WO2009049733A1 - Sensor zum messen von spannungen in einem substrat - Google Patents

Sensor zum messen von spannungen in einem substrat Download PDF

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Anja-Simone Dreher
Marina Englmaier
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    • G01L1/246—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre using integrated gratings, e.g. Bragg gratings
    • G—PHYSICS
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    • G01K11/3206—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres at discrete locations in the fibre, e.g. using Bragg scattering
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    • G01L1/26—Auxiliary measures taken, or devices used, in connection with the measurement of force, e.g. for preventing influence of transverse components of force, for preventing overload

Definitions

  • the invention relates to a sensor for measuring voltages in a substrate, comprising at least one optical glass fiber, which has at least one Bragg grating in the fiber core, wherein the optical glass fiber is surrounded by a primary coating.
  • DMS strain gauges
  • the device consists of an optical glass fiber 2 with burned-in Bragg gratings in the fiber core 3, a film 5 and an adhesive 8.
  • the film 5 is usually made of various organic materials and covers the optical fiber 2.
  • the sensor is mounted on a substrate. 4 attached.
  • the optical glass fiber 2 is adhered to the substrate 4 with the adhesive 8 so as to measure voltages in the substrate 4.
  • the procedure is as follows. First, the adhesive 8 is applied to the substrate 4. Next, the optical glass fiber 2 is pressed onto the substrate 4 with the aid of the film 5. After the adhesive 8 has cured after a few minutes, the film 5 is removed.
  • the device after removal of the foil 5 consists of an optical glass fiber 2 with Bragg gratings in the fiber core 3, a substrate 4 and an adhesive 8.
  • a Teflon film is used as film 5 in the production of the sensor, in order to avoid sticking to the human skin and thus, when using a thin adhesive 8, the optical glass fiber 2 is not completely wetted.
  • the inscribed in the fiber core 3 Bragg grating can not be adjusted exactly in the middle of the adhesive 8.
  • the glass fiber with the Bragg grating is sandwiched between two films and then we glued the assembly to a substrate.
  • a drawback of this prior art is that when the foils are bonded, the optical glass fiber does not abut the substrate, since the lower foil is located between the two elements. This arrangement has the consequence that a transfer of a voltage from the substrate into the optical glass fiber must take place via the lower film. This usually leads to erroneous measurements.
  • the film is a "patch.”
  • the "patch sensor connection” process involves the following steps: 1, marking the position of the sensor. 2, Clean remaining dirt with a soft detergent.
  • optical interrogator which consists of a maximum of 128 sensors per channel, lies in the nanometer range. This "optical interrogator” is used for data collection. He can create a 100 Hz sample frequency.
  • the invention has for its object to design the sensor of the type mentioned in such a way that during the voltage measurement in a substrate, the erroneous measurements described above are avoided or minimized.
  • the solution of this object is achieved by a sensor having the features of claim 1.
  • the sensor for measuring voltages in a substrate comprising at least one optical fiber having at least one Bragg grating in the fiber core, wherein the optical glass fiber of a Primary coating is surrounded, is characterized in that the sensor on the side facing away from the substrate has a film and the optical glass fiber is glued directly to the substrate without additional contact layer.
  • the optical glass fiber is not completely wetted.
  • the optical glass fiber contacts the substrate.
  • This protective film protects the sensor assembly from contamination and is removed before placing the sensor on the substrate.
  • the Teflon film used for the patch production remains after hardening of the adhesive strip on its side facing the substrate and thus provides until the final application protection for the fiber from external influences, such as dirt, grease, mechanical stress, etc.
  • the adhesive strip envelops the optical fiber symmetrically. This leads to a particularly stable construction of the sensor. In the presence of more than one optical fiber, redundancy effects arise because the optical fibers in the tape stabilize each other at appropriate intervals.
  • the sensor according to the invention is operated in the range of 1520 to 1570 nm, in which case the structure of the sensor is not the limiting factor.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that a plurality of glass fibers with inscribed Bragg gratings are arranged parallel to one another in a sensor. This provides advantageous redundancy, i. in case of failure of a glass fiber can still be made a meaningful measurement.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the glass fibers have different Bragg gratings, i. have different refractive indices. As a result, the measurements can be made with different wavelengths.
  • a sensor according to the invention for measuring stresses in aircraft components, in particular in structural components, is particularly advantageous.
  • the sensors can also be used for long-term measurements in regular flight operations. In this case, takes the place of the substrate described above, either a part of the surface or hull planking or corresponding carrier in the interior of the aircraft.
  • Figure 1a and 1b shows a schematic cross-sectional view of an advantageous embodiment of a sensor according to the invention
  • Figure 2 shows a schematic cross-sectional view of a sensor according to the prior art.
  • FIG. 1a shows a schematic cross-sectional view of an advantageous embodiment of a sensor 1 according to the invention in the assembled state.
  • FIG. 1b shows the same sensor 1 as in FIG. 1a, but before being applied to a substrate 4.
  • the sensor 1 which is used to measure voltages on a substrate 4, comprises an optical glass fiber 2 having a inscribed Bragg grating in the fiber core 3.
  • the optical glass fiber 2 is surrounded by a primary coating 7.
  • the optical glass fiber 2 consist of a fiber core 3, a cladding and a coating, the so-called primary coating 7.
  • the light-guiding fiber core 3 is used to transmit a signal.
  • the jacket is also light-guiding, but has a lower refractive index than the core. The jacket causes a total reflection and thus a guiding of the radiation in the fiber core 3 of the glass fiber 2.
  • the primary coating 7 of the glass fiber 2 is made of a soft plastic and in the present embodiment between 150 and 500 microns thick.
  • the writing of the Bragg grating in the fiber core 3 of the glass fiber 2 takes place at a defined position by means of UV laser radiation.
  • the integrated in the fiber core 3 Bragg grating has the property of light one certain wavelength, which is determined by the lattice parameter to reflect.
  • the Bragg Refelexionswellenil is sensitive to temperature and strain at the grid location and therefore serves to measure these sizes.
  • the inventive sensor 1 on the side facing away from the substrate 4 a film 5, which in the present embodiment is designed as a Kapton foil.
  • the optical glass fiber 2 is stabilized with an adhesive strip formed from cured adhesive 6 on the film 5, so as to be able to rest on the substrate 4 without additional contact layer.
  • the displacement-free connection between the sensor 1 and the substrate 4 is carried out in the present embodiment by a thin layer of bonding adhesive 10, which is applied to the measuring point on the substrate.
  • the cured adhesive 6 of the sensor 1 is glued to a protective film 9 via a readily releasable adhesive bond.
  • the protective film 9 is designed in the present embodiment as a Teflon film. Before applying the sensor 1 to the substrate 4, this protective film 9 can be removed from the side of the sensor 1 facing the substrate 4. This protective film 9 protects the fiber from external influences, such as dirt, grease and other interfering impurities, and saves additional cleaning of the patch surface before attachment.
  • the invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiment. Rather, a number of Variants conceivable, which makes use of the claimed in the claims solution even in different versions use.

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Abstract

Die Erfindung befasst sich mit einem Sensor (1) zum Messen von Spannungen in einem Substrat (4), mit zumindest einer optischen Glasfaser (2), die zumindest ein Bragg Gitter im Faserkern (3) aufweist, wobei die optische Glasfaser (2) von einem Primärcoating (7) umgeben ist, wobei der Sensor (1) an der dem Substrat (4) abgewandten Seite eine Folie (5) aufweist und die optische Glasfaser (2) ohne zusätzliche Kontaktschicht direkt auf dem Substrat (4) aufgeklebt ist. Der beschriebene Sensor (1) hat zum einen den Vorteil, dass hierbei, im Gegensatz zum bekannten Sensor, keine Folie benötigt wird, um eine Verklebung der Haut zu vermeiden. Zum anderen berührt, nach einem Klebeprozess, die optische Glasfaser (2) das Substrat (4). Somit werden fehlerhafte Messungen minimiert.

Description

Sensor zum Messen von Spannungen in einem Substrat
Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Messen von Spannungen in einem Substrat, mit zumindest einer optischen Glasfaser, die zumindest ein Bragg Gitter im Faserkern aufweist, wobei die optische Glasfaser von einem Primärcoating umgeben ist.
Bekannt ist, die Dehnung eines Substrats mittels so genannter Dehnungsmessstreifen (DMS) zu messen. Diese Technik ist jedoch sehr anfällig gegenüber elektromagnetischen Störungen. Außerdem sind diese DMS für eine Integration in Verbundwerkstoffen zum so genannten structural health monitoring ungeeignet. Um hier Abhilfe zu schaffen, wurden Sensoren auf Basis optischer Glasfasern entworfen.
Ein derartiger Sensor ist aus dem Stand der Technik bekannt. Dieser ist in Figur 2 beispielhaft schematisch dargestellt. Danach besteht die Vorrichtung aus einer optischen Glasfaser 2 mit eingebrannten Bragg Gittern im Faserkern 3, einer Folie 5 und einem Kleber 8. Die Folie 5 besteht in der Regel aus verschiedenen organischen Materialien und bedeckt die optische Glasfaser 2. Der Sensor ist auf einem Substrat 4 befestigt.
Die optische Glasfaser 2 wird mit dem Kleber 8 auf das Substrat 4 geklebt, um somit Spannungen in Substrat 4 zu messen. Die Vorgehensweise ist hier wie folgt. Zuerst wird der Kleber 8 auf das Substrat 4 aufgetragen. Als nächstes wird die optische Glasfaser 2 mit Hilfe der Folie 5 auf das Substrat 4 gepresst. Nachdem nach einigen Minuten der Kleber 8 ausgehärtet ist, wird die Folie 5 entfernt. Wie eingangs bereits ausgeführt worden ist, sieht man anhand von Fig. 2, dass die Vorrichtung nach dem Entfernen der Folie 5 aus einer optischen Glasfaser 2 mit Bragg Gittern im Faserkern 3 besteht, einem Substrat 4 und einem Kleber 8.
Es wird in der Regel eine Teflonfolie als Folie 5 bei der Herstellung des Sensors verwendet, um eine Verklebung mit der menschlichen Haut zu vermeiden und damit bei Verwendung eines dünnflüssigen Klebers 8, die optische Glasfaser 2 nicht gänzlich benetzt wird.
In vielen Fällen kann bei dieser Vorgehensweise das im Faserkern 3 eingeschriebene Bragg Gitter nicht genau in der Mitte des Klebers 8 justiert werden.
Bei einem weiteren bekannten Sensor wird die Glasfaser mit dem Bragg Gitter zwischen zwei Folien sandwichartig eingeklebt und anschließend wir die Anordnung auf einen Substrat aufgeklebt.
Ein Nachteil dieser Stand der Technik besteht darin, dass beim Kleben der Folien die optische Glasfaser nicht an dem Substrat anliegt, da sich die untere Folie zwischen den beiden Elementen befindet. Diese Anordnung hat zur Folge, dass eine Übertragung einer Spannung aus dem Substrat in die optische Glasfaser über die untere Folie erfolgen muss. Das führt in der Regel zu fehlerhaften Messungen.
In der Regel ist die Folie als „Patch" ausgebildet. Der „Patch-Sensor- Verbindungs"-Prozess beinhaltet folgende Schritte: 1 , Markieren der Position des Sensors. 2, Reinigen von zurückbleibenden Verschmutzungen mit einem weichen Putzmittel.
3, Mechanische Abrasion des Verbinde-Bereichs.
4, Reinigen von Verschmutzung mit zusammengepresster Luft oder mit Pinsel.
5, Gründliches Reinigen des Verbinde-Bereichs mit Hilfe von Azeton oder gleichwertigen Reinigungsagenten.
6, Volles Lufttrocknen des Verbinde-Bereichs.
7, Anfängliche adhäsive Vorbereitung durch das Vermischen von Zutaten (Resin-Catalyst).
8, Anwenden einer dünnen adhäsiven Schicht über dem Verbinde-Bereich und dem Patch-Sensor.
9, Anordnen des Patch-Sensors über dem Verbinde-Bereich.
10, Andrücken des Sensors.
Die Wellenlänge eines handelsüblichen „Optischen Interrogators", welcher aus maximal 128 Sensoren je Kanal besteht, liegt im Nanometerbereich. Dieser „Optische Interrogator" wird zum Datensammeln verwendet. Er kann eine 100 Hz-Beispiel-Frequenz anlegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Sensor der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass bei der Spannungsmessung in einem Substrat, die oben beschriebenen fehlerhaften Messungen vermieden bzw. minimiert werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Sensor zum Messen von Spannungen in einem Substrat, mit zumindest einer optischen Glasfaser, die zumindest ein Bragg Gitter im Faserkern aufweist, wobei die optische Glasfaser von einem Primärcoating umgeben ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor an der dem Substrat abgewandten Seite eine Folie aufweist und die optische Glasfaser ohne zusätzliche Kontaktschicht direkt auf dem Substrat aufgeklebt ist.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung im Gegensatz zum bekannten Sensor keine Folie benötigt, um eine Verklebung der Haut zu vermeiden und damit ein dünnflüssiger Kleber die optische Glasfaser nicht gänzlich benetzt. Bei der erfindungsgemäßen Lösung berührt, nach dem Klebeprozess, die optische Glasfaser das Substrat. Somit werden fehlerhafte Messungen minimiert, da hier eine direkte Übertragung der Spannung aus dem Substrat in die optische Glasfaser ermöglicht wird und nicht über eine zusätzliche Folie erfolgen muss, wie beim bekannten Sensor. Diese Schutzfolie schützt die Sensoranordnung vor Verunreinigungen und wird vor dem Auflegen des Sensors auf das Substrat abgezogen. Die für die Patchherstellung verwendete Teflonfolie verbleibt nach Aushärtung des Klebestreifens an dessen, zum Substrat zugewandten Seite und bietet somit bis zur endgültigen Anwendung einen Schutz für die Faser vor äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Schmutz, Fett, mechanischer Beanspruchung, etc.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors besteht darin, dass der Klebestreifen die optische Glasfaser symmetrisch ummantelt. Das führt zu einem besonders stabilen Aufbau des Sensors. Beim Vorhandensein von mehr als einer optischen Glasfaser, entstehen Redundanzeffekte, weil sich die optischen Glasfasern im Klebestreifen, in geeigneten Abständen, gegenseitig stabilisieren. Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße Sensor im Bereich von 1520 bis 1570 nm betrieben, wobei hier der Aufbau des Sensors nicht der limitierende Faktor ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass mehrere Glasfasern mit eingeschriebenen Bragg Gittern parallel zueinander in einem Sensor angeordnet sind. Hierdurch wird eine vorteilhafte Redundanz geschaffen, d.h. bei Ausfall einer Glasfaser kann dennoch eine aussagekräftige Messung erfolgen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Glasfasern unterschiedliche Bragg Gitter aufweisen, d.h. unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Hierdurch können die Messungen mit unterschiedlichen Wellenlängen erfolgen.
Schließlich ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors zum Messen von Spannungen in Flugzeugbauteilen, insbesondere in Strukturbauteilen besonders vorteilhaft. Die Sensoren lassen sich hier auch für Langzeitmessungen im regulären Flugbetrieb einsetzen. Dabei tritt an die Stelle des oben beschriebenen Substrats entweder ein Teil der Flächen- oder Rumpfbeplankung oder entsprechende Träger im Inneren des Flugzeugs.
Die Erfindung wird anschließend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Hilfe der beigefügten Figuren noch näher beschrieben. Daher sind die Figuren rein schematisch. Gleiche oder ähnliche Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Figur 1a und 1b zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensor; Figur 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Sensors gemäß dem Stand der Technik.
Nachfolgend sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Figur 1a zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors 1 im montierten Zustand. Figur 1b zeigt den gleichen Sensor 1 wie in Figur 1a, jedoch vor dem Aufbringen auf ein Substrat 4.
Der Sensor 1 , welcher zum Messen von Spannungen an einem Substrat 4 verwendet wird, weist eine optischen Glasfaser 2 auf, die ein eingeschriebenen Bragg Gitter im Faserkern 3 aufweist. Die optische Glasfaser 2 wird von einem Primärcoating 7 umgeben.
Die optische Glasfaser 2 bestehen aus einem Faserkern 3, einem Mantel und einer Beschichtung, dem so genannten Primärcoating 7. Der lichtführende Faserkern 3 dient zum Übertragen eines Signals. Der Mantel ist auch lichtführend, hat jedoch eine niedrigere Brechzahl als der Kern. Der Mantel bewirkt dadurch eine Totalreflexion und somit eine Führung der Strahlung im Faserkern 3 der Glasfaser 2. Das Primärcoating 7 der Glasfaser 2 besteht aus einem weichen Kunststoff und ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen 150 und 500 μm dick.
Das Einschreiben des Bragg-Gitters in den Faserkern 3 der Glasfaser 2 erfolgt an einer definierten Stelle mittels UV-Laserstrahlung. Das in den Faserkern 3 integrierte Bragg-Gitter hat die Eigenschaft, Licht einer bestimmten Wellenlänge, die durch die Gitterparameter festgelegt ist, zu reflektieren. Die Bragg-Refelexionswellenlänge ist empfindlich gegenüber Temperatur und Dehnung am Gitterort und dient daher zur Messung dieser Größen.
Um bei der mechanischen Spannungsmessung in dem Substrat 4, die bei den bekannten Sensoren gemäß Stand der Technik auftretenden fehlerhaften Messungen zu vermeiden bzw. zu minimieren, weist der erfindungsgemäße Sensor 1 an der dem Substrat 4 abgewandten Seite eine Folie 5 auf, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Kaptonfolie ausgebildet ist. Die optische Glasfaser 2 ist mit einem aus ausgehärtetem Kleber 6 gebildeten Klebestreifen an der Folie 5 stabilisiert, um somit ohne zusätzliche Kontaktschicht auf dem Substrat 4 anliegen zu können. Die verschiebefreie Verbindung zwischen dem Sensor 1 und dem Substrat 4 erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine dünne Schicht Verbindungskleber 10, die an der Messstelle auf das Substrat aufgebracht wird.
Wie in Fig. 1b gezeigt, ist der ausgehärtete Kleber 6 des Sensors 1 über eine leichtlösbare Klebeverbindung mit einer Schutzfolie 9 verklebt. Die Schutzfolie 9 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Teflonfolie ausgeführt. Vor dem Aufbringen des Sensors 1 auf das Substrat 4 kann diese Schutzfolie 9 von der dem Substrat 4 zugewandten Seite des Sensors 1 abgezogen werden. Diese Schutzfolie 9 schützt die Faser vor äußeren Einflüssen, wie Schmutz, Fett und anderen störenden Verunreinigungen, und erspart eine zusätzliche Reinigung der Patchfläche vor dem Anbringen.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der in den Patentansprüchen beanspruchten Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
Bezugsziffernliste
Sensor optische Glasfaser
Faserkern
Substrat
Folie
Ausgehärteter Kleber
Primärcoating
Kleber
Schutzfolie Verbindungskleber

Claims

Patentansprüche
1. Sensor (1) zum Messen von Spannungen in einem Substrat (4), mit zumindest einer optischen Glasfaser (2), die zumindest ein Bragg Gitter im Faserkern (3) aufweist, wobei die optische Glasfaser (2) von einem Primärcoating (7) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) an der dem Substrat (4) abgewandten Seite eine Folie (5) aufweist und die optische Glasfaser (2) ohne zusätzliche Kontaktschichten direkt auf dem Substrat (4) aufgeklebt ist.
2. Sensor nach Anspruch 1 , wobei ein ausgehärteter Kleber (6) die optische Glasfaser (2) symmetrisch ummantelt.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sensor (1) mit eingebranntem Bragg Gitter im Bereich von 1520 bis 1570 nm betrieben wird.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mehrere Glasfasern (2) mit eingebranntem Bragg Gitter parallel zueinander in einem Sensoren (1) angeordnet sind.
5. Sensor nach Anspruch 4, wobei die Glasfasern (2) unterschiedliche Bragg Gitter aufweisen.
6. Verwendung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Messen von Spannungen in Flugzeugbauteilen, insbesondere in Strukturbauteilen.
PCT/EP2008/007665 2007-10-10 2008-09-15 Sensor zum messen von spannungen in einem substrat WO2009049733A1 (de)

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