DE10031412C2 - Optische Sensoranordnung zur Dehnungs- und Stauchungsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Sensoranordnung zur Dehnungs- und Stauchungsmessung eines zu messenden Objektes, bei der der Sensor aus einer Glasfaser, in die ein Faser-Bragg- Gitter eingebracht ist, besteht und einen aus Profilstücken bestehenden Sensorträger aufweist, der auf dem zu messenden Objekt in einem vorgegebenen Abstand befestigt ist und der Sensor parallel zur Hauptachse des Profilstücke an diesen befestigt ist und die Sensoranordnung zur Auswertung des Spektrums des Faser-Bragg-Gitters mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie aus DE 197 24 528 A1 bekannt.

Nach US 4 761 073 ist die sensorische Anwendung von Faser- Bragg-Gittern bekannt. Faser-Bragg-Gitter können zur Bestimmung von Zugspannungen, Temperaturen und deren Änderungen verwendet werden. Entsprechend den Ausführungen in DE 43 37 103 A1 können Faser-Bragg-Gitter durch die Belichtung einer für UV-Licht photosensitiven Faser mit einem Interferenzmuster, welches mit UV-Licht gebildet wird, hergestellt werden. Dabei entsteht eine dauerhafte periodische Brechzahländerung der Glasfaser, wobei jede Brechzahländerung eine Reflexionsstelle darstellt. In Abhängigkeit der in die Glasfaser mit Faser-Bragg-Gitter eingestrahlten Wellenlänge kommt es zu einer konstruktiven oder destruktiven Überlagerung der reflektierten Leistungsanteile. Als Quelle für die UV-Strahlung können beispielsweise Excimer- Laser oder Argon-Ionenlaser verwendet werden. Das Interferenzmuster kann mit einer Phasenmaske oder durch Strahlteiler und Umlenkspiegel gebildet werden. Da die Bedingung der konstruktiven Überlagerung für die Rückreflexion nur in einem geringen Wellenlängenbereich erfüllt wird, sind Faser-Bragg-Gitter schmalbandige Bandsperren. In diesem schmalen Band wird die Leistung reflektiert.

Die Bragg-Wellenlänge eines Gitters ist bestimmbar mit:

λ_BRAGG Bragg-Wellenlänge des Gitters
m Ordnung des Bragg-Gitters
n_m mittlere effektive Brechzahl
Λ räumliche Periodenlänge des Gitters

Wenn das Faser-Bragg-Gitter einem mechanischen Streß ausgesetzt wird, ändert sich die Periodenlänge und durch den optoelastischen Effekt auch die mittlere effektive Brechzahl des Gitters. Durch beide Effekte kommt es zu einer Änderung der Bragg-Wellenlänge.

Vorschläge für eingebettete Sensoren in Glasfasern sind u. a. von Meltz in der US-PS 4 761 073 gemacht worden. Dabei ist der Sensor immer fester Bestandteil des Materials, in das der Sensor eingebettet wurde. Bekannt sind außerdem Sensoren mit Faser-Bragg-Gittern, die vorrangig im Bauwesen zum Einsatz kommen, wobei der Sensorträger aus Armierungsstahl besteht und dadurch das Faser-Bragg-Gitter geschützt ist. Die Kraftüber­ tragung erfolgt vom Bauwerk direkt auf den Armierungsstahl und damit auch direkt auf das Faser-Bragg-Gitter. Bei sehr kleinen Dehnungen wird durch die ebenfalls geringe Änderung der Bragg- Wellenlänge des Sensors die Auswertung sehr aufwendig und kostenintensiv.

Ein temperaturkompensiertes faseroptisches Bragg- Gitter, welches aus einer Lichtleitfaser besteht, die einen Bereich mit einem eingeschriebenen Bragg-Gitter aufweist, offenbart die bereits genannte DE 197 24 528 A1. Hierbei ist außerhalb des Bragg- Gitterbereiches die Lichtleitfaser jeweils von einem Röhrchen umfasst und in den Endbereichen der Röhrchen kraftschlüssig fixiert. Die Röhrchen werden ihrerseits von einem weiteren Röhrchen umhüllt und unter einer Zugspannung zwischen Endbereichen gegen das weitere Röhrchen kraftschlüssig fixiert. Zum Einsatz als temperaturabhängiger Dehnungssensor muss das äußere Röhrchen kraftschlüssig mit dem zu untersuchenden Werkstück verbunden werden. Dies kann durch Befestigung an zwei Punkten nahe den Enden des Röhrchens oder durch vollständige Einbettung erfolgen.

Nachteilig an dieser Lösung ist, dass das äußere Röhrchen und die Faser zur Dehnungsmessung gedehnt oder gestaucht werden muss, was einen relativ hohen Kraftaufwand erfordert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine technologisch einfach zu realisierende Sensoranordnung mit einem Sensor, der als in eine Glasfaser eingebrachtes Faser-Bragg-Gitter ausgebildet ist, zu entwickeln, die in ihrer Baugröße variabel ist, eine sehr genaue Dehnungs- und Stauchungsmessung an Bauwerken, Brücken, an Gestein oder sonstigen zu messenden Objekten ermöglicht und sowohl zur Dauermessung geeignet als auch variabel einsetzbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Profilstücke ineinander verschiebbar angeordnet sind, dass die Befestigungsstellen zur Befestigung des Sensorträgers auf dem zu messenden Objekt in einem solchen Abstand gewählt werden, dass ein vorgebbarer Übertragungsfaktor zwischen den Befestigungsstellen am zu messenden Objekt und den Befestigungsstellen zur Befestigung des Sensors auf den Profilstücken entsteht und dass der Sensor parallel und in einem Abstand zur Hauptachse des Sensorträgers jeweils an einem Profilstück befestigt ist.

Mit dieser erfindungsgemäßen Sensoranordnung wird erreicht, daß sowohl dynamische als auch statische Messungen über variable Meßstrecken erfaßt und ausgewertet werden können. Durch Änderung der Konfektionierung des Faser-Bragg-Gitters wird eine Anpassung der maximalen Dehnbarkeit der Glasfaser an die maximal auftretende Dehnung zwischen den Meßpunkten, das heißt, zwischen den Befestigungsstellen der Sensoranordnung ermöglicht, so daß auch sehr kleine Dehnungen oder Stauchungen meßbar sind. Eine Längenänderung der Glasfaser mit dem Faser- Bragg-Gitters bewirkt die Verstärkungsänderung der Meßdaten, so daß sehr genaue Messungen möglich sind. Aus dem Verhältnis des Abstandes der Befestigungsstellen des Sensorträgers zum Abstand der Befestigungsstellen der Glasfaser ergibt sich der Übertragungsfaktor des Sensors. Meßungenauigkeiten werden auch dadurch unterbunden, daß die Profilstücke, auf denen der Sensor angeordnet ist, starr sind und nicht auf Stoß beansprucht werden.

Nach einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist vorgesehen, daß mindestens zwei Profil­ stücke angeordnet sind.

Diese Sensoranordnung ist technologisch einfach und kostengünstig herstell- und ebenso problemlos montierbar.

Wenn die Profilstücke derart ausgebildet sind, dass sie im zusammengesteckten Zustand zueinander verdrehgesichert sind, werden ebenfalls Meßungenauigkeiten beziehungsweise Verfäl­ schungen des Meßergebnisses infolge Torsion eines der Profil­ stücke in Bezug auf das zweite oder die weiteren unterbunden.

Hinsichtlich des konstruktiven Aufwands und des Kostenaufwandes ist von Vorteil, wenn die Profilstücke einen eckigen Querschnitt auf­ weisen und ineinander spielarm verschiebbar sind. Der Quer­ schnitt eines jeden Profilstückes sollte dabei über dessen Länge konstant sein.

Nach einer anderen vorteilhaften Ausbildung der Sensoranord­ nung weisen die Profilstücke eine gleiche Länge auf und wenig­ stens ein Profilstück ist mit einer Skala zur Bestimmung des Gesamtabstandes zwischen den Befestigungsstellen ausgestattet.

Mit dieser Ausführung ist es möglich, Messungen über unter­ schiedliche Längen durchzuführen, wobei der Meßabstand zwi­ schen beiden Befestigungsstellen auf einfache Art und Weise und schnell bestimmbar ist. Die Gesamtlänge der Meßstrecke kann anhand der Anzahl eingesetzter Profilstücken berechnet werden, die Restlänge, die in ein Profilstück eingeschoben ist, wird anhand der Skala ermittelt. Somit ist das Längen­ verhältnis zwischen den Befestigungsstellen der Profilstücken und denen der Glasfaser, als Maß für die Verstärkung, einfach ermittelbar.

Um zu erreichen, daß bei Bewegung der Profilstücke ineinander sich die Glasfaser mit dem Faser-Bragg-Gitter in der gleichen Achse wie die Profilstücke bewegt, ist erfindungsgemäß vor­ gesehen, daß zum Ausgleich der Querschnittsdifferenz zwischen den Profilstücken, auf denen der Sensor angeordnet ist, ein Anpassungsstück angeordnet ist.

Die Anordnung des Anpassungsstückes ist auf unterschiedliche Art und Weise möglich. So kann beispielsweise das Anpassungs­ stück als Hülse ausgebildet sein, die auf dem Profilstück mit dem geringeren Querschnitt befestigt ist.

Es ist auch möglich, daß das Anpassungsstück derart ausge­ bildet ist, daß es nur im unmittelbaren Befestigungsbereich der Glasfaser angeordnet ist.

Eine einfache Montage der Glasfaser mit Faser-Bragg-Gitter ist dadurch gewährleistet, daß die Glasfaser auf dem Sensorträger aufgeklebt ist. Dies kann vorteilhaft mittels zweier Klebe­ punkte geschehen.

Wenn die Glasfaser vorgespannt auf dem Sensorträger angeordnet ist und der Sensorträger Arretierungsmittel zur gegenseitigen Befestigung der Profilstäbe aufweist, ist eine einfache Hand­ habung des Sensors gewährleistet.

Bei Transport oder Lagerung des Sensors muß verhindert werden, daß unkontrollierte Bewegungen des Sensorträgers die Glasfaser zerstören. Dies geschieht dadurch, daß die Arretierungsmittel eine Bewegung der Profilstücke zueinander verhindern. Im arre­ tierten Zustand wird der Sensor unter einer vorgegebenen Vor­ spannung auf die Profilstücke aufgeklebt. Ebenso wird im arre­ tierten Zustand die Sensoranordnung transportiert, gelagert und auf dem Meßobjekt befestigt. Werden anschließend die Arre­ tierungsmittel gelöst oder entfernt, ist der Sensor sofort einsatzbereit. Nach dem Einsatz werden die Arretierungsmittel befestigt und der Sensor kann vom Meßobjekt entfernt werden.

Erfindungsgemäß ist des weiteren vorgesehen, daß zur Befesti­ gung des Sensorträgers auf dem Meßobjekt lösbare Befestigungs­ elemente angeordnet sind. So ist sichergestellt, daß bei­ spielsweise nach einem kurzzeitigen Meßprozeß und nach Be­ festigung der Arretierung der Sensor vom Meßobjekt entfernt werden kann. Die Sensoranordnung kann sodann für weitere Messungen eingesetzt werden.

Um Unebenheiten des Meßobjektes auszugleichen sind die Be­ festigungselemente zur Befestigung des Sensorträgers auf dem Meßobjekt als Abstandshalter ausgebildet.

Der Sensorträger liegt damit nicht direkt auf dem Meßobjekt auf, sondern ist lediglich über beide Befestigungsstellen mit dem Meßobjekt verbunden.

Um Meßungenauigkeiten durch Wärmeänderungen der Sensoranord­ nung, insbesondere der Profilstücke oder des Faser-Bragg-Git­ ters zu unterbinden, kann die Sensoranordnung zusätzlich mit einem Sensor zur Temperaturmessung ausgestattet sein.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehö­ rige Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer Sensoranordnung, bei der der Sensorträger aus zwei Profilstücken besteht und

Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung einer Sensoranordnung, deren Sensorträger dreiteilig ausgebildet ist.

Nach den Fig. 1 und 2 besteht die Sensoranordnung aus dem Sensorträger 1 und dem Sensor, der als Glasfaser 2 mit einge­ schriebenem Faser-Bragg-Gitter 3 ausgebildet ist. Der Sensor ist auf dem Sensorträger 1 an zwei als Klebepunkte ausgebildete Befestigungsstellen 4, 5, die einen vorgegebenen Abstand zueinander aufweisen, aufgeklebt. Der Sensorträger 1 besteht nach Fig. 1 aus zwei Profilstücken 6, 7, die sechskantförmig ausgebildet sind, über ihre Länge einen konstanten Querschnitt aufweisen und teleskopartig ineinander geschoben sind. Die Größenverhältnisse beider Profilstücke 6, 7 sind dabei so gewählt, daß das Verschieben mit geringem Spiel möglich ist. Damit wird nur eine Verschiebung der Profilstücke 6, 7 in der Längsachse zugelassen, jedoch keine Verdrehung der Profilstücke 6, 7 zueinander gestattet.

Zur Gewährleistung einer homogenen Temperaturverteilung über die gesamte Sensorträgerlänge sind die Profilstücke 6, 7 aus einem Aluminiummaterial hergestellt.

Zur Verhinderung unkontrollierter und ungewollter Bewegungen der Profilstücke 6, 7 ineinander sind Arretierungsmittel 8 an den Profilstücken angeordnet, die als einfache Senkkopf­ schrauben ausgebildet sind. Die Senkkopfschrauben ragen durch eine Bohrung im Profilstück 6, welches den größeren Durchmesser aufweist und treffen auf eine entsprechend ausgebildete Senkung in dem Profilstück 7, mit dem kleineren Durchmesser.

Die Arretierungsmittel 8 sind auch notwendig, um die Glasfaser 2 mit dem Faser-Bragg-Gitter 3 vorgespannt auf dem Sensorträger 1 befestigen zu können. Die Arretierungsmittel 8 werden nur für den eigentlichen Meßprozeß gelöst.

Die Befestigung der Glasfaser 2 auf dem Sensorträger 1 ge­ schieht im arretierten Zustand. Dabei wird die Glasfaser 2 über eine vorgegebene Länge, den Verbindungsbereich der beiden Profile überspannend, mittels zwei Klebepunkte aufgeklebt. Das Verhältnis des Abstandes der Befestigungsstellen 4, 5 für die Glasfaser 2 zum Abstand der Befestigungsstellen 10, 11 für den Sensorträger 1 ist maßgeblich für die Ermittlung des Über­ tragungsfaktors des Sensors.

Um die Parallelität bei Bewegung der Profilstücke 6, 7 und Übertragung dieser Bewegung auf die Glasfaser 2 zu gewähr­ leisten, weist das Profilstück 7, das den kleineren Durchmesser aufweist, ein Anpassungsstück 9, in Form einer Hülse auf, auf der eine der Befestigungsstellen 4 für die Befestigung der Glasfaser 2 angeordnet ist. Je nach Ausbildung der Befestigungselemente 12, 13, die zur lösbaren Fixierung des Sensorträgers 1 auf dem Meßobjekt 14 angeordnet sind, kann das Anpassungsstück 9 auch nur im Bereich des Klebepunktes an­ geordnet und beispielsweise scheibenförmig ausgebildet sein. Die Befestigungselemente 12, 13 sind als Abstandhalter ausge­ bildet, um Unebenheiten des Meßobjektes ausgleichen zu können.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausbildungsform der Sensoranordnung. Ein weiteres Profilstück 15 ist analog Profilstuck 7 im Profilstück 6 längsverschieblich angeordnet, wobei auch dieses Profilstück 15 mittels einer Senkkopf­ schraube als Arretierungsmittel 16 arretiert ist. Mit dieser Lösung und weiteren anordenbaren Profilstücken können Messungen über große Meßstrecken hin durchgeführt werden. Die Profilstücke 6, 7, 15 sind dabei starr miteinander verbunden. Bei Durchführung der Messung wird lediglich das Arretierungsmittel 8 der Profilstücke 6, 7 gelöst, auf denen die Glasfaser 2 mit dem Faser-Bragg-Gitter 3 angeordnet ist.

Um insbesondere bei größeren Meßstrecken die genaue Meßlänge zwischen den beiden Befestigungsstellen 10 und 11 ermitteln zu können, sind die einzelnen Profilstücke 6, 7, 15 gleichlang ausgebildet, wobei zumindest eins der Profilstücke 6, 7, 15 mit einer - in der Zeichnung nicht dargestellten - Längenmeßskala versehen ist, so daß anhand der Anzahl eingesetzter Profilstücke 15 und der über die Skala ablesbaren Restlänge schnell und auf einfache Weise der Gesamtabstand zwischen den beiden Befestigungsstellen 10, 11 ermittelbar ist.

Jede noch so geringe Dehnung oder Stauchung des Meßobjektes 14 bewirkt eine Dehnung oder Stauchung der Glasfaser 2, und damit eine Längenänderung des Faser-Bragg-Gitters 3 und eine Änderung des darin rückreflektierten optischen Signals, welches über die Auswerteeinheit, die mit einem Lichtwellenleiterkabel 17 gekoppelt ist, erfaßt und ausgewertet wird. Die Auswerteeinheit ist in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellt. Die Lichtwellenleiterkabel 17 zum Sensor und zur Bereitstellung des UV-Lichtes sind dämpfungsarm, so daß Übertragunsverluste wei­ testgehend vermieden werden können. So ist es auch möglich, die Meßergebnisse über weite Strecken der Auswerteeinheit zuzuführen, ohne daß mit negativen Auswirkungen auf die Genau­ igkeit der Messung zu rechnen ist.

Die beschriebene Sensoranordnung erlaubt sowohl dynamische als auch statische Messungen mit einem hohen Genauigkeitsgrad insbesondere bei Messung sehr kleiner Dehnungen oder Stauchun­ gen. Der Verstärkungsfaktor ist in Abhängigkeit von der jewei­ ligen Konfektionierung des Faser-Bragg-Gitters 3 voreinstellbar. Die Sensoranordnung ist kostengünstig herstellbar und konstruktiv einfach aufgebaut. Sie kann sowohl für Dauermeß­ stationen als auch für kurzzeitige Messungen eingesetzt wer­ den, weist eine hohe Alterungsbeständigkeit auf und ist wie­ derverwendbar.

Claims (14)

1. Optische Sensoranordnung zur Dehnungs- und Stauchungsmessung eines zu messenden Objektes, bei der der Sensor aus einer Glasfaser, in die ein Faser-Bragg-Gitter eingebracht ist, besteht und einen aus Profilstücken bestehenden Sensorträger aufweist, der auf dem zu messenden Objekt in einem vorgegebenen Abstand befestigt ist und der Sensor parallel zur Hauptachse der Profilstücke an diesen befestigt ist und die Sensoranordnung zur Auswertung des Spektrums des Faser- Bragg-Gitters mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstücke (6, 7, 15) ineinander verschiebbar angeordnet sind, dass die Befestigungsstellen (10, 11) zur Befestigung des Sensorträgers (1) auf dem zu messenden Objekt in einem solchen Abstand gewählt werden, dass ein vorgebbarer Übertragungsfaktor zwischen den Befestigungsstellen (10, 11) am zu messenden Objekt (14) und den Befestigungsstellen (4, 5) zur Befestigung des Sensors auf den Profilstücken (6, 7) entsteht und dass der Sensor parallel und in einem Abstand zur Hauptachse des Sensorträgers (1) jeweils an einem Profilstück (6, 7) befestigt ist.

2. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Profil­ stücke (6, 7) vorgesehen sind.

3. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstücke (6, 7, 15) derart ausgebildet sind, dass sie im zusammengesteckten Zustand zueinander verdrehgesichert sind.

4. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, dass die Pro­ filstücke (6, 7, 15) einen eckigen Querschnitt aufweisen und ineinander spielarm verschiebbar sind.

5. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, dass die Profilstücke (6, 7, 15) eine gleiche Länge aufweisen und wenigstens ein Profilstück (6, 7, 15) mit einer Skala zur Bestimmung des Gesamtabstandes zwischen den Befestigungsstellen (10, 11) ausgestattet ist.

6. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, dass zum Ausgleich der Querschnittsdifferenz zwi­ schen den Profilstücken (6, 7), auf denen der Sensor an­ geordnet ist, ein Anpassungsstück (9) vorgesehen ist.

7. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungsstück (9) als Hülse ausgebildet ist, die auf dem Profilstück (7) mit dem geringeren Querschnitt befestigt ist.

8. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungsstück (9) nur im unmittelbaren Be­ festigungsbereich der Glasfaser (2) angeordnet ist.

9. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, dass die Glasfaser (2) zur Befestigung auf dem Sensorträger (1) aufgeklebt ist.

10. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, dass die Glasfaser (2) unter Vorspannung auf dem Sensorträger (1) befestigt ist.

11. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, dass der Sensorträger Arretierungsmittel (8, 16) zur gegenseitigen Befestigung der Profilstücke (6, 7, 15) aufweist.

12. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, dass zur Befestigung des Sensorträgers (1) auf dem Meßobjekt (14) lösbare Befestigungselemente (12, 13) an­ geordnet sind.

13. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungselemente (12, 13) zur Befestigung des Sensorträgers (1) auf dem Meßobjekt (14) als Abstandshalter ausgebildet sind.

14. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zusätzlich ein Sensor zur Temperaturmessung vorgesehen ist.