fiber jacket 16.
  • the middle guide channel 8 for fixing the second optical waveguide 3 extends linearly and simultaneously represents the center line of the symmetrical optical strain gauge 1.
  • the second optical waveguide 3 with the two outer optical waveguides 4, 3 in each case an angle of 45 ° and the two outer to each other an angle of 90 °, so that so that all strains in the two surface axes can be detected.
  • the optical waveguides 2, 3, 4 are inserted into the three guide channels 7, 8, 9 which are diverging, at the ends of which the three Bragg gratings 5 have already been embossed.
  • the three optical fibers 2, 3, 4 are very flexible and with 0.125 mm diameter or less relatively thin, the insertion into the guide channels 7, 8, 9 can be done easily both mechanically and manually, as this by the accurately fitting guide channel dimensions Pressure can be fixed in this. In this case, a firm connection can be achieved both by pressing and by gluing to the carrier film 6, so that not only a form-fitting, but also a firm frictional connection between the optical waveguides 2, 3, 4 and the carrier film 6 takes place.
  • a so-called strain gauge rosette is basically formed, with which all horizontally extending force or expansion components can be detected.
  • a curable epoxy resin adhesive has been proven in practice, which also has only low hysteresis and excellent transmission of the strain on the optical waveguide 2, 3, 4 guaranteed.
  • the optical waveguide 2, 3, 4 is designed as a planar optical waveguide, which is preferably cast in the guide channels 7, 8, 9, 10.
  • an optically conductive polymer substrate or another so-called photoresist is introduced into the guide channel 7, 8, 9, 10 of the plastic carrier film 6, which has a higher refractive index than the carrier film 6.
  • the polymer substrate is basically the core and the carrier film 6 the sheath with the lower refractive index.
  • the light line of certain wavelengths as glass fibers is suitable.
  • strip-shaped irregularities are imprinted at a distance ⁇ before introducing the photoconductive layer into the guide channels 7, 8, 9, which then act as Bragg gratings 5.
  • These can represent comb-like elevations or depressions which form a Bragg grating over a length L of 3 to 10 mm, which reflects the light waves fed in at a predetermined wavelength ⁇ B. Because the
  • Optical waveguides 2, 3, 4 firmly embedded in the guide channels 7, 8, 9 of the support layer 6 and are firmly connected to these, so that all strains acting on the support layer 6 can be accurately detected.
  • these polymeric optical waveguides 2, 3, 4 as optical strip conductors, very flat designs of optical strain gauges 1 which are thinner than 0.5 mm can be realized.
  • Such embodiments of optically conductive media embedded in the guide channels 7, 8, 9 as optical waveguides 2, 3, 4 can also be carried out with heat-resistant glass or ceramic films as carrier layer 6, in whose guide channels 7, 8, 9 photonic crystals are cast with quartz glass substrates.
  • the Bragg gratings are formed with the help of photonic crystals, with which the strain is detected.
  • the channels can preferably also be realized by a field-assisted ion exchange.
  • the Bragg gratings are then introduced into these channels from outside through a chemical etching process.
  • Such embodiments of optical strain gauges 1 can be used at temperatures up to 900 0 C. .._
  • the guide channels 7, 8, 9, 10 are additionally coated with the inserted waveguides 2, 3, 4 with a thin cover film 19.
  • the cover 19 is preferably also made of the material of the carrier film 6 such. As polyimide and preferably has a thickness of 0.05 mm and is welded or glued to the support sheet 6, so that the optical strain gauge 1 is hermetically sealed.
  • Such an optical strain gauge 1 can be applied both to metallic deformation bodies as conventional electrical strain gauges or inserted or glued in fiber composites. With such optical strain gauges 1 are not only strain measurements, but also
  • optical strain gauge 1 If such an optical strain gauge 1 is applied to a force-loaded deformation body, it can thus be described as follows, the applied force or strain can be detected. Because of the force acting on the expansion body force takes place on the surface of an expansion effect, which is transmitted via the applied thereto carrier sheet 6 on the non-positively fixed therein optical waveguides 2, 3, 4. This also creates a change in length within the Bragg grating region L, since this is formed from a piece of the core 15 of the optical fiber 2, 3, 4, which is surrounded by the shell 16, which has a lower refractive index than the core 15.
  • the optical fiber 2, 3, 4 is formed above as a single-mode fiber in which the diameter of the 9 ⁇ m fiber core 15 is sufficiently small so that the light from a preferably infrared light source can propagate along the core 15 in only a single mode. This single mode is essentially guided by the refractive index jump at the core-cladding boundary.
  • the lines 20 of the Bragg grating 5 are a series of preferably regularly spaced perturbations of the effective refractive index n of the core 15.
  • the Bragg grating 5 extends along a length L of the optical fiber 2, 3, 4, where L is normally in the range of 3 up to 20 mm.
  • the refractive indices n in the core 15 are generated by masking the optical fibers 2, 3, 4 with a phase mask and irradiating them with strong ultraviolet light.
  • the index perturbations n are formed by exposing the optical fibers 2, 3, 4 to an interference pattern generated from two intersecting halves of a UV laser beam. The distance ⁇ between the index perturbations n is determined by the angle at which the two halves of the beam intersect.
  • the Bragg gratings 5 are formed by disturbances in the carrier film 6.
  • a comb-like line pattern is mechanically impressed into the carrier film 6 with the distance ⁇ , through which the light waves are reflected.
  • the Bragg grating 5 is preferably formed by irradiation with UV light and a phase mask. The disturbances caused by these methods Nuclear refractive index n is usually on the order of one-thousandth or less.
  • the optical fibers 2, 3, 4 used for the production of Bragg gratings 5 generally have a protective layer 17 outside of the jacket 16, which preferably consists of a polymer and has no significance for the actual light-guiding function. This protective layer 17 is removed before the optical fiber 2, 3, 4 is exposed to the UV light to form the Bragg grating 5. After irradiation, the stripped portion of the optical fiber 2, 3, 4 may also be recoated to restore its durability. However, since the optical fibers 2, 3, 4 in the present exemplary embodiment run in the guide channels 7, 8, 9 and are protected by both the carrier film 6 and the cover film 19, sufficient mechanical protection of the optical fibers 2, 3 is provided in the optical strain gauge 1 according to the invention , 4 guaranteed.
  • the Bragg grating 5 When the Bragg grating 5 is supplied with a broad spectrum of light as an input signal, most wavelengths penetrate the grating area and form a transmitted output signal. The periodic disturbances of the refractive index n, however, produce a strong Bragg reflection with components of the input signal
  • the lightwave signals reflected by the Bragg grating 5 can be detected.
  • the determined wavelength ⁇ at which a peak occurs in reflection, a value which is dependent on the grating period ⁇ .
  • a longitudinal strain acts on the Bragg grating 5 changes the distance ⁇ , so that the Bragg wavelength ⁇ B shifts.
  • the Bragg wavelength ⁇ B behaves approximately proportionally to the strain along the longitudinal axis of the optical waveguides 2, 3, 4.
  • the wavelength change ⁇ B is thus a measure of the introduced into the deformation body
  • optical strain gauges 1 can be used similarly to electrical strain gauges on provided deformation body preferably in load cells, torque shafts or other force transducers.
  • optical strain gauges 1 can be used similarly to electrical strain gauges on provided deformation body preferably in load cells, torque shafts or other force transducers.
  • Strain gauges 1 also used in load tests, for example in aerospace, where the optical strain gauges 1 are then applied directly to the loaded components, in particular the rosettes according to the invention for measuring the unknown force introduction directions are useful. But also for monitoring the operating state of loaded components such optical strain gauges 1 can be used, which can detect a fatigue damage or cracking when exceeding a predetermined limit strain.
  • this evaluation unit 21 contains a transmitting and receiving unit 23 for optical waveguides 2, 3, 4, in which the evaluation unit 21 detects the wavelength ⁇ B reflected by the Bragg gratings 5, 14. It is first in the unloaded state by means of a preferably infrared light source as
  • K E the sensitivity factor of the elongation
  • the strain
  • K ⁇ the sensitivity factor of the temperature
  • ⁇ T the temperature change.
  • a fourth optical waveguide 13 with Bragg grating 14 located outside the optical strain gauge 1 additionally becomes provided for temperature compensation.
  • the fourth optical waveguide 13 could also be integrated into the carrier foil 6 in the case of a modified optical strain gauge 1. Then, however, the associated guide channel 10 would have to be dimensioned such that the Bragg grating 14 rests loosely to exclude the effects of stretching.
  • Such an additional optical fiber with a Bragg grating 14 for temperature compensation is also provided for linear optical strain gauges 1 with only a straight optical fiber 3. It can be the additional Optical fiber are also used simultaneously to a pure temperature measurement.
  • optical strain gauges 1 can be formed, in which a plurality of rosettes or a plurality of linear optical fibers are arranged on a larger support film surface, which allow a flat strain detection, to determine an analysis of the voltage curve, for example, on complicated components.

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Abstract

The invention relates to an optical strain gauge strip (D), made from a planar support layer (6) preferably of plastic and a cover layer (19) between which an optical fibre (2, 3, 4) has a frictional fit. The optical fibre (2, 3, 4) comprises at least one section (L) with a Bragg grating (5) for recording the strain on a deformable body or a different component region. The invention is characterised in that the optical fibre (2, 3, 4) is let into at least one guide channel (7, 8, 9) in the support film forming the support layer (6). Said guide channel (7,8, 9) with the optical fibre (2, 3, 4) and the Bragg grating (5) embossed therein is sealed with a covering film as outer layer (19), made from the same material as the support layer (6).

Description

Optischer Dehnungsmessstreifen Optical strain gauge
Die Erfindung betrifft einen optischen Dehnungsmessstreifen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie deren Herstellungsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.The invention relates to an optical strain gauge according to the preamble of patent claim 1 and its manufacturing method according to the preamble of patent claim 9.
Zur messtechnischen Auswertung von Kräften oder zur Überwachung von mechanisch belasteten Bauteilen werden vielfach elektrische Dehnungsmessstreifen eingesetzt, die die Dehnung von kraftbeaufschlagten Bauelementen erfassen.For the metrological evaluation of forces or for monitoring of mechanically loaded components electrical strain gauges are often used, which detect the elongation of kraftbeaufschlagten components.
Derartige elektrische Dehnungsmessstreifen bestehen meist aus fotolithografisch hergestellten mäanderförmigen Messgittern aus einem elektrischen Widerstandsmaterial, das auf einer Trägerfolie aus Kunststoff aufgetragen ist und zum mechanischen Schutz meist mit einer weiterenSuch electrical strain gages usually consist of meander-shaped measuring grids produced photolithographically from an electrical resistance material which is applied to a carrier film made of plastic and for mechanical protection, usually with a further one
Kunststoffschutzfolie abgedeckt wird. Diese elektrischen Dehnungsmessstreifen werden zur Erfassung einer belastungsabhängigen Dehnung auf einen Verformungskörper appliziert und wandeln die Dehnung durch eine Widerstandsänderung des Messgitters in ein elektrisches Signal um, das der Dehnung oder der Krafteinwirkung proportional ist. Derartige elektrische Dehnungsmessstreifen sind aber empfindlich gegenüber elektromagnetischen Feldern oder hochspannungsmäßiger Beeinflussung und dürfen nicht in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden.Plastic protective film is covered. These electrical strain gauges are applied to a deformation-dependent strain to detect a load-dependent strain and convert the strain by a change in resistance of the measuring grid in an electrical signal that is proportional to the strain or the force. However, such electrical strain gauges are sensitive to electromagnetic fields or high-voltage influence and may not be used in potentially explosive atmospheres.
Ein hochspannungsunempfindlicher optischer Dehnungssensor zur Messung der Kontaktkraft eines Stromabnehmers für schienengebundene Fahrzeuge ist aus der DE 102 49 896 Al bekannt. Dazu ist zwischen der Schleifleiste und einem Haltegestell des Stromabnehmers ein Dehnungskörper angebracht, dessen Oberfläche sich entsprechend der Kontaktkraft verformt. Auf diesem Verformungskörper ist ein sogenannter Faser-Bragg- Gitter-Sensor befestigt, der offensichtlich aus einem Lichtwellenleiter besteht, in dessen Applikationsbereich ein sogenanntes Bragg-Gitter eingeprägt ist, das seine Reflektionswellenlänge entsprechend der erfassten Dehnung verändert. Dazu ist das Wellenleiterende mit dem Bragg-Gitter einfach auf den Verformungskörper aufgeklebt und wirkt so wie ein elektrischer Dehnungsmessstreifen auf eine belastungsabhängige Oberflächendehnung. Da derartige optische Wellenleiter in ihrem Querschnitt immer als runde Faser ausgebildet sind, besitzt eine aufgeklebte Faser nur eine schmale Kontaktfläche, so dass durch den geringen Kontakt zum Verformungskörper meist nur eine schlechte und Undefinierte Übertragung der kraftschlüssigen Verbindungsfläche gewährleistet ist. Für eine genaue messtechnische Auswertung mit einer derartigen schmalen Verbindungsfläche dürfte deshalb keine hinreichend reproduzierbare Messgenauigkeit erreichbar sein.A high voltage insensitive optical strain sensor for measuring the contact force of a current collector for rail vehicles is known from DE 102 49 896 Al. This is between the sanding bar and a Holding frame of the current collector attached to an expansion body whose surface deforms according to the contact force. On this deformation body, a so-called fiber Bragg grating sensor is fixed, which obviously consists of an optical waveguide, in whose application area a so-called Bragg grating is embossed, which changes its reflection wavelength according to the detected strain. For this purpose, the waveguide end with the Bragg grating is simply glued to the deformation body and acts as an electrical strain gauge on a load-dependent surface strain. Since such optical waveguides are always formed in their cross section as a round fiber, a glued fiber has only a narrow contact surface, so that usually only a poor and undefined transmission of the non-positive connection surface is ensured by the low contact to the deformation body. Therefore, a sufficiently reproducible measurement accuracy should not be attainable for an accurate metrological evaluation with such a narrow connection surface.
Ein eingebetteter optischer Sensor ist aus der EP 753 130 Bl bekannt, der aus einem linearen Wellenleiter mit einem Bragg- Gitter besteht, der innerhalb mehrerer Schichten mit Verstärkungsfilamenten zur Bildung einer laminierten Struktur eingelassen ist. Dieser Sensor ist vorgesehen, um innerhalb der laminierten Struktur mit einer einzigen Faser mit Bragg- Gitter sowohl Spannungen als auch Temperaturen in der Struktur zu messen. Ein derartiger Spannungssenor muss allerdings immer im Messobjekt eingebettet sein, so dass der Verformungskörper immer eine laminierte Struktur darstellen muss, so dass damit keine dünnen planaren optischen Dehnungsmessstreifen mit vergleichbaren Abmessungen wie bei elektrischen Dehnungsmessstreifen herstellbar sind. Aus der EP 1 129 327 Bl ist ein Sensor zur Messung mechanischer Spannungen mit Fiber-optischen-Bragg-Gittern bekannt, der als planar flacher Aufnehmer ausgebildet ist, der auf einen Verformungskörper appliziert werden kann. Dieser Spannungssensor ist als Rosette zur Messung einer mehrachsigen Spannung vorgesehen, die aus einem Wellenleiter mit vorzugsweise drei hintereinander angeordneten Bragg-Gittern besteht, die in bestimmten Winkeln zu einander ausgerichtet sind. Zur Verringerung der Sensorfläche und zur Vermeidung von größeren Reflexionsverlusten sind deshalb die gebogenenAn embedded optical sensor is known from EP 753 130 Bl, which consists of a linear waveguide with a Bragg grating embedded within multiple layers of reinforcing filaments to form a laminated structure. This sensor is designed to measure both stresses and temperatures in the structure within the laminated structure with a single Bragg grating fiber. However, such a voltage sensor must always be embedded in the measurement object, so that the deformation element must always represent a laminated structure, so that it can not produce thin planar optical strain gauges with comparable dimensions as with electrical strain gauges. From EP 1 129 327 Bl a sensor for measuring mechanical stresses with fiber-optic Bragg gratings is known, which is designed as a planar flat transducer, which can be applied to a deformation body. This voltage sensor is provided as a rosette for measuring a multi-axis voltage, which consists of a waveguide with preferably three successively arranged Bragg gratings, which are aligned at certain angles to each other. To reduce the sensor surface and to avoid larger reflection losses are therefore the curved
Verbindungselemente zwischen den Bragg-Gittern stark verjüngt ausgeführt. Dabei ist der Wellenleiter mit den Bragg-Gittern und den Verbindungselementen vorzugsweise in einem starren Epoxydharz eingekapselt oder zwischen zwei parallelen starren Platten geklebt. Die Platten können dabei auf die Oberfläche von Verformungskörpern befestigt werden und übertragen somit die auf die Platten einwirkende Dehnung auf die Faser-Bragg- Gitter, deren reflektierte Wellenlänge sich proportional zur Dehnung ändert und detektiert werden kann. Allerdings dürfte es fertigungstechnisch schwierig sein, die dünnenConnecting elements between the Bragg gratings strongly tapered executed. In this case, the waveguide with the Bragg gratings and the connecting elements is preferably encapsulated in a rigid epoxy or glued between two parallel rigid plates. The plates can be attached to the surface of deformation bodies and thus transfer the strain applied to the plates to the fiber Bragg gratings whose reflected wavelength changes in proportion to the strain and can be detected. However, it should be difficult to manufacture, the thin
Lichtleitfasern mit Durchmessern von etwa 200 μm und einer hohen Flexibilität genau in bestimmten Winkeln zu einander zwischen den Platten einzukleben oder in ein Epoxydharz einzugießen, wobei schon bei geringen Abweichungen der vorgegebenen Winkellage relativ hohe Messfehler auftreten können.Gluing optical fibers with diameters of about 200 microns and a high flexibility exactly at certain angles to each other between the plates or pour in an epoxy resin, even with small deviations of the predetermined angular position relatively high measurement errors can occur.
Eine weitere Anordnung zur Erfassung von Dehnungen und Temperaturen mit Bragg-Gittern enthaltenden Lichtleitfasern ist aus der DE 100 04 384 C2 bekannt. Bei dieser Anordnung wird der das Bragg-Gitter enthaltende Lichtwellenleiter innerhalb einer Lackschicht auf einem Träger befestigt. Dazu ist der Träger offensichtlich gleichzeitig ein Verformungskörper, dessen Dehnung und Temperatur gemessen werden soll. Zur Befestigung der den Sensor darstellenden Lichtleitfaser mit dem Bragg-Gitter wird die sehr dünne und flexible Faser zunächst auf einem Klebestreifen fixiert. Dazu werden zur genauen Positionierung in den Klebestreifen hintereinander beabstandete Löcher eingebracht, die die Ausrichtung der Lichtleitfaser vorgeben. Dann wird dieAnother arrangement for detecting strains and temperatures containing Bragg gratings optical fibers is known from DE 100 04 384 C2. In this arrangement, the optical waveguide containing the Bragg grating is mounted within a resist layer on a support. For this purpose, the carrier is obviously at the same time a deformation body whose elongation and temperature is to be measured. For attachment of the sensor performing Optical fiber with the Bragg grating, the very thin and flexible fiber is first fixed on an adhesive strip. For this purpose, holes are provided for precise positioning in the adhesive strip, which predetermine the alignment of the optical fiber. Then the
Lichtleitfaser über die Mitte der Lochreihe abgerollt und auf den Klebestreifenträger aufgeklebt. Danach wird der Klebestreifen mit der fixierten Lichtleitfaser auf der Trägeroberfläche positioniert und mit einer Lackschicht bestrichen, die durch die Lochreihen dringt und dieOptical fiber unrolled over the middle of the row of holes and glued onto the adhesive strip carrier. Thereafter, the adhesive strip with the fixed optical fiber is positioned on the support surface and coated with a lacquer layer that penetrates through the rows of holes and the
Lichtleitfaser auf dem Träger fixiert. Anschließend wird der Klebestreifen abgezogen und die angeheftete Lichtleitfaser vollständig mit einer Lackschicht überzogen, bis diese kraftschlüssig mit dem Träger verbunden und vollständig abgedeckt ist. Ein derartig aufwändig hergestellter Dehnungssensor ist gegenüber den Dehnungssensoren aus elektrischen Dehnungsmessstreifen derzeit aus Kostengründen kaum einsetzbar und daher nur speziellen Anwendungen vorbehalten.Optical fiber fixed on the carrier. Subsequently, the adhesive strip is peeled off and the attached optical fiber completely coated with a lacquer layer until it is positively connected to the carrier and completely covered. An extensively manufactured strain sensor of this type is currently hardly usable compared to the strain sensors of electrical strain gauges for reasons of cost and is therefore reserved for special applications only.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorgefertigte Dehnungsmessstreifen aus optischen Lichtwellenleitern zu schaffen, die in präziser gleichmäßiger Fertigungsqualität herstellbar sind und kostengünstig gefertigt werden können.The invention is therefore based on the object to provide prefabricated strain gauges of optical waveguides that can be produced in precise uniform manufacturing quality and can be manufactured inexpensively.
Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 und 9 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is solved by the invention specified in claim 1 and 9. Further developments and advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Fixierung der Wellenleiter mit den Bragg-Gittern in vorgesehenen Führungskanälen auf einer Trägerfolie sehr kompakte optische Dehnungsmessstreifen herstellbar sind. Dabei werden die vorgesehenen Führungskanäle vorzugsweise durch ein fotolithografisches Ätzverfahren oder ein mechanisches Bearbeitungsverfahren sehr genau hergestellt, so dass derartige optische Dehnungsmessstreifen eine hohe Reproduziergenauigkeit aufweisen und vorteilhafterweise als Serienteile in großen Stückzahlen kostengünstig vorgefertigt werden können, um auf einfache Weise auf vorgesehenen Verformungskörpern oder anderen Dehnungskörpern applizierbar zu sein. Derartige vorgefertigte flache und kleinflächige optische Dehnungsmessstreifen können auch vorteilhaft in oder auf Faserverbundwerkstoffen befestigt werden, wobei diese die Faserstruktur nur wenig beeinträchtigen und vorteilhafterweise auch Dehnungsänderungen bis 10 % unbeschädigt standhalten, wie sie bei Verformungskörpern aus Faserverbundwerkstoffen üblich sind.The invention has the advantage that very compact optical strain gauges can be produced by fixing the waveguide with the Bragg gratings in provided guide channels on a carrier foil. The provided guide channels are preferably by a photolithographic etching process or a mechanical processing method made very accurately, so that such optical strain gauges have a high reproducibility and can advantageously be prefabricated as serial parts in large quantities at low cost to be applied in a simple manner on intended deformation bodies or other expansion bodies. Such prefabricated flat and small-area optical strain gauges can also be advantageously fixed in or on fiber composites, which affect the fiber structure only slightly and advantageously also withstand strain changes up to 10% undamaged, as are common in deformation bodies made of fiber composites.
Die erfindungsgemäßen optischen Dehnungsmessstreifen haben gegenüber elektrischen Dehnungsmessstreifen den Vorteil, dass sie weitgehend unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Feldern und Hochspannungsbereichen sind. Dabei besitzen sie vorteilhafterweise auch keine Stromversorgung, so dass sie unempfindlich gegenüber Leistungsschwankungen auf der Übertragungsstrecke sind und auch in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden dürfen. Des weiteren ermöglicht die kraftschlüssige Verbindung der Bragg-Gitter in den Führungskanälen eine umschlossene Verbindungsstruktur mit der flächigen Trägerfolie, so dass eine gute und definierte Kraftübertragung auf die Bragg-Gitter gewährleistet wird, wodurch eine hohe Messgenauigkeit und insbesondere eine geringe Hysteresewirkung erreichbar ist.The optical strain gages of the invention have the advantage over electrical strain gauges that they are largely insensitive to electromagnetic fields and high voltage areas. They advantageously have no power supply, so that they are insensitive to power fluctuations on the transmission line and may also be used in hazardous areas. Furthermore, the non-positive connection of the Bragg gratings in the guide channels allows an enclosed connection structure with the flat carrier film, so that a good and defined power transmission is ensured on the Bragg gratings, whereby a high measurement accuracy and in particular a low hysteresis effect can be achieved.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Lichtwellenleiter vollflächig in die Führungskanäle eingegossen werden, hat den Vorteil, dass damit sehr flache einfach herstellbare optische Dehnungsmessstreifen gefertigt werden können. Da diese optischen Dehnungsmessstreifen auch aus keramischen oder Glasträgerfolien und Lichtwellenleitern aus Glasmaterialien herstellbar sind, können diese vorteilhaft auch bei sehr hohen Temperaturbelastungen eingesetzt werden.A particular embodiment of the invention, in which the optical waveguides are cast over the entire surface in the guide channels, has the advantage that it can be made very flat easy to manufacture optical strain gauges. Because these optical strain gauges too can be produced from ceramic or glass carrier foils and optical waveguides made of glass materials, these can be advantageously used even at very high temperature loads.
Bei einer besonderen Ausbildungsart der Erfindung mit zusätzlichen Bragg-Gittern zur Temperaturkompensation ist vorteilhaft, dass damit eine temperaturunabhängige Dehnungsmessung möglich wird. Damit ist auch gleichzeitig eine separate Temperaturerfassung ausführbar, wodurch vorteilhaft auch die thermische Überlastung des optischenIn a particular embodiment of the invention with additional Bragg gratings for temperature compensation is advantageous that thus a temperature-independent strain measurement is possible. Thus, at the same time a separate temperature detection executable, which advantageously also the thermal overload of the optical
Dehnungsmessstreifens und der angrenzenden übrigen Bauelemente erkannt werden kann.Strain gauge and the adjacent remaining components can be detected.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment which is illustrated in the drawing. Show it:
Fig. 1: die Draufsicht auf einen optischenFig. 1: the top view of an optical
Dehnungsmessstreifen;Strain gauges;
Fig. 2: einen Ausschnitt eines Schnittbildes durch den Faserzuführungsbereich des optischen2: a section of a sectional image through the fiber feed region of the optical
Dehnungsmessstreifens, undStrain gauge, and
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer Auswerteeinheit für einen optischen Dehnungsmessstreifen.3: a schematic representation of an evaluation unit for an optical strain gauge.
In Fig. 1 der Zeichnung ist ein optischer Dehnungsmessstreifen 1 dargestellt, der zur zweiachsigen Dehnungsmessung als Rosette ausgebildet ist und im Grunde aus drei nebeneinander angeordneten Lichtwellenleitern 2, 3, 4 mit eingeprägten Bragg-Gittern 5 besteht, die in eingearbeitete Führungskanäle 7, 8, 9 einer Trägerfolie 6 fixiert sind.In Fig. 1 of the drawing, an optical strain gauge 1 is shown, which is designed for biaxial strain measurement as a rosette and basically consists of three juxtaposed optical waveguides 2, 3, 4 with embossed Bragg gratings 5 in the incorporated guide channels 7, 8, 9 a carrier film 6 are fixed.
Zur Aufnahme der Lichtwellenleiter 2, 3, 4 ist eine dünne elastische Trägerfolie 6 vorgesehen, die vorzugsweise aus Kunststoff, wie z. B. Polyimid besteht. Die Trägerfolie 6 kann aber auch aus anderen harten elastischen Kunststoffen, Metallen, Glas oder Keramiken hergestellt sein. In der Praxis hat sich eine elastische Quarzglasfolie bewährt, die sehr dünn herstellbar ist und in die die Führungskanäle genau eingeschliffen werden können. Dabei dient die Trägerfolie 6 dazu, die vorgefertigten optischen Dehnungsmessstreifen 1 auf vorgesehenen Verformungskörpern zu applizieren oder in belasteten Bauelementen positionsgerecht und kraftschlüssig zu integrieren. Die vorgefertigte Trägerfolie 6 ist planar ausgebildet, besitzt vorzugsweise eine rechteckige oder quadratische Grundfläche und eine Dicke von etwa 0,3 mm. Für besondere Ausgestaltungen sind aber auch Foliendicken von 0,2 bis 0,8 mm möglich. Die Grundfläche richtet sich im wesentlichen nach der Länge der Bragg-Gitter 5 an den Enden der Lichtwellenleiter2, 3, 4 und der Ausbildung der optischen Dehnungsmessstreifen 1 für ein- oder zweiachsige Dehnungserfassungen .For receiving the optical waveguide 2, 3, 4, a thin elastic carrier film 6 is provided, which is preferably made of plastic, such as. B. polyimide. The carrier film 6 can but also made of other hard elastic plastics, metals, glass or ceramics. In practice, an elastic silica glass film has proven to be very thin and in which the guide channels can be precisely ground. In this case, the carrier film 6 is used to apply the prefabricated optical strain gauges 1 on provided deformation bodies or to integrate in loaded components in a positionally and non-positively. The prefabricated support film 6 is planar, preferably has a rectangular or square base and a thickness of about 0.3 mm. For special designs but also film thicknesses of 0.2 to 0.8 mm are possible. The base depends essentially on the length of the Bragg gratings 5 at the ends of the optical waveguides 2, 3, 4 and the formation of the optical strain gauges 1 for one or two-axis strain detections.
Bei der einachsigen Dehnungserfassung ist lediglich ein linear ausgerichteter Lichtwellenleiter 3 in einem Führungskanal 2 der Trägerfolie 6 vorgesehen, der je nach gefordertem Stör- Nutzsignalabstand eine Länge von ca. 8 bis 15 mm und eine Breite von ca. 2 bis 5 mm aufweist.In the uniaxial strain detection only a linearly aligned optical waveguide 3 is provided in a guide channel 2 of the carrier film 6, which has a length of about 8 to 15 mm and a width of about 2 to 5 mm, depending on the required Stör- Nutzsignalabstand.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eines optischen Dehnungsmessstreifens 1 zur zweiachsigen Dehnungserfassung mittels drei winkelversetzt angeordneter Bragg-Gitter 5 ist eine Größe der Trägerfolie 6 von ca. 26 x 30 mm vorgesehen. Dabei wird die Größe nicht nur von den 10 mm langen Bragg- Gittern 5 bestimmt, sondern im wesentlichen auch von denIn the illustrated embodiment of an optical strain gauge 1 for biaxial strain detection by means of three angularly offset disposed Bragg gratings 5, a size of the support film 6 of about 26 x 30 mm is provided. The size is determined not only by the 10 mm long Bragg gratings 5, but essentially also by the
Radien 11 der abknickenden Lichtwellenleiter 2, 3, die mit r = 20 mm relativ groß sind, um die Messfehler gering zu halten. Zwischen den drei Bragg-Gittern 5 ist jeweils ein Öffnungswinkel 18 von 45° vorgesehen, durch den im wesentlichen die Breite der optischen Dehnungsmessstreifen bestimmt wird. Bei kürzeren Bragg-Gittern 5 mit kleineren Radien sind auch Trägerfolien 6 mit kleineren Grundflächen von etwa 18 x 20 mm möglich.Radii 11 of the bending optical fibers 2, 3, which are relatively large with r = 20 mm in order to keep the measurement errors low. Between the three Bragg gratings 5, an opening angle 18 of 45 ° is provided in each case, through which substantially the width of the optical strain gauges is determined. For shorter Bragg gratings 5 with smaller radii and carrier foils 6 with smaller base areas of about 18 x 20 mm are possible.
In die Trägerfolien 6 werden zur Fixierung derIn the carrier films 6 are for fixing the
Lichtwellenleiter 2, 3, 4 Führungskanäle 7, 8, 9 oder Vertiefungen eingearbeitet, deren Querschnitt mindestens dem Querschnitt der Lichtwellenleiter 2, 3, 4 entspricht. Dazu werden vorzugsweise Lichtwellenleiter 2, 3, 4 aus mineralischen Glasleitfasern mit einem Außendurchmesser von 0,25 mm eingesetzt, so dass die Führungskanäle 7, 8, 9 oder Vertiefungen zumindest im Einführungsbereich 12 bis zur Schnittbildkante A-A jeweils eine Tiefe und Breite von 0,25 mm aufweisen.Optical waveguide 2, 3, 4 guide channels 7, 8, 9 or recesses incorporated, whose cross section corresponds at least to the cross section of the optical waveguides 2, 3, 4. For this purpose, optical waveguides 2, 3, 4 are preferably used made of mineral glass fibers with an outer diameter of 0.25 mm, so that the guide channels 7, 8, 9 or depressions at least in the lead-in area 12 to the cross-sectional edge AA each have a depth and width of 0.25 mm have.
Die Anordnung der Lichtwellenleiter 2, 3, 4 ist im einzelnen in Fig. 2 der Zeichnung näher dargestellt. Aus dem Ausschnitt des Schnittbildes A-A ist ersichtlich, dass im Einführungsbereich 12 vier Lichtwellenleiter 2, 3, 4, 13 parallel nebeneinander angeordnet sind. Dabei sind dreiThe arrangement of the optical waveguides 2, 3, 4 is shown in detail in detail in Fig. 2 of the drawing. From the section of the sectional image A-A it can be seen that four optical waveguides 2, 3, 4, 13 are arranged parallel next to one another in the lead-in region 12. There are three
Lichtwellenleiter 2, 3, 4 zur Dehnungsmessung vorgesehen und ein im Einführungsbereich endender Lichtwellenleiter 13 dient nur zur Temperaturkompensation. Dieser vierte Lichtwellenleiter 13 endet ca. 2 mm hinter der Einführungskante und besitzt außerhalb der Trägerfolie 6 auch ein Bragg-Gitter 14 zur Temperaturerfassung. Die anderen drei Lichtwellenleiter 2, 3, 4 sind nach dem Einführungsbereich 12 nur noch mit ihrem Fasermantelbereich weitergeführt.Optical waveguide 2, 3, 4 provided for strain measurement and an end in the lead-in optical waveguide 13 is used only for temperature compensation. This fourth optical waveguide 13 ends about 2 mm behind the introduction edge and has outside the carrier film 6, a Bragg grating 14 for temperature detection. The other three optical waveguides 2, 3, 4 are continued after the introduction region 12 only with their fiber cladding region.
Bei den Lichtwellenleitern 2, 3, 4, 13 handelt es sich um herkömmliche optische Lichtleitfasern aus mineralischen Glasfasern wie sie auch zur Telekommunikation als Einmodenfaser mit einer Wellenlänge von vorzugsweise λ = 1550 nm eingesetzt werden. Diese Glasfasern 2, 3, 4 bestehen vorzugsweise aus einem Faserkern 15, einem Fasermantel 16 und einer Faserschutzschicht 17, die auch entfallen kann. Da die optische Lichtleitwirkung ausschließlich im Kern- 15 und Mantelbereich 16 der Glasfaser geschieht, ist die Faserschutzschicht 17 als mechanischer Schutzbereich hinter dem Einführungsbereich 12 entfernt worden. Dies ist auch deshalb notwendig, um am Ende der Glasfasern 2, 3, 4 die Bragg-Gitter 5 einzuprägen. Deshalb sind für diese Mantelbereiche nach dem Einführungsbereich 12 drei weiterführende Führungskanäle 7, 8, 9 von nur noch 0,125 mm (oder geringer) Tiefe und Breite in die Trägerfolie 6 eingearbeitet, die dem Durchmesser des Fasermantels 16 entspricht. Diese Führungskanäle 7, 8, 9 zum Fixieren der Glasfasern 2, 3, 4 mit seinem Faserkern 15 und dem Fasermantel 16 verlaufen zunächst parallel nebeneinander, wobei die beiden äußeren Glasfasern 2, 4 mit einem Radius von 20 mm seitlich abknicken und nach einem Abknickungswinkel 18 von jeweils 45° gerade weitergeführt werden. Dabei ist mindestens ein linearer Führungskanalteil am Ende von maximal L = 10 mm vorgesehen, der etwa 2 mm vor der gegenüberliegenden Trägerfolienkante endet .The optical waveguides 2, 3, 4, 13 are conventional optical fibers made of mineral glass fibers as they are also used for telecommunications as a single-mode fiber with a wavelength of preferably λ = 1550 nm. These glass fibers 2, 3, 4 are preferably made of a fiber core 15, a fiber cladding 16 and a fiber protection layer 17, which may also be omitted. Since the optical light-guiding effect occurs exclusively in the core 15 and cladding region 16 of the glass fiber, the fiber protection layer 17 has been removed as a mechanical protection region behind the introduction region 12. This is also necessary in order to impress the Bragg gratings 5 at the end of the glass fibers 2, 3, 4. Therefore, for these jacket regions after the insertion region 12, three further guiding channels 7, 8, 9 of only 0.125 mm (or less) depth and width are incorporated into the carrier film 6, which corresponds to the diameter of the fiber jacket 16. These guide channels 7, 8, 9 for fixing the glass fibers 2, 3, 4 with its fiber core 15 and the fiber cladding 16 initially run parallel to each other, wherein the two outer glass fibers 2, 4 bend laterally with a radius of 20 mm and after a Abknickungswinkel 18th each of 45 ° straight forward. At least one linear guide channel part is provided at the end of a maximum of L = 10 mm, which ends approximately 2 mm in front of the opposite carrier foil edge.
Diese Führungskanäle 7, 8, 9, 10 werden in die Trägerfolie 6 vorzugsweise durch ein fotolithografisches Ätzverfahren eingearbeitet. Es sind aber auch mechanische oder thermische Verfahren bekannt, mit denen die feinen Führungskanäle 7, 8, 9, 10 durch einen Materialabtrag in die Trägerfolie 6 eingearbeitet werden können. Der mittlere Führungskanal 8 zur Fixierung des zweiten Lichtwellenleiters 3 verläuft hingegen linear und stellt gleichzeitig die Mittellinie des symmetrischen optischen Dehnungsmessstreifens 1 dar. Dabei bildet der zweite Lichtwellenleiter 3 mit den beiden äußeren Lichtwellenleitern 4, 3 jeweils einen Winkel von 45° und die beiden äußeren zueinander einen Winkel von 90°, so dass damit alle Dehnungen in den beiden Flächenachsen erfassbar sind. In die drei auseinanderragenden Führungskanäle 7, 8, 9 werden nach der Materialabtragung die Lichtwellenleiter 2, 3, 4 eingelegt, an dessen Enden bereits die drei Bragg-Gitter 5 eingeprägt wurden. Obwohl die drei Lichtwellenleiter 2, 3, 4 sehr flexibel und mit 0,125 mm Durchmesser oder geringer verhältnismäßig dünn sind, kann die Einlegung in die Führungskanäle 7, 8, 9 auf einfache Weise sowohl maschinell als auch manuell geschehen, da diese durch die passgenauen Führungskanalabmessungen durch Druckeinwirkung in diese fixierbar sind. Dabei kann eine feste Verbindung sowohl durch Verpressen als auch durch Verkleben mit der Trägerfolie 6 erreicht werden, so dass nicht nur eine formschlüssige, sondern auch eine feste kraftschlüssige Verbindung zwischen den Lichtwellenleitern 2, 3, 4 und der Trägerfolie 6 erfolgt.These guide channels 7, 8, 9, 10 are incorporated into the carrier film 6, preferably by a photolithographic etching process. But there are also known mechanical or thermal methods by which the fine guide channels 7, 8, 9, 10 can be incorporated by a material removal in the carrier film 6. The middle guide channel 8 for fixing the second optical waveguide 3, however, extends linearly and simultaneously represents the center line of the symmetrical optical strain gauge 1. In this case, the second optical waveguide 3 with the two outer optical waveguides 4, 3 in each case an angle of 45 ° and the two outer to each other an angle of 90 °, so that so that all strains in the two surface axes can be detected. After the removal of material, the optical waveguides 2, 3, 4 are inserted into the three guide channels 7, 8, 9 which are diverging, at the ends of which the three Bragg gratings 5 have already been embossed. Although the three optical fibers 2, 3, 4 are very flexible and with 0.125 mm diameter or less relatively thin, the insertion into the guide channels 7, 8, 9 can be done easily both mechanically and manually, as this by the accurately fitting guide channel dimensions Pressure can be fixed in this. In this case, a firm connection can be achieved both by pressing and by gluing to the carrier film 6, so that not only a form-fitting, but also a firm frictional connection between the optical waveguides 2, 3, 4 and the carrier film 6 takes place.
Durch die nebeneinander abknickende Anordnung der Lichtwellenleiter 2, 3, 4 wird im Grunde eine sogenannte Dehnungsmessstreifenrosette gebildet, mit der alle horizontal verlaufenden Kraft- bzw. Dehnungskomponenten erfassbar sind. Als Kleber zur kraftschlüssigen Verbindung der Glasfasern 2, 3, 4 mit der Trägerfolie 6 hat sich in der Praxis ein aushärtbarer Epoxydharzkleber bewährt, der auch nur geringe Hystereseerscheinungen aufweist und eine hervorragende Übertragung der Dehnung auf die Lichtwellenleiter 2, 3, 4 gewährleistet.By virtue of the juxtaposition of the optical waveguides 2, 3, 4, a so-called strain gauge rosette is basically formed, with which all horizontally extending force or expansion components can be detected. As an adhesive for frictional connection of the glass fibers 2, 3, 4 with the carrier film 6, a curable epoxy resin adhesive has been proven in practice, which also has only low hysteresis and excellent transmission of the strain on the optical waveguide 2, 3, 4 guaranteed.
In einer besonderen Ausführungsart der Erfindung wird der Lichtwellenleiter 2, 3, 4 als planarer Lichtwellenleiter ausgeführt, der vorzugsweise in die Führungskanäle 7, 8, 9, 10 eingegossen ist. Dazu wird beispielsweise in den Führungskanal 7, 8, 9, 10 der Kunststoffträgerfolie 6 ein optisch leitfähiges Polymersubstrat oder ein anderes sogenanntes Fotoresist eingebracht, das eine höhere Brechungszahl als die Trägerfolie 6 aufweist. Dadurch entsteht ein Brechzahlensprung, durch den das Polymersubstrat als lichtleitfähiger Kunststoff wie ein Lichtwellenleiter wirkt. Dabei stellt das Polymersubstrat im Grunde den Kern und die Trägerfolie 6 den Mantel mit der niedrigeren Brechungszahl dar. Insbesondere bei rechteckigen oder quadratischen Führungskanälen 7, 8, 9 entsteht durch die Einbringung des lichtleitfähigen Substrats auf einfache Weise ein optischer Streifenleiter, der zur Lichtleitung bestimmter Wellenlängen wie Glasfasern geeignet ist. Bei dieser Ausführungsart werden vor Einbringen der lichtleitfähigen Schicht in die Führungskanäle 7, 8, 9 streifenförmige Unregelmäßigkeiten im Abstand Λ eingeprägt, die dann als Bragg-Gitter 5 wirken. Diese können kammartige Erhebungen oder auch Vertiefungen darstellen, die auf eine Länge L von 3 bis 10 mm ein Bragg- Gitter bilden, das die eingespeisten Lichtwellen mit einer vorgegebenen Wellenlänge λB reflektiert. Da dieIn a particular embodiment of the invention, the optical waveguide 2, 3, 4 is designed as a planar optical waveguide, which is preferably cast in the guide channels 7, 8, 9, 10. For this purpose, for example, an optically conductive polymer substrate or another so-called photoresist is introduced into the guide channel 7, 8, 9, 10 of the plastic carrier film 6, which has a higher refractive index than the carrier film 6. This results in a refractive index jump, through which the polymer substrate as photoconductive plastic acts like an optical fiber. In this case, the polymer substrate is basically the core and the carrier film 6 the sheath with the lower refractive index. In particular with rectangular or square guide channels 7, 8, 9 formed by the introduction of the photoconductive substrate in a simple manner, an optical strip conductor, the light line of certain wavelengths as glass fibers is suitable. In this embodiment, strip-shaped irregularities are imprinted at a distance Λ before introducing the photoconductive layer into the guide channels 7, 8, 9, which then act as Bragg gratings 5. These can represent comb-like elevations or depressions which form a Bragg grating over a length L of 3 to 10 mm, which reflects the light waves fed in at a predetermined wavelength λ B. Because the
Lichtwellenleiter 2, 3, 4 in den Führungskanälen 7, 8, 9 der Trägerschicht 6 fest eingelassen und mit diesen fest verbunden sind, können damit auch alle auf die Trägerschicht 6 wirkenden Dehnungen genau erfasst werden. Durch diese polymere Lichtwellenleiter 2, 3, 4 als optische Streifenleiter sind sehr flache Ausführungen von optischen Dehnungsmessstreifen 1 realisierbar, die dünner als 0,5 mm sind.Optical waveguides 2, 3, 4 firmly embedded in the guide channels 7, 8, 9 of the support layer 6 and are firmly connected to these, so that all strains acting on the support layer 6 can be accurately detected. By means of these polymeric optical waveguides 2, 3, 4 as optical strip conductors, very flat designs of optical strain gauges 1 which are thinner than 0.5 mm can be realized.
Derartige Ausführungen von in den Führungskanälen 7, 8, 9 eingelassenen optisch leitfähigen Medien als Lichtwellenleiter 2, 3, 4 sind auch mit hitzebeständigen Glas- oder Keramikfolien als Trägerschicht 6 ausführbar, in dessen Führungskanäle 7, 8, 9 photonische Kristalle mit Quarzglassubstraten eingegossen werden. Dazu werden mit Hilfe der photonischen Kristalle die Bragg-Gitter ausgebildet, mit denen die Dehnung erfassbar ist. Die Kanäle können vorzugsweise auch durch einen feldunterstützten Ionenaustausch realisiert werden. Die Bragg-Gitter werden dann durch einen chemischen Ätzprozess von außen in diese Kanäle eingebracht. Derartige Ausführungen von optischen Dehnungsmessstreifen 1 können bei Temperaturen bis 900 0C eingesetzt werden. .._Such embodiments of optically conductive media embedded in the guide channels 7, 8, 9 as optical waveguides 2, 3, 4 can also be carried out with heat-resistant glass or ceramic films as carrier layer 6, in whose guide channels 7, 8, 9 photonic crystals are cast with quartz glass substrates. For this purpose, the Bragg gratings are formed with the help of photonic crystals, with which the strain is detected. The channels can preferably also be realized by a field-assisted ion exchange. The Bragg gratings are then introduced into these channels from outside through a chemical etching process. Such embodiments of optical strain gauges 1 can be used at temperatures up to 900 0 C. .._
Zum mechanischen Schutz und zur Verhinderung von Feuchtigkeitseinwirkungen auf die Lichtwellenleiter 2, 3, 4 werden die Führungskanäle 7, 8, 9, 10 mit den eingelegten Wellenleitern 2, 3, 4 zusätzlich mit einer dünnen Abdeckfolie 19 beschichtet. Die Abdeckfolie 19 besteht vorzugsweise ebenfalls aus dem Material der Trägerfolie 6 wie z. B. Polyimid und besitzt vorzugsweise eine Dicke von 0,05 mm und wird mit der Trägerfolie 6 verschweißt oder verklebt, so dass der optische Dehnungsmessstreifen 1 hermetisch abgedichtet ist .For mechanical protection and to prevent the effects of moisture on the optical waveguides 2, 3, 4, the guide channels 7, 8, 9, 10 are additionally coated with the inserted waveguides 2, 3, 4 with a thin cover film 19. The cover 19 is preferably also made of the material of the carrier film 6 such. As polyimide and preferably has a thickness of 0.05 mm and is welded or glued to the support sheet 6, so that the optical strain gauge 1 is hermetically sealed.
Ein derartiger optischer Dehnungsmessstreifen 1 kann sowohl auf metallischen Verformungskörpern wie herkömmliche elektrische Dehnungsmessstreifen appliziert oder auch in Faserverbundstoffen eingelegt oder aufgeklebt werden. Mit derartigen optischen Dehnungsmessstreifen 1 sind nicht nur dehnungsbedingte Kraftmessungen, sondern auchSuch an optical strain gauge 1 can be applied both to metallic deformation bodies as conventional electrical strain gauges or inserted or glued in fiber composites. With such optical strain gauges 1 are not only strain measurements, but also
Temperaturmessungen möglich, da gleichzeitig auch die Wärmeausdehnung detektierbar ist.Temperature measurements possible, as at the same time the thermal expansion is detectable.
Ist ein derartiger optischer Dehnungsmessstreifen 1 auf einem kraftbeaufschlagten Verformungskörper appliziert, so kann damit wie folgt beschrieben die beaufschlagte Kraft oder Dehnung erfasst werden. Denn durch die auf den Dehnungskörper einwirkende Kraft erfolgt an dessen Oberfläche eine Dehnungswirkung, die über die darauf applizierte Trägerfolie 6 auf die darin kraftschlüssig fixierten Lichtwellenleiter 2, 3, 4 übertragen wird. Dadurch entsteht auch eine Längenänderung innerhalb des Bragg-Gitter-Bereichs L, da dies aus einem Stück des Kerns 15 der Lichtleitfaser 2, 3, 4 gebildet wird, der vom Mantel 16 umgeben ist, der einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern 15 aufweist. Die Lichtleitfaser 2, 3, 4 ist vorstehend als eine Einmodenfaser (Single-Mode-Faser) ausgebildet, bei der der Durchmesser des Faserkerns 15 mit 9μm ausreichend klein ist, so dass sich das von einer vorzugsweise Infrarotlichtquelle stammende Licht nur in einer einzigen Mode entlang des Kerns 15 ausbreiten kann. Diese Single-Mode wird im wesentlichen durch den Brechzahlsprung an der Kern-Mantel- Grenze geleitet. Die Linien 20 des Bragg-Gitters 5 sind eine Reihe von vorzugsweise regelmäßig beabstandeten Störungen des effektiven Brechungsindexes n des Kerns 15. Das Bragg-Gitter 5 verläuft entlang einer Länge L der Lichtleitfaser 2, 3, 4, wobei L normalerweise in einem Bereich von 3 bis 20 mm liegt.If such an optical strain gauge 1 is applied to a force-loaded deformation body, it can thus be described as follows, the applied force or strain can be detected. Because of the force acting on the expansion body force takes place on the surface of an expansion effect, which is transmitted via the applied thereto carrier sheet 6 on the non-positively fixed therein optical waveguides 2, 3, 4. This also creates a change in length within the Bragg grating region L, since this is formed from a piece of the core 15 of the optical fiber 2, 3, 4, which is surrounded by the shell 16, which has a lower refractive index than the core 15. The optical fiber 2, 3, 4 is is formed above as a single-mode fiber in which the diameter of the 9μm fiber core 15 is sufficiently small so that the light from a preferably infrared light source can propagate along the core 15 in only a single mode. This single mode is essentially guided by the refractive index jump at the core-cladding boundary. The lines 20 of the Bragg grating 5 are a series of preferably regularly spaced perturbations of the effective refractive index n of the core 15. The Bragg grating 5 extends along a length L of the optical fiber 2, 3, 4, where L is normally in the range of 3 up to 20 mm.
Zur Herstellung von Bragg-Gittern 5 können verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Bei einem dieser Verfahren werden die Störungen des Brechungsindexes n im Kern 15 erzeugt, indem die Lichtleitfaser 2, 3, 4 mit einer Phasenmaske maskiert und mit starkem Ultraviolettlicht bestrahlt wird. Bei einem anderen Verfahren werden die Indexstörungen n dadurch gebildet, dass die Lichtleitfaser 2, 3, 4 einem Interferenzmuster ausgesetzt wird, das aus zwei sich schneidenden Hälften eines UV-Laserstrahls erzeugt wird. Der Abstand Λ zwischen den Indexstörungen n wird durch den Winkel bestimmt, bei dem sich die beiden Hälften des Strahls schneiden.For the production of Bragg gratings 5, various methods can be used. In one of these methods, the refractive indices n in the core 15 are generated by masking the optical fibers 2, 3, 4 with a phase mask and irradiating them with strong ultraviolet light. In another method, the index perturbations n are formed by exposing the optical fibers 2, 3, 4 to an interference pattern generated from two intersecting halves of a UV laser beam. The distance Λ between the index perturbations n is determined by the angle at which the two halves of the beam intersect.
Bei den Lichtwellenleitern 2, 3, 4, bei denen das optisch leitfähige Material direkt in die Führungskanäle 7, 8, 9 eingegossen wird, werden die Bragg-Gitter 5 durch Störungen in der Trägerfolie 6 gebildet. Dadurch wird mechanisch ein kammartiges Strichmuster in die Trägerfolie 6 mit dem Abstand Λ eingeprägt, durch die die Lichtwellen reflektiert werden. Bei den Lichtwellenleitern 7, 8, 9 aus photonischen Kristallen mit Quarzglassubstrat wird das Bragg-Gitter 5 vorzugsweise durch Bestrahlung mit UV-Licht und einer Phasenmaske gebildet. Die durch diese Methoden bewirkten Störungen des Kernbrechungsindex n liegen normalerweise in der Größenordnung von einem Tausendstel oder darunter.In the optical waveguides 2, 3, 4, in which the optically conductive material is poured directly into the guide channels 7, 8, 9, the Bragg gratings 5 are formed by disturbances in the carrier film 6. As a result, a comb-like line pattern is mechanically impressed into the carrier film 6 with the distance Λ, through which the light waves are reflected. In the optical waveguides 7, 8, 9 of photonic crystals with quartz glass substrate, the Bragg grating 5 is preferably formed by irradiation with UV light and a phase mask. The disturbances caused by these methods Nuclear refractive index n is usually on the order of one-thousandth or less.
Die für die Fertigung von Bragg-Gittern 5 verwendeten Lichtleitfasern 2, 3, 4 haben in der Regel eine Schutzschicht 17 außerhalb des Mantels 16, die vorzugsweise aus einem Polymer besteht und für die eigentliche Lichtleitfunktion keine Bedeutung besitzt. Diese Schutzschicht 17 wird entfernt, bevor die Lichtleitfaser 2, 3, 4 zur Bildung des Bragg-Gitters 5 dem UV-Licht ausgesetzt wird. Nach der Bestrahlung kann der abgestreifte Teil der Lichtleitfaser 2, 3, 4 auch neu beschichtet werden, um ihre Haltbarkeit wieder herzustellen. Da die Lichtleitfasern 2, 3, 4 im vorliegenden Ausführungsbeispiel allerdings in den Führungskanälen 7, 8, 9 verlaufen und sowohl durch die Trägerfolie 6 als auch die Abdeckfolie 19 geschützt sind, ist in dem erfindungsgemäßen optischen Dehnungsmessstreifen 1 genügend mechanischer Schutz der Lichtleitfasern 2, 3, 4 gewährleistet.The optical fibers 2, 3, 4 used for the production of Bragg gratings 5 generally have a protective layer 17 outside of the jacket 16, which preferably consists of a polymer and has no significance for the actual light-guiding function. This protective layer 17 is removed before the optical fiber 2, 3, 4 is exposed to the UV light to form the Bragg grating 5. After irradiation, the stripped portion of the optical fiber 2, 3, 4 may also be recoated to restore its durability. However, since the optical fibers 2, 3, 4 in the present exemplary embodiment run in the guide channels 7, 8, 9 and are protected by both the carrier film 6 and the cover film 19, sufficient mechanical protection of the optical fibers 2, 3 is provided in the optical strain gauge 1 according to the invention , 4 guaranteed.
Wenn dem Bragg-Gitter 5 ein breites Lichtspektrum als Eingangssignal zugeführt wird, durchdringen die meisten Wellenlängen den Gitterbereich und bilden ein transmittiertes Ausgangssignal. Die periodischen Störungen des Brechungsindexes n erzeugen aber bei Bestandteilen des Eingangssignals eine starke Bragg-Reflexion mit derWhen the Bragg grating 5 is supplied with a broad spectrum of light as an input signal, most wavelengths penetrate the grating area and form a transmitted output signal. The periodic disturbances of the refractive index n, however, produce a strong Bragg reflection with components of the input signal
Wellenlänge λB, der sogenannten Bragg-Wellenlänge, die sich nach der Formel λB=2nΛ ergibt, wobei n der effektive Brechungsindex und Λ die Gitterperiode darstellen.Wavelength λ B , the so-called Bragg wavelength, which results according to the formula λ B = 2nΛ, where n represents the effective refractive index and Λ the grating period.
Mit einem Spektrometer oder einem sogenannten Fabry-Perot- Filter können die durch das Bragg-Gitter 5 reflektierten Lichtwellensignale detektiert werden. Dabei zeigt die ermittelte Wellenlänge λ, bei der ein Peak in Reflexion auftritt, einen Wert, der von der Gitterperiode Λ abhängig ist. Wenn eine Längsdehnung auf das Bragg-Gitter 5 wirkt, ändert sich der Abstand Λ, so dass sich die Bragg-Wellenlänge λB verschiebt. Die Bragg-Wellenlänge λB verhält sich dabei annähernd proportional zur Dehnung entlang der Längsachse der Lichtwellenleiter 2, 3, 4. Die Wellenlängenänderung ΔλB ist also ein Maß für die in den Verformungskörper eingeleiteteWith a spectrometer or a so-called Fabry-Perot filter, the lightwave signals reflected by the Bragg grating 5 can be detected. In this case, the determined wavelength λ, at which a peak occurs in reflection, a value which is dependent on the grating period Λ. When a longitudinal strain acts on the Bragg grating 5, changes the distance Λ, so that the Bragg wavelength λ B shifts. The Bragg wavelength λ B behaves approximately proportionally to the strain along the longitudinal axis of the optical waveguides 2, 3, 4. The wavelength change Δλ B is thus a measure of the introduced into the deformation body
Kraft. Deshalb können derartige optische Dehnungsmessstreifen 1 ähnlich wie elektrische Dehnungsmessstreifen auf vorgesehene Verformungskörper vorzugsweise auch in Wägezellen, Drehmomentwellen oder anderen Kraftaufnehmern eingesetzt werden. Allerdings sind derartige optischeForce. Therefore, such optical strain gauges 1 can be used similarly to electrical strain gauges on provided deformation body preferably in load cells, torque shafts or other force transducers. However, such optical
Dehnungsmessstreifen 1 auch bei Belastungsversuchen beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt verwendbar, wo die optischen Dehnungsmessstreifen 1 dann direkt auf die belasteten Bauteile appliziert werden, wobei insbesondere die erfindungsgemäßen Rosetten zur Messung der unbekannten Krafteinleitungsrichtungen sinnvoll sind. Aber auch zur Überwachung des Betriebszustands belasteter Bauteile sind derartige optische Dehnungsmessstreifen 1 einsetzbar, die bei der Überschreitung einer vorgegebenen Grenzdehnung einen Ermüdungsschaden oder eine Rissbildung erfassen können.Strain gauges 1 also used in load tests, for example in aerospace, where the optical strain gauges 1 are then applied directly to the loaded components, in particular the rosettes according to the invention for measuring the unknown force introduction directions are useful. But also for monitoring the operating state of loaded components such optical strain gauges 1 can be used, which can detect a fatigue damage or cracking when exceeding a predetermined limit strain.
Zur Erfassung der dehnungsabhängigen Belastung ist allerdings eine spezielle spektrale Auswerteeinheit mit beispielsweise einem Fabry-Perot-Filter vorgesehen, die schematisch in Fig. 3 der Zeichnung dargestellt ist. Diese Auswerteeinheit 21 enthält im Grunde eine Sende- 22 und Empfangseinheit 23 für Lichtwellenleiter 2, 3, 4, in der mittels der Auswerteeinheit 21 die vom Bragg-Gitter 5, 14 reflektierte Wellenlänge λB detektiert wird. Dabei wird zunächst im unbelasteten Zustand mittels einer vorzugsweise Infrarotlichtquelle alsTo detect the strain-dependent load, however, a special spectral evaluation unit with, for example, a Fabry-Perot filter is provided, which is shown schematically in FIG. 3 of the drawing. Basically, this evaluation unit 21 contains a transmitting and receiving unit 23 for optical waveguides 2, 3, 4, in which the evaluation unit 21 detects the wavelength λ B reflected by the Bragg gratings 5, 14. It is first in the unloaded state by means of a preferably infrared light source as
Sendeeinheit 22 ein breitbandiges Lichtsignal mit einer Wellenlänge λ von vorzugsweise ca. 1525 bis 1575 nm in die Lichtwellenleiter 2, 3, 4 eingespeist. Durch das Bragg-Gitter 5 wird nun aufgrund des Zusammenhangs λB=2nΛ eine vorbestimmte Wellenlänge λB0 reflektiert, die über eine Umschalteinheit 24a in einem Koppler 24b von den abgestrahlten Lichtsignalen getrennt wird. Mit Hilfe eines nachfolgenden bekannten Fabry- Perot-Filters in der Empfangseinheit 23 oder einer anderen Spektrometereinheit können dann die reflektierten Lichtwellensignale mit einer Auflösung von 1 pm erfasst und als Referenzwert λBo elektronisch gespeichert oder in einer Anzeigevorrichtung 25 angezeigt werden.Transmitting unit 22 a broadband light signal having a wavelength λ of preferably about 1525 to 1575 nm in the optical waveguides 2, 3, 4 is fed. Due to the relationship λ B = 2nΛ, a predetermined wavelength λ B0 is reflected by the Bragg grating 5, which is transmitted via a switching unit 24a in a coupler 24b is separated from the radiated light signals. By means of a subsequent known Fabry-Perot filter in the receiving unit 23 or other spectrometer unit then the reflected optical signals can be detected pm with a resolution of 1 and stored as a reference value λ B o electronically or displayed in a display device 25th
Tritt nun eine belastungsabhängige Dehnung am Verformungskörper auf, die über die applizierte Trägerfolie 6 eine Längenänderung des Lichtwellenleiters 2, 3, 4 bewirkt, so ändert sich über die Gitterperiode Λ auch die reflektierte Wellenlänge λBi des Bragg-Gitters 5, die ebenfalls mit Hilfe des Fabry-Perot-Filters detektiert wird. Wird nun die Differenz aus der Referenz-Bragg-Gitterwellenlänge λBo - λBi gebildet, so erhält man einen Wert, der der Dehnung bzw. der Belastungskraft proportional ist und der in der Anzeigevorrichtung 25 als Dehnung oder Kraft anzeigbar ist. Dabei werden bei der vorliegenden Rosette aus den drei nebeneinander im Winkel angeordneten Lichtleitfasern 2, 3, 4 alle drei Dehnungs- oder Kraftkomponenten separat ausgewertet und über deren bekannte Winkelposition wie bei elektrischen Dehnungsmessstreifenrosetten als Einzelkraftkomponenten oder als resultierende Kraft berechnet.Now occurs when a load-dependent strain on the deformation body on the applied carrier sheet 6 causes a change in length of the optical waveguide 2, 3, 4, so changes over the grating period Λ and the reflected wavelength λ B i of the Bragg grating 5, which also with help of the Fabry-Perot filter is detected. If the difference between the reference Bragg grating wavelength λ B o - λ B i is now formed, a value is obtained which is proportional to the strain or the loading force and which can be displayed in the display device 25 as strain or force. In the present rosette of the three juxtaposed at an angle optical fibers 2, 3, 4 all three strain or force components are evaluated separately and calculated on the known angular position as in electrical strain gage rosettes as individual force components or as a resultant force.
Allerdings ist eine derartige Dehnungs- oder Krafterfassung nur hinreichend genau, wenn die Umgebungstemperatur immer gleich bleibend konstant ist, da derartige Bragg-Gitter ihre reflektierte Wellenlänge λB auch proportional zur Umgebungstemperatur ändern. Deshalb kann man mit derartigen optischen Dehnungsmessstreifen 1 im Grunde ohne belastungsabhängige Dehnung auch die Temperatur T messen. Denn die Bragg-Wellenlänge λB shiftet als Funktion der Dehnung ε und der Temperatur T nach der Beziehung: ΔλB = KE x ε + Kτ x ΔT Dabei entspricht:However, such an expansion or force detection is only sufficiently accurate if the ambient temperature is always constantly constant, since such Bragg gratings change their reflected wavelength λ B also proportional to the ambient temperature. Therefore, you can measure with such optical strain gauges 1 basically without load-dependent strain and the temperature T. Because the Bragg wavelength λ B shifts as a function of the strain ε and the temperature T according to the relationship: Δλ B = K E x ε + K τ x ΔT Where:
KE = der Empfindlichkeitsfaktor der Dehnung; ε = die Dehnung; Kτ = der Empfindlichkeitsfaktor der Temperatur, und ΔT = die Temperaturänderung.K E = the sensitivity factor of the elongation; ε = the strain; K τ = the sensitivity factor of the temperature, and ΔT = the temperature change.
Da man nach der obenstehenden Beziehung allerdings nicht zwischen der temperatur- und dehnungsbedingten Bragg- Wellenlängenänderung ΔλB unterscheiden kann und eine gleich bleibende Temperaturkonstanz nicht immer einhaltbar ist, wird zusätzlich noch ein vierter optischer Wellenleiter 13 mit außerhalb des optischen Dehnungsmessstreifens 1 liegendem Bragg-Gitter 14 zur Temperaturkompensation vorgesehen. Durch dieses vierte Bragg-Gitter 14 wird deshalb eine weitere nur temperaturabhängige Wellenlängenänderung ΔλBτ (λBτ=KτΔT) mit Hilfe einer Empfangseinheit 26 detektiert, die in der Auswerteeinheit 21 von den dehnungs- und temperaturbedingten Wellenlängenänderungen ΔλB die temperaturabhängige Wellenlängenänderung ΔλBT durch ein Rechenglied 27 zurHowever, since one can not differentiate between the temperature and strain-related Bragg wavelength change Δλ B according to the above relationship and a constant temperature constancy is not always sustainable, a fourth optical waveguide 13 with Bragg grating 14 located outside the optical strain gauge 1 additionally becomes provided for temperature compensation. By means of this fourth Bragg grating 14, therefore, a further only temperature-dependent wavelength change Δλ B τ (λ B τ = K τ ΔT) is detected with the aid of a receiving unit 26, which in the evaluation unit 21 determines the temperature-dependent wavelength change from the strain and temperature-related wavelength changes Δλ B Δλ BT by a computing device 27 for
Temperaturkompensation subtrahiert wird. Dadurch erhält man einen sehr genauen Messwert der Dehnung oder Kraft, der unabhängig von der Temperatur des optischen Dehnungsmessstreifens 1 ist.Temperature compensation is subtracted. This gives a very accurate measure of strain or force which is independent of the temperature of the optical strain gauge 1.
Der vierte optische Wellenleiter 13 könnte bei einem abgewandelten optischen Dehnungsmessstreifen 1 auch mit in die Trägerfolie 6 integriert werden. Dann müsste allerdings der zugeordnete Führungskanal 10 so bemessen sein, dass das Bragg- Gitter 14 lose einliegt, um Dehnungseinwirkungen auszuschließen. Eine derartige zusätzliche optische Lichtleitfaser mit einem Bragg-Gitter 14 zur Temperaturkompensation ist auch für lineare optische Dehnungsmessstreifen 1 mit nur einer geraden optischen Lichtleitfaser 3 vorgesehen. Dabei kann die zusätzliche Lichtleitfaser auch gleichzeitig zu einer reinen Temperaturmessung mitbenutzt werden. Des weiteren sind auch optische Dehnungsmessstreifen 1 ausbildbar, bei denen auf einer größeren Trägerfolienfläche gleichzeitig mehrere Rosetten oder mehrere lineare Lichtleitfasern angeordnet sind, die eine flächige Dehnungserfassung ermöglichen, um beispielsweise auch an komplizierten Bauteilen eine Analyse des Spannungsverlaufs zu ermitteln. The fourth optical waveguide 13 could also be integrated into the carrier foil 6 in the case of a modified optical strain gauge 1. Then, however, the associated guide channel 10 would have to be dimensioned such that the Bragg grating 14 rests loosely to exclude the effects of stretching. Such an additional optical fiber with a Bragg grating 14 for temperature compensation is also provided for linear optical strain gauges 1 with only a straight optical fiber 3. It can be the additional Optical fiber are also used simultaneously to a pure temperature measurement. Furthermore, optical strain gauges 1 can be formed, in which a plurality of rosettes or a plurality of linear optical fibers are arranged on a larger support film surface, which allow a flat strain detection, to determine an analysis of the voltage curve, for example, on complicated components.

Claims

Optischer DehnungsmessstreifenPatentansprüche Optical strain gauge patent claims
1. Optischer Dehnungsmessstreifen (1), der eine ebene Trägerschicht (6) enthält, auf der mindestens ein Lichtwellenleiter (2, 3, 4) kraftschlüssig angeordnet ist, der mindestens einen Abschnitt mit einem Bragg-Gitter (5) zur Erfassung der Dehnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht als dünne Trägerfolie (6) ausgebildet und in die der Lichtwellenleiter (2, 3, 4) innerhalb eines vorgegebenen Führungskanals (7, 8, 9) eingelassen ist.1. Optical strain gauge (1) containing a planar support layer (6) on which at least one optical waveguide (2, 3, 4) is arranged non-positively, having at least one portion with a Bragg grating (5) for detecting the strain , characterized in that the carrier layer as a thin carrier film (6) and in which the optical waveguide (2, 3, 4) within a predetermined guide channel (7, 8, 9) is embedded.
2. Optischer Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (6) elastisch ist und aus Metall, Glas, Keramik oder einem harten Kunststoff besteht, in der mindestens ein linearer Führungskanal (8) ausgespart ist, dessen Querschnitt rund, eckig oder V- förmig ausgebildet ist und mindestens einen Durchmesser aufweist, der dem Durchmesser des Wellenleiterabschnitts (L) mit dem Bragg-Gitter (5) entspricht.2. Optical strain gauge according to claim 1, characterized in that the carrier film (6) is elastic and consists of metal, glass, ceramic or a hard plastic, in which at least one linear guide channel (8) is recessed, the cross-section round, square or V-shaped and has at least one diameter corresponding to the diameter of the waveguide section (L) with the Bragg grating (5).
3. Optischer Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trägerfolie (6) drei Führungskanäle (2, 3, 4) vorgesehen sind, die in einem gemeinsamen Einführungsbereich (12) parallel beginnen, wobei der mittlere Führungskanal (8) danach linear weitergeführt ist, und die beiden angrenzenden Führungskanäle (7, 9) in einem Winkel von 45° bogenförmig abknicken und in einem linearen Bereich von mindestens der Länge L enden.3. Optical strain gauge according to claim 1 or 2, characterized in that in the carrier film (6) three guide channels (2, 3, 4) are provided which start parallel in a common insertion region (12), wherein the central guide channel (8). is then linearly continued, and bend the two adjacent guide channels (7, 9) at an angle of 45 ° arcuate and terminate in a linear region of at least the length L.
4. Optischer Dehnungsmessstreifen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter (2, 3, 4) als optisch leitfähige Glasfasern ausgebildet sind und zur Dehnungserfassung mit den Bragg-Gittern (5) in die Führungskanäle (7, 8, 9) kraftschlüssig eingepresst oder mit einem aushärtbaren Kleber befestigt sind.4. Optical strain gauge according to one of the preceding claims, characterized in that the Optical waveguides (2, 3, 4) are formed as optically conductive glass fibers and for strain detection with the Bragg gratings (5) in the guide channels (7, 8, 9) pressed force fit or fixed with a curable adhesive.
5. Optischer Dehnungsmessstreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter5. Optical strain gauge according to one of claims 1 to 3, characterized in that the optical waveguides
(2, 3, 4) als optisch leitfähiger Kunststoff oder optisch leitfähiges Glas ausgebildet sind, dessen Brechungszahl höher als die Brechungszahl der Trägerfolie (6) ist und die fest in den oder die Führungskanäle (7, 8, 9) eingelassen sind und in ihren Endbereichen ein linear ausgerichtetes Bragg-Gitter (5) aufweisen.(2, 3, 4) are formed as optically conductive plastic or optically conductive glass whose refractive index is higher than the refractive index of the carrier film (6) and which are embedded in the one or more guide channels (7, 8, 9) and in their End regions have a linearly aligned Bragg grating (5).
6. Optischer Dehnungsmessstreifen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (6) von einer Deckschicht (19), die aus dem gleichen Material wie die Trägerschicht (6) besteht, abgedeckt ist.6. Optical strain gauge according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier film (6) by a cover layer (19) which consists of the same material as the carrier layer (6) is covered.
7. Optischer Dehnungsmessstreifen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (6) quadratisch oder rechteckig ausgebildet und mit einer Abdeckfolie als Deckschicht (19) fest verbunden ist, die mindestens die Führungskanäle (7, 8, 9) mit den Lichtwellenleitern (2, 3, 4) und den Bragg- Gitterabschnitten (L) abdeckt.7. Optical strain gauge according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier film (6) is square or rectangular and firmly connected to a cover as a cover layer (19), the at least the guide channels (7, 8, 9) with the optical fibers (2, 3, 4) and the Bragg grating sections (L) covers.
8. Optischer Dehnungsmessstreifen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Lichtwellenleiter (2, 3, 4) zur Dehnungserfassung zusätzlich noch ein Lichtwellenleiter (13) mit einem Bragg-Gitter (14) zur Temperaturkompensation oder Temperaturerfassung vorgesehen ist, dessen Bragg-Gitter-Abschnitt dehnungsunabhängig an oder in der Trägerfolie (6) angeordnet ist.8. Optical strain gauge according to one of the preceding claims, characterized in that in addition to the optical waveguide (2, 3, 4) for strain detection additionally provided an optical waveguide (13) with a Bragg grating (14) for temperature compensation or temperature detection is, whose Bragg grating section is arranged independently of strain on or in the carrier film (6).
9. Verfahren zur Herstellung eines optischen Dehnungsmessstreifens nach einem der vorhergehenden9. A method for producing an optical strain gauge according to one of the preceding
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in die auf eine vorgesehene Fläche ausgeschnittene Trägerfolie (6) mindestens ein Führungskanal (7, 8, 9) durch ein Ätz- oder mechanisches materialabtragendes Fertigungsverfahren eingearbeitet wird, in dem mindestens einClaims 1 to 8, characterized in that at least one guide channel (7, 8, 9) is incorporated by an etching or mechanical material-removing manufacturing process in the cut to a designated surface carrier sheet (6) in which at least one
Lichtwellenleiter (2, 3, 4) mit eingeprägtem Bragg-Gitter (5) kraft- und formschlüssig befestigt oder eingegossen wird.Optical waveguide (2, 3, 4) with impressed Bragg grating (5) positively and positively secured or cast.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (6) oder mindestens die Führungskanäle (7, 8, 9) mit einer Deckschicht (19) abgedeckt werden. 10. The method according to claim 9, characterized in that the carrier film (6) or at least the guide channels (7, 8, 9) are covered with a cover layer (19).
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