JP6771100B2 - 溶接固定可能なｆｂｇひずみセンサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、変更が容易で安価な構成により多方面に使用可能な、溶接固定可能なＦＢＧひずみセンサ装置に関するものである。

材料表面のひずみは、例えば、表面に固定されているひずみセンサによって測定されることが可能である。表面が伸張されるか、又は圧縮されると、これによりひずみセンサも影響を受け、測定信号が生成される。

多くの場合には、ひずみセンサとして、測定されるべき表面に接着剤で固定される、いわゆるひずみ測定ゲージが用いられる。これらひずみ測定ゲージは、エポキシ樹脂で含浸された紙又は薄い金属フィルムが上に固定されたガラスファイバー組織で構成されている。この種のひずみ測定ゲージは、非常に多方面に使用可能である。なぜなら、ひずみ測定ゲージをワークピースのほぼ適宜の箇所に固定することが可能であるためである。しかしながら、固定時に大きな手間がかかるという欠点がある。しかし、いわゆる金属フィルムひずみ測定ゲージを使用できない状況がある。すなわち、その固定時に、周囲温度、ワークピース温度及び空気湿度のような所定のパラメータが順守される必要がある。ひずみ測定ゲージの固定後にも、測定箇所を機械的な損傷及び湿気の侵入から保護する必要がある。これは、保護カバーによって達成される。湿気の侵入に対しては、内部に埋設されたアルミニウムから成る水蒸気バリアを有する接着フィルムが用いられる。しかし、大きな温度変動においては、この湿度保護がはがれてしまうことがある。動的な測定においては、同様に湿気保護の剥離が生じさせ得るせん断力が測定箇所に生じる。機械的な接触からの保護が更に必要であれば、測定箇所の上方に機械的に抵抗性を有する材料から成るハウジングが固定される。

上述の手間のかかる取付ステップを回避するために、例えば特許文献１、特許文献２及び特許文献３に示されているように、溶接固定可能なカプセル化されたひずみセンサが既に用いられている。

特許文献３には、いわゆる多目的ひずみセンサが記載されている。この多目的ひずみセンサは、機械的に強固であり、湿気に対して良好に保護されるものであるが、特許文献３の図１から分かるように、複雑に構成されている。

独国特許発明第２６５８３２４号明細書 特許第４５１９７０３号 独国特許出願公開第１０３３５３３７号明細書

本発明の課題は、従来技術に比べて本質的に簡易な構造を有する、強固なひずみセンサ構造を提供することにある。

この課題は、請求項１による、鋼板から成るセンサ支持部と、該センサ支持部に固定された少なくとも１つのＦＢＧひずみセンサとを有するＦＢＧひずみセンサ装置によって解決される。ＦＢＧひずみセンサは、間に少なくとも１つのブラッグ格子が設けられた２つの端部分を有する光ファイバーを備えている。端部分のそれぞれには、生成された測定信号を信号技術的に伝達する光学的なラインが接続されている。ブラッグ格子を有する光ファイバー及び接続箇所は、保護カバーによって包囲されているとともにこれに接着されている。

保護カバーは、以下の特徴：
−当該保護カバーが、光ファイバーに沿って薄く、かつ、狭い幅で形成されているとともに、センサ支持部に接着されており、その結果、光ファイバーがセンサ支持部に固定されているとともに上方から保護されていること、
−光ファイバーの両端部分のそれぞれにおいて、すなわち信号ラインとの各接続箇所において、当該保護カバーが拡大して構成されているとともに、同様にセンサ支持部に接着されていること
−保護カバーの下方に存在する中空空間には充填体が配置されていること
を有している。

保護カバーは多重機能を有している：
保護カバーは、ブラッグ格子を有する光ファイバーに沿って、センサ支持部における光ファイバーの固定に寄与するとともに、同時に、接触に対する比較的良好な保護を提供する。保護カバーの拡大された部分における薄い壁は、鋼と合成樹脂の異なる熱膨張係数により生じるひずみの差を吸収することに寄与する。カバーの拡大された両端部分のそれぞれが完全に合成樹脂で構成され、その下方に中空空間が存在しなければ、異なる材料のひずみにより、センサ支持部がワークピース表面からはがれることとなることがあり、その結果、ブラッグ格子を有する光ファイバーに沿ってのみ、センサ支持部とワークピース表面の間の機械的な結合が残ることとなる。この場合、わずかな機械的な負荷でセンサが破壊されることがある。さらに、カバーにおける薄壁状の拡大された端部分は、弾性的な充填体で満たされている。この理由は、動的な測定時には、光ファイバーの端部が、所定の周波数において機械的な振動へ励起され得るためである。これは、光ファイバーの破断につながり、したがって、センサの完全な故障を生じさせ得るものである。

請求項２に記載のＦＢＧひずみセンサ装置の有利な形態においては、センサ支持部は、光ファイバーの範囲では、保護カバーの拡大された部分の範囲における幅よりも幅が狭い。これにより、重量が低減され、したがってセンサ支持部の質量慣性モーメントが低減され、これにより、動的な測定時に、センサ支持部とワークピース表面の間の溶接点の負荷が低減される。

請求項３に記載のＦＢＧひずみセンサ装置の有利な形態においては、保護カバーがエポキシ樹脂で構成されている。エポキシ樹脂は、優れた接着特性と、高い強度と、湿気及び強い環境影響に対する高い抵抗性とを有している。

請求項４に記載のＦＢＧひずみセンサ装置の有利な形態においては、保護カバーが半円状に形成されている。これにより、静力学から知られた外圧に対する高い抵抗性が得られる。

請求項５に記載のＦＢＧひずみセンサ装置の有利な形態においては、光学的な信号ラインが鋼補強を有している。これにより、ＦＢＧひずみセンサ装置全体の頑強性が高められる。

請求項６に記載のＦＢＧひずみセンサ装置の有利な形態においては、ブラッグ格子の範囲において、保護カバーが、光ファイバーの直径の最大で３倍の幅と、当該直径の最大で２．５倍の厚さとで形成されている。これにより、測定精度が改善される。

請求項７に記載のＦＢＧひずみセンサ装置の有利な形態においては、センサ支持部が三角形として形成されているとともに、該三角形の各辺にＦＢＧひずみセンサが固定されている。

請求項８に記載のＦＢＧひずみセンサ装置の有利な形態においては、センサ支持部が矩形として形成されているとともに、該矩形の各側にＦＢＧひずみセンサが固定されている。

請求項７及び８に記載された形態は、例えば、レーザ切断方法によりセンサ支持部の適宜の形状及び寸法を製造可能であることを示している。

以下に、本発明を実施例及び図面に基づいて詳細に説明する。

溶接固定可能なひずみセンサ装置の斜視図及びその切断線Ａ−Ａ及びＢ−Ｂにおける断面図である。 三角形状のセンサ支持部と、その上に固定された３つのＦＢＧひずみセンサとを示す図である。 矩形状のセンサ支持部と、その上に固定された４つのＦＢＧひずみセンサとを示す図である。 踏みつけ負荷に対するＦＢＧひずみセンサ装置の安全性を象徴的に示す図である。

図１は、溶接固定可能なひずみセンサ１の斜視図である。ＦＢＧひずみセンサ２を有する光ファイバーが、点線で示されているとともに、その端部分において、光学的な測定信号を伝達するために、鋼補強された信号ライン３ａ，３ｂと機械的に結合され、信号技術的に接続されている。鋼補強は、ひずみセンサ装置を機械的に強固に形成するのに寄与するものである。ＦＢＧひずみセンサ２を有する光ファイバーは、鋼板から成るセンサ支持部４に接着されている。この実施例では、鋼板は、０．１ｍｍの厚さ及び８８４Ｎ／ｍｍ^２の引張強さを有している。

ＦＢＧひずみセンサ２を有する光ファイバー及び信号ライン３ａ，３ｂへの接続箇所は、丈夫な合成樹脂から成る保護カバー５によって一貫して覆われている。本実施例では、エポキシ樹脂が用いられる。なぜなら、エポキシ樹脂は、特に丈夫であり、経年耐久性を有するためである。保護カバー５は、各箇所においてセンサ支持部４に固結されている。

ＦＢＧひずみセンサ２を有する光ファイバーの範囲では、保護カバー５は、狭くかつ平坦に形成されている。本実施例では、保護カバー５は、この範囲において２ｍｍの幅及び０．５ｍｍの厚さＤを有している。

ＦＢＧひずみセンサ２を有する光ファイバーの範囲では、センサ支持部４は、その端部分より狭く形成されている。本実施例では、センサ支持部の端部分は、２３ｍｍの幅を有している一方、端部分の間の部分は１１ｍｍの幅しかない。これにより、ＦＢＧセンサへのワークピースのひずみの良好な伝達が達成される。

光ファイバーの両端部分のそれぞれでは、すなわち信号ライン３ａ，３ｂとの接続箇所では、保護カバーが拡大して構成されているとともに同様にセンサ支持部に接着されている。図１における断面図から、保護カバーが半円状かつ薄壁状に構成されていることが分かる。この実施例では、両端部分の範囲での壁厚Ｗは０．５ｍｍであり、すなわち、この壁厚は、ＦＢＧひずみセンサ２を有する光センサの範囲における保護カバーの厚さＤと全く同じである。半円状の保護カバーの下方に存在する中空空間には、振動ダンパの機能を有する弾性的な充填体６が配置されている。機械的な振動によって更に重ねられるひずみ測定時には、振動の減衰が特に有利である。

断面図Ａ−Ａ及びＢ−Ｂには、図１のひずみセンサ装置の斜視図における切断線Ａ−Ａ及びＢ−Ｂに沿った半円状の保護カバーの断面が示されている。充填体６が半円状の保護カバーを満たしていることが見て取れる。

点溶接を用いてワークピース表面にセンサ支持部４を固定するときに生じる仮想の溶接点が符号７で更に記載されている。

薄い半円状の保護カバー５をセンサ支持部４に結合させ、漏れが生じないことを保証する、曲げられた接着縁部が符号８で示されている。

このＦＢＧひずみセンサ装置の特別な利点は、非常に単純な構造及びその容易な形状の可変性にある。センサ支持部４は、レーザ切断方法を用いて、様々な形状において安価に製造されることが可能である。同様に、一貫して同一の材料、特に抵抗力のある合成樹脂から成るカバーを容易に製造することが可能である。図２及び図３には、センサ支持部、したがってＦＢＧひずみセンサの多数の構成可能性のうち２つのみが示されている。

信号ラインの鋼補強及びカバーの半円状のアーチにより、例えば図４において象徴的に図示されるような靴による平坦な機械的な接触からのセンサの良好な保護が提供される。したがって、追加的かつ手間（コスト）のかかる保護措置を省略することが可能である。

１ 溶接固定可能なＦＢＧひずみセンサ装置
２ ＦＢＧひずみセンサ
３ａ，３ｂ 信号ライン
４ センサ支持部
５ 保護カバー
６ 充填体
７ 溶接点
８ 保護カバーの接着縁部
Ｗ 保護カバーの壁厚
Ｄ 保護カバーの厚さ

Claims (8)

1. 鋼板から成るセンサ支持部（４）と、該センサ支持部に固定された少なくとも１つのＦＢＧひずみセンサ（２）とを有するＦＢＧひずみセンサ装置（１）であって、
   −前記ＦＢＧひずみセンサ（２）が、間に少なくとも１つのブラッグ格子が設けられた２つの端部分を有する光ファイバーを備えており、前記端部分のそれぞれには、測定信号を伝達する光学的な信号ライン（３ａ，３ｂ）が接続されており、
   −保護カバー（５）が設けられており、該保護カバーは、以下の特徴：
   −−当該保護カバー（５）が、前記光ファイバーに沿って薄く、かつ、狭い幅で形成されているとともに、前記センサ支持部（４）に接着されており、その結果、その下に位置する前記光ファイバーが前記ブラッグ格子と共に前記センサ支持部（４）に固定されていること、
   −−前記光ファイバーの両端部分のそれぞれにおいて、すなわち前記信号ライン（３ａ，３ｂ）との各接続箇所において、当該保護カバーが拡大して構成されており、その結果、その下に中空空間が形成されていること、及び
   −−前記拡大された保護カバーの縁部が同様にセンサ支持部に接着されていること
   を有しており、
   −前記中空空間には、前記接続箇所を振動減衰するように埋設する弾性的な充填体（６）が配置されている
   ことを特徴とするＦＢＧひずみセンサ装置。
2. 前記センサ支持部（４）は、前記光ファイバーの範囲では、前記保護カバーの前記拡大された部分の範囲における幅よりも幅が狭いことを特徴とする請求項１に記載のＦＢＧひずみセンサ装置（１）。
3. 前記保護カバーがエポキシ樹脂で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のＦＢＧひずみセンサ装置（１）。
4. 前記保護カバーが半円状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＦＢＧひずみセンサ装置（１）。
5. 前記光学的な信号ライン（３ａ，３ｂ）が鋼補強されていることを特徴とする請求項１に記載のＦＢＧひずみセンサ装置（１）。
6. 少なくとも前記ブラッグ格子の範囲において、前記保護カバーが、前記ブラッグ格子を有する前記光ファイバーの直径の最大で３倍の幅と、当該直径の最大で２．５倍の厚さとで形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＦＢＧひずみセンサ装置（１）。
7. 前記センサ支持部（４）が三角形として形成されているとともに、該三角形の各辺に前記ＦＢＧひずみセンサ（２）が固定されていることを特徴とする請求項１に記載のＦＢＧひずみセンサ装置（１）。
8. 前記センサ支持部（４）が矩形として形成されているとともに、該矩形の各側に前記ＦＢＧひずみセンサ（２）が固定されていることを特徴とする請求項１に記載のＦＢＧひずみセンサ装置（１）。

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