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Volltext - prüfung

1. Abb 26 Gef geschliffe von zwei applizierten FBG Sensoren mit unterschiedlichen Klebstoffgeometrien Oben halb eingebettete Variante unten voll eingebetteter FBG Sensor 54 BAM Dissertationsreihe II Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung Durch eine sp tere konstruktive Modifikation der Stempelform k nnen verschiedene Klebstoff schichtdicken erreicht werden so dass mit dem in Abschnitt III vorgestellten Validierungs messplatz die experimentell ermittelte Dehnung bei verschiedenen Klebstoffgeometrien mit den errechneten Werten aus dem Dehnungs bertragungsmodell verglichen werden k nnen 55 II Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung 11 3 Temperatur und Dehnungsentkopplung bei FBG Sensoren In Abschnitt I Kapitel 2 2 wurde bereits mathematisch der Zusammenhang zwischen einer Temperatur nderung und der nderung der Bragg Wellenl nge eines FBG dargestellt Dieser Zusammenhang gilt nur bei FBG Sensoren die unappliziert und keiner mechanischen Deh nung ausgesetzt sind Anwendung findet dies bei FBG Temperatursensoren bei der die Faser an einem Punkt fixiert wird und das Ende der Faser frei beweglich ist Im Falle eines FBG Temperatursensors wird die Abh ngigkeit der Bragg Wellenl ngen nderung von der Tempe ratur als Temperaturempfindlichkeit bezeichnet Dabei f hrt eine nderung einer Eingangsgr Be in diesem Falle die Temperatur zu einer direk
2. Abb 54 GFK Patch mit integriertem FBG Dehnungssensor appliziert auf einer Zugprobe IV 2 2 Funktionsnachweis Bevor die Patches am Rotorblatt installiert wurden musste deren Funktionsweise reproduzier bar durch Temperatur und Belastungsversuche nachgewiesen werden Es musste gezeigt werden dass das FBG Messsignal kein Kriechen durch Relaxation des Patchmaterials auf weist Zudem musste die vorgegebene Vorspannung f r den sp teren Einsatz der Patches nachgewiesen werden Daher wurden an den einzelnen Konstruktionsformen jeweils Untersu chungen hinsichtlich Temperaturbeanspruchung und mechanischer Belastung durchgef hrt Den Ergebnissen entsprechend wurde die Konstruktion modifiziert Das Einstellen der vorge schriebenen Vorspannkraft stellte sich zun chst als schwierig heraus Der Herstellungsprozess der GFK Patches selbst verursachte durch die mechanischen Eigenschaften des Epoxidharzes ein Schrumpfen des Patchmaterials w hrend der Temperung Somit entstand ein gro er Vor spannungsverlust so dass z T die FBG Dehnungssensoren bis in den Druckbereich belastet wurden In Abb 55 ist schematisch der Aush rteprozess von Epoxidharzen dargestellt Wen05 Epoxidharzsysteme schrumpfen durch die chemischen Reaktionen w hrend des Aushartevorgangs d h die Dichte des Materials nimmt zu w hrend das Volumen kontrahiert 102 BAM Dissertationsreihe IV FBG Dehnungssensoren als Patches m 4 3 OL Reaktionsschwind
3. tur dargestellt 103 IV FBG Dehnungssensoren als Patches Temperungskurve 80 C Temperung 1550 4 Nee bene 1548 99 nm 80 C E 1549 faa X 2 1548 vorgespannt auf 1548 81 nm 23 C 10 2 1547 D 8 1545 68 nm 23 m 1949 1546 65 nm 23 C 1545 00 00 10 00 20 00 30 00 40 00 50 00 60 00 Zeit in hh mm Abb 56 Aush rtungsvorgang eines Patches Die Bragg Wellenl nge des FBG ist als Funktion der Zeit und der Temperatur dargestellt Der FBG Dehnungssensor im Patch wurde bei Herstellung um ca 3200 um m vorgespannt Das Gewebe wurde mit Epoxidharz bei Raumtemperatur 23 C laminiert Danach musste das Patch bei 80 C ausgeh rtet werden In Abb 56 ist zu erkennen dass die Bragg Wellenlange des Sensors mit steigender Temperatur zunahm denn das Patch nahm die eingestellte Tem peratur des Ofens an Mit einem roten Kreis ist in Abb 56 die maximale Bragg Wellenl nge gekennzeichnet Obwohl die Temperatur des Ofens konstant gehalten wurde fiel die Bragg Wellenl nge in diesem Bereich stark ab Dieses Verhalten entspricht dem Reaktionsschwinden und f hrt zu einem teilweisen Verlust der Vorspannung Danach blieb die Bragg Wellenl nge bei 1549 nm und einer Temperatur von 80 C ann hernd konstant Das bedeutet dass hier die Vernetzung des Harzes nahezu vollst ndig abgeschlossen worden war Nach einer Temperung von 20 Stunden wurde der Ofen abgest
4. Abb 20 Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Aush rtungsmechanismus Abb 21 Kraft Eindringtiefe Diagramm mit Belastungs und Entlastungskurve des Klebstoffs Epotek 353ND Dargestellt sind vier von elf durchgef hrten Messungen 45 Abb 22 Messplatz der Firma Dantec Dynamics zur Bestimmung des CTE mittels digitaler 3D Bildkorrelation uur44440unnnnnnonsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnannnnnnnnnnnnnnnnnnannnnnn 48 121 VIII Abbildungsverzeichnis Abb 23 Gemessener Dehnungs Temperatur Verlauf in Langsrichtung x der Proben von zwei verschieden Klebstofftypen Dargestellt ist sowohl die Aufheiz als auch Abk hlphase Von den Klebstoffen Epotek 353 ND und Loctite Hysol 3450 ist jeweils das Verhalten von zwei Proben graphisch dargestellt cccceeeeeseeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeaeeeeseaeeeeteeeeeeeas 49 Abb 24 Verlust und Speichermodul des Klebstoffs Loctite Hysol 3450 in Abh ngigkeit von der Temperatur bei 1 HZ ussusssnasunsnnnnonsnnnnnnnnnnnnannnnnnnnnnnnnnnnnnnnnannnnnnnnnannnnnnnnnnnnnnnnnn 51 Abb 25 Darstellung der Glas bergangstemperatur des Klebstoffs Loctite Hysol 3450 als Funktion des Verlustmoduls E und der beiden CTE aus der ermittelten Dehnung vgl Abb 26 Gef geschliffe von zwei applizierten FBG Sensoren mit unterschiedlichen Klebstoffgeometrien Oben halb eingebettete Variante unten voll eingebetteter FBG Abb 27 Verhal
5. I Einleitung und Grundlagen Das Antwortsignal eines FBGs das in axialer Richtung gedehnt wurde und eines unbelasteten FBGs ist in Abb 6 dargestellt Das Antwortsignal eines durch Querkraft deformierten FBGs ist in Abb 7 dargestellt Deutlich ist die Verzerrung durch die Querkraft im Spektrum zu erkennen 35 4 38 Ungedehntes FBG In Langsrichtung Peal belastetes FBG 28 29 40 414 reflektierte Leistung in dBm e a A S E a 1553 7 1554 0 1554 3 1554 6 1554 9 1555 2 1555 5 1555 8 Wellenl nge 2 in nm Abb 6 Gemessenes Reflexionsspektrum eines entlang der Faser belasteten FBG Sensors Mit Querkraft belastetes FBG 35 Unbelastetes FBG 45 a a a D a reflektierte Leistung in dBm a 8 a o amp T T T T T T T i T T T t T T T T 1 1531 0 1531 5 1532 0 1532 5 1533 0 1533 5 1534 0 1534 5 1535 0 Wellenl nge 4 in nm Abb 7 Gemessenes Reflexionsspektrum eines durch Querkraft belasteten FBG Sensors 17 I Einleitung und Grundlagen Die Auswirkung von Querkr ften auf FBG ist in der Literatur bereits mehrfach beschrieben worden vgl dazu Gaf00 Zha04 Oh04 Abe06 Man kann die Bragg Wellenl nge in Ab h ngigkeit von den Polarisationsrichtungen x und y mit Gl 3 6 und 14 wie folgt darstellen Oh04 M _ g fAT _ Kw Ku AT ma ae ene 18 Kr K und K K sind die Temperatur und Dehnungsempfindlichkeiten Damit ergibt si
6. nen Nd Yag Laser der Wellenl nge 2 532 nm Um eine 3D Darstellung zu erhalten ist es notwendig das Messobjekt mit drei unterschiedlichen Beleuchtungseinstellungen zu vermes sen Damit k nnen die Empfindlichkeitsvektoren bestimmt werden aus denen die Gestalt nde rung berechnet wird Zun chst wird eine In plane Messung durchgef hrt wie in Abb 40 darge stellt 78 BAM Dissertationsreihe Ill Validierungsmessplatz KALFOS Kamera im ESPI Sensorkopf Messobjekt Abb 40 In plane Messung mit dem ESPI Verfahren an einem verformten Messobjekt Der Empfindlichkeitsvektor S steht parallel zur Messoberfl che Der Verschiebungsvektor V zeigt in Richtung der Deformation des Messobjekts Bildquelle Firma Dantec Dynamics Inc Bei einer In plane Messung wird das Messobjekt aus jeweils zwei gegen berliegenden Be leuchtungsarmen einmal horizontal und einmal vertikal beleuchtet Der Empfindlichkeitsvektor S berechnet sich aus den beiden Wellenvektoren L und T und steht dabei parallel zur Messobjektoberfl che Der Verschiebungsvektor V zeigt die Richtung der Deformation des Messobjekts an Eine Phasen nderung im detektierten Licht wird also nur durch den Anteil der Verschiebung parallel zur Messfl chennormalen hervorgerufen was bei berlagerung mit dem Referenzbild Interferenzstreifen verursacht Um die Bewegung out of plane und damit die 3 Dimension in die Messung einzubezie hen muss mit einer sogenannten out
7. 40 20 0 20 40 60 80 100 120 Temperatur Tin C Abb 24 Verlust und Speichermodul des Klebstoffs Loctite Hysol 3450 in Abh ngigkeit von der Temperatur bei 1 Hz Deutlich ist dies noch einmal in Abb 25 dargestellt Verl ngert man die beiden Dehnungsan stiege des Klebstoffs Loctite ber der Temperatur so treffen sich diese in der Glas bergangs temperatur was auch im Verlustmodul zu erkennen ist 51 Il Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung Dehnung ein x Richtung in um mm 40 20 0 20 40 60 Temperatur Tin C 80 ed ULF NpowSsnUoA Abb 25 Darstellung der Glas bergangstemperatur des Klebstoffs Loctite Hysol 3450 als Funktion des Verlustmoduls E und der beiden CTE aus der ermittelten Dehnung vgl Abb 23 F r die weiteren mit der DMA untersuchten Klebstoffe sind in Tabelle 4 die ermittelten Glas bergangstemperaturen bei den einzelnen Frequenzen dargestellt Das Verhalten des Kleb stoffs bei der DMA h ngt von der Frequenz der aufgebrachten Deformation ab Je h her die Frequenz desto weniger kann die Bewegung der Polymerketten der Wechselbelastung folgen Der Klebstoff verh lt sich also bei gleich bleibender Temperatur mit zunehmender Frequenz steifer und der Glas bergangsbereich verschiebt sich zu h heren Temperaturen Tg C nach Tg C nach Tg C nach Klebstoff Verlustmodul bei Verlustmodul bei Verlustmodul
8. Ohare Tere der 5 Pr Pi H Po v 12 Es gilt di 2 Mer A oA de 24 Nest TREA On de 13 de M Oe 08 ds dA 2A F Pir Py Pio v He 27 Ade 14 Unter der Annahme dass in Gl 14 alle Parameter konstant bleiben kann f r die infinitesimal kleinen Parameter dA und de in erster Nahrung die gemessenen Werte AA und As gesetzt werden _ 2 Alg alte pa p rude 15 14 BAM Dissertationsreihe I Einleitung und Grundlagen Der Parameter As wird in erster Nahrung gleich gesetzt da die Bezugs Dehnung bei als Null definiert wird Der Term 1 frn 2 p p pov wird zu p zusammengefasst und als photoelastische Konstante bezeichnet Damit ergibt sich Ag lt 2 I p 16 Ayo F r Single Mode Fasern vom Typ SMF 28 wird f r 1 p h ufig der Wert 0 78 angegeben Das bedeutet die Empfindlichkeit der Faser liegt bei einer Wellenl nge von 1550 nm bei 0 78 pm um m Vereinfachend kann man einen Dehnungs bertragungskoeffizienten K ein f hren womit f r die Bragg Wellenl nge in Abh ngigkeit von der Dehnung gilt AA A BZK e 17 BO 1 2 2 3 Spektral optische Ph nomene Dampfung Eine Single Mode Faser die geradlinig ausgelegt ist und keine Biegung erfahrt besitzt eine D mpfungskonstante von ca 0 5 dB km bei einer Mittenwellenlange von 1550 nm nderungen in der D mpfung entstehen durch Kr mmungen der Faser Ab einem bestimmten Kr mmungs radius der F
9. Y Li J Kai G Yuan S Dong X Temperature compensation package for fiber Bragg gratings Microwave and Optical Technology Letters Vol 39 1 pp 70 72 2003 http www bam de de microsites imo_wind index htm Januar 2007 ISO IEC Guide 98 3 2008 Uncertainty of measurement Part 3 Guide to the ex pression of uncertainty in the expression of measurement Jahns J Photonik Grundlagen Komponenten und Systeme Oldenbourg Verlag M nchen 2001 Jenkac J Messung des Einflusses von Transversalkr ften auf optische Faser Bragg Gitter Charakterisierung der optischen Reflexionsspektren von Faser Bragg Gitter Diplomarbeit FH M nchen 2007 117 Vil Literaturverzeichnis Keh03 Kei95 Kre Li05 Lup05 Mic69 NTak07 Oh04 Oka02 Oth99 Per84 Ric04 Rin08 Roh59 Roh61 118 Kehlenbach M Integrierte Sensorik zur Schadigungserkennung in Faserverbund strukturen f r die Luftfahrt Dissertation TU Darmstadt 2003 Keil S Beanspruchungsermittlung mit DehnungsmeBstreifen Cuneus Verlag Zwingenberg 1995 Kreuzer M Dehnungsmessung mit Faser Bragg Gitter Sensoren HBM Darmstadt Li J Zhou Z Ou J Interface strain transfer mechanism and error modification for adhered FBG strain sensor Proceedings of SPIE 5851 pp 278 287 2005 Lupi C Felli F Ippoliti L Caponero M A Ciotti M Nardelli V Paolozzi A Metal coating for enhancing
10. berlegen Die DMS Messtechnik dagegen bietet aufgrund ihrer sehr ausgereiften Entwicklung Messm glichkeiten in sehr hohen Frequenzbereichen mit sehr guter Aufl sung Abtastraten von mehreren Mega Samples pro Sekunde und Kanal machen auch Hochgeschwindigkeits messungen m glich Hohe Speicherkapazit ten und schnelle Datenspeicherungsraten machen bei modernen Messger ten auch umfangreiche Messungen mit sehr vielen aufzuzeichnenden Messdaten m glich Meist haben die Messger te bereits alle M glichkeiten von der Messstel lenkonfiguration ber die Aufzeichnung der Daten bis zum fertigen Messergebnis implemen tiert so dass der Anwender nur die Messstelle an das Ger t anschlie en muss 1 2 2 Funktionsweise von Faser Bragg Gitter Sensoren 1 2 2 1 Aufbau und Eigenschaften von Lichtwellenleitern Lichtwellenleiter die hier als Basiselement zum Einsatz kommen bestehen aus einem Kern der von einem Fasermantel Cladding umschlossen ist und zus tzlich noch von einer u eren Beschichtung Coating wie in Abb 2 dargestellt gesch tzt wird I Einleitung und Grundlagen Beschichtung Coating Fasermantel Cladding gt cladding Nkern n cladding coating Abb 2 Schematischer Aufbau eines Lichtwellenleiters Single Mode Glasfaser Rechts ist der Brechungsindexverlauf bezogen auf den Radius r der Faser dargestellt Kern Core Bei Single Mode Glasfasern sind typische Kennwerte f r die Durchmesser von Kern
11. muss beachtet werden dass die eigentliche Verschiebung des Messobjekts um 200 um geringer ist Diese Tole ranz ist f r eine Universal Werkstoffpr fmaschine sehr gut f r Messungen von kleinsten Dehnungen jedoch ein sehr hoher Wert Es wurden Untersuchungen zur Verwendbarkeit der Kalibrierung und der Messung mit der 3D Stereokorrelation durch die Glasscheiben der Temperaturkammer durchgef hrt Zu n chst wurde jedoch ohne Temperaturkammer kalibriert und auch das Messobjekt vermessen Da f r eine Kalibrierung mit definierten Kalibrierscheiben diese manuell gedreht und von den Kameras erkannt werden m ssen war eine Kalibrierung mit Temperaturkammer nicht m glich da eine manuelle Drehung des Kalibrierk rpers bei geschlossener T r der Temperaturkammer nicht durchgef hrt werden konnte Daher wurde zun chst eine Kalibrierung durch das Sicht fenster der ge ffneten Temperaturkammer durchgef hrt und das Messobjekt nachtr glich in die Maschine eingebaut Dieser Versuch wurde bei Raumtemperatur durchgef hrt um die M g lichkeit einer Kalibrierung durch das Sichtfenster mit diesem System zu testen Aufgrund des gro en Abstands zum Messobjekt das sich in der Mitte der Temperaturkammer befindet wur de mit Objektiven mit 100 mm Brennweite gearbeitet Die Kalibrierung ist auf diese Weise zwar gelungen aber die Bilder des Messobjekts waren teilweise unscharf Damit wurden zwar die einzelnen Messpunkte erkannt aber das System konnte keine korrekt
12. nge Die untersuchten Einflussparameter auf die Dehnungs bertragung also die Verklebungs lange L die Klebstoffschichtdicke h der Klebstoff berhang a und der Elastizit tsmodul E 34 BAM Dissertationsreihe I Einleitung und Grundlagen des Klebstoffs wurden aus dem in Kapitel 1 2 3 dargestellten Modell hergeleitet Alle weiteren m glichen Einflussparameter auf die Dehnungs bertragung wie z B die Temperatur wurden durch experimentelle Untersuchungen charakterisiert und werden in Abschnitt Il behandelt 1 2 4 Klebstoffe und Adh sion 1 2 4 1 Grundlagen der Adhasion ber eine eindeutige wissenschaftlich g ltige Beschreibung der Haftung gibt es keine Einigung Es gibt in der Literatur mehrere Ans tze Adh sion zu beschreiben diese Ans tze st tzen sich jedoch auf einzelne Beobachtungen Prinzipiell l sst sich die Adh sion als die intermolekulare oder interatomare Wechselwirkung zwischen zwei adh siven Partnern bei dem ein belastbarer Verbund aufgebaut wird beschreiben In der Adh sionstheorie unterscheidet man zwischen einem mechanischen und einem spezifischen Adh sionsmodell Bro05 Wu82 Adh sion die auf physikalischer oder chemischer Wechselwirkung basiert wird als spezifische Adh sion bezeichnet Zur Beschreibung von Adh sion gibt es mehrere g ltige Theorien die Polarisati onstheorie die Diffusionstheorie und die Theorie zur Beschreibung der chemischen Wechsel wirkung bei der Adh sion Die Polaris
13. o Die Kreisfrequenz wird mit bezeichnet und c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum Aus der Kramers Kronig Beziehung folgt dass dispersive Materialien absorbieren und dass die Absorption frequenzabh ngig ist Ist der Imagin rteil der Dielektrizit tszahl also die Absorption bekannt so l sst sich mit dieser Beziehung der Realteil und damit der Brechungsindex be rechnen Die Wellenzahl l sst sich ebenfalls in komplexer Form darstellen ay 7 Kank Hi Bri 62 Dabei bezeichnet 2 die Ausbreitungskonstante die sich in Faserrichtung ndert Ausbreitung einer Phasenlage Damit ergibt sich der effektive Brechungsindex n Zu Nest 63 und liegt zwischen dem Brechungsindex des Kerns und des Claddings Many lt Mey lt Ngem Dies gilt allgemein f r gef hrte Moden in Stufenindex Fasern In der Bragg Grating Theorie wird der mittlere effektive Brechungsindex n zur Berech nung der Bragg Wellenl nge ben tigt Der mittlere effektive Brechungsindex wird dabei durch die Modulation des Brechungsindexes beim Einschreiben des Gitters bestimmt Wird ein Gitter seitlich gleichf rmig eingeschrieben so entspricht der Verlauf des Brechungsindexes in Faser richtung z im FBG Abb 62 Abb 62 Darstellung des Brechungsindexverlaufs ber die Faserl nge z Bildquelle Hof08 133 A Anhang Durch nderung der Einschreibparameter k nnen neben gleichf rmigen Faser Bragg Gittern auch sogenannte chirped G
14. 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 Dehnung des DMS in mm m relative Brag Wellenl ngen nderung AA A in mm m Abb 31 Ausgleichsgerade durch die Messwerte aus 6 Pr fzyklen bei 23 C f r einen FBG Dehnungssensor mit Ormocer Coating der mit Loctite 147 appliziert wurde Die ermittelten Messunsicherheiten in der aus der Wellenl nge bestimmten Dehnung liegen f r alle Klebstoff Coating Kombinationen insgesamt sehr nah beieinander Es konnten keine Er gebnisse mit einer Messunsicherheit kleiner als 35 um m erzielt werden Die maximale Mess unsicherheit liegt bei 50 um m Einfluss der Klebungsart punktuell vollflachig Im Vergleich zu den vollfl chig verklebten FBG Dehnungssensoren kann die Klebung auch punktuell links und rechts vom FBG ausgef hrt werden Ein Vergleich bei 23 C zwischen den Messergebnissen von gleichartig gecoateten FBG Acrylat die mit dem selben Klebstoff Loc tite 147 punktuell bzw vollflachig verklebt wurden ist in Abb 32 dargestellt 64 BAM Dissertationsreihe Il Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung m vollfl chig geklebt e punktuell geklebt K 0 628 K 0 614 02 00 02 04 06 08 10 1 2 14 1 6 Dehnung des DMS in mm m relative Bragg Wellenl ngen nderung A2 A in mm m Abb 32 FBG Dehnungssensoren mit Acrylat Coating appliziert auf Aluminium mit Loctite 147 Schwarz Vollfl chige Verklebung des FBG Rot Punktuell links und rechts vom F
15. 2 Gutachter Dr Ing Wolfgang R Habel 3 Gutachter Dr Ing Peter Deimel Tag der wissenschaftlichen Aussprache 27 November 2009 Berlin 2010 D83 Vorwort der Verfasserin Die vorliegende Arbeit entstand w hrend meiner T tigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Bundesanstalt f r Materialforschung und pr fung in der Fachgruppe VIII 1 Mess und Pr ftechnik Sensorik In dieser Fachgruppe werden Untersuchungen zur Zuverl ssigkeitsbeur teilung Validierung und Kalibrierung von Sensoren unterschiedlichster Funktionsprinzipien und Mess und Pr fsystemen durchgef hrt Diese Arbeit basiert auf einem gemeinsamen Koopera tionsprojekt mit dem Forschungszentrum EADS Innovation Works IW in Ottobrunn Mein besonderer Dank gilt daher Herrn Dr Peter Deimel von EADS IW f r die wissenschaftli che Betreuung dieser Arbeit die Unterst tzung durch Bereitstellen von Probek rpern und die vielen wissenschaftlichen Anregungen Herrn Martin Bach von Airbus danke ich f r die organi satorische Unterst tzung und die zahlreichen bereitgestellten Proben Herrn Prof Dr Wolfgang M ller von der TU Berlin danke ich f r die wissenschaftliche Betreu ung und die bernahme des Referats Mein besonderer Dank gilt meinem Arbeitsgruppenleiter Herrn Dr Wolfgang Habel der das gemeinsame Kooperationsprojekt mit EADS initiiert und damit diese Arbeit erst m glich ge macht hat Herrn Dr Werner Daum als Fachgruppenleiter danke ich f r die mir darge
16. Bildquelle Hof081 2 2 rennen E crc riee E 133 124 BAM Dissertationsreihe IX Abktirzungen und Formelzeichen IX Abk rzungen und Formelzeichen IX 1 Abk rzungen CFK CTE DMA DMS E Modul ESPI FBG GFK LED OSA TDM UV WDM 2K Epoxidharz Kohlenfaserverstarkter Kunststoff Warmeausdehnungskoeffizient Dynamisch mechanische Analyse Dehnungsmessstreifen Elastizitatsmodul Elektronische Specklemuster Interferometrie Faser Bragg Gitter Glasfaserverstarkter Kunststoff Leuchtdiode Optischer Spektrumanalysator Time Division Multiplexing Ultraviolett Wavelength Division Multiplexing Zwei Komponenten Epoxidharz 125 IX Abk rzungen und Formelzeichen IX 2 gt p gt a a Cladding Coating a a F 3 oom ff D w Q M gt 126 Formelzeichen Fl che Querschnittsfl che der optischen Faser Fl che des Messobjekts Klebstoffbreite Kontaktnachgiebigkeit Lichtgeschwindigkeit im Vakuum Durchmesser Durchmesser des Claddings Durchmesser des Coatings Durchmesser des Kerns der optischen Faser Effektive Klebstoffschichtdicke Dicke des Substrats Elastizit tsmodul Elastizit tsmodul der optischen Faser Elastischer Eindringmodul Reduzierter Elastizit tsmodul des Eindringkontakts Elastizit tsmodul des Messobjekts Komplexer Elastizitatsmodul Speichermodul Verlustmodul Kraft Kraft die auf die optische Faser wirkt Kraft die auf das Messobjekt wirkt Schubmodul des Kleb
17. DehnungsmeBstreifen und seiner wichtigsten Eigenschaften an Hand eines Modells Materialpr fung Band 1 4 pp 121 156 1959 Rohrbach C Czaika N ber das Dauerschwingverhalten von Dehnungsme strei fen Materialpr fung Band 3 4 pp 125 168 1961 BAM Dissertationsreihe VII Literaturverzeichnis Roh89 Rot08 Sch04 Scho8 Sir90 Sta04 Ste05 Ste72 Ste97 Sto00 STak07 Tano3 Tru01 US76 Rohrbach C Handbuch der Experimentellen Spannungsanalyse VDI Verlag D s seldorf 1989 Roths J Kratzer P Vergleich zwischen optischen Faser Bragg Gitter Dehnungs sensoren und elektrischen Dehnungsmessstreifen Technisches Messen Vol 75 12 pp 647 654 2008 Schlimmer M Berechnung und Auslegung von Klebverbindungen Teil 9 Adh si on 3 05 pp 44 48 2004 Schallert M Hofmann D Habel W R Strukturanalyse von Betonpf hlen durch eingebettete faseroptische Sensoren Technisches Messen Vol 75 9 pp 485 500 2008 Sirkis J S Haslach H W Interferometric Strain Measurement by Arbitrarily Con figured Surface Mounted Optical Fibers Journal of Lightwave Technology Vol 8 10 pp 1497 1503 1990 mit Experiment Staszewski W Boller Ch Tomlinson G Health Monitoring of Aerospace Struc tures Smart Sensor Technologies and Signal Processing John Wiley amp Sons Chichester West Sussex UK 2004 Stelter M Untersuchung des Dehnung
18. Grundlagen nierten Laborbedingungen bestimmt Gleichzeitig wird die Widerstands nderung des DMS ge messen vgl VDI35 1 2 1 1 Dehnungs bertragungsmodell DMS Um eine zuverl ssige Funktion des DMS zu gew hrleisten muss eine optimale Dehnungs ber tragung durch definierte Anbindung des DMS an das Messobjekt erzielt werden C Rohrbach und N Czaika Roh59 haben dazu ein vereinfachtes Messstreifen Modell entwickelt Dieses Modell dient als Hintergrund f r das in Kapitel 2 3 dieses Abschnitts beschriebene Dehnungs bertragungsmodell bei Faser Bragg Gitter Dehnungssensoren Eine vereinfachte Form des Modells ist in Abb 1 dargestellt Es wird angenommen dass der Klebstoff und das Tr germaterial des DMS hnliche mechanische Eigenschaften aufweisen und daher zusammen als homogenes Tr germaterial angesehen werden k nnen Wird das Bauteil um e gedehnt so steigt die Dehnung im Tr germaterial ber die Lange an bis erreicht ist Die Dehnung amp steigt dann innerhalb der bergangsl nge im Tragermaterial weiter an da das im Vergleich zum weichen Tr germaterial sehr steife Messgit ter die Dehnung bernehmen muss A BE gt gt Ve Ae er em Ep i 1 s m Or II Ust k gt k Abb 1 Dehnungstibertragungsmodell nach Rohrbach und Czaika Roh59 Im oberen Teil der Abbildung ist ein aufgeklebter DMS
19. Klebstoff in Abb 21 dargestellt Alle weiteren Klebstoffe erzielten nicht akzeptable Streuungen in den Messwerten 44 BAM Dissertationsreihe Il Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung 10 Eindringtiefe h in um gt Reihe 4 T T i T T x T T T 0 50 100 150 200 250 300 Kraft F in mN Abb 21 Kraft Eindringtiefe Diagramm mit Belastungs und Entlastungskurve des Klebstoffs Epotek 353ND Dargestellt sind vier von elf durchgef hrten Messungen Der elastische Eindringmodul Z kann nach ISO77 aus dem Anstieg der Tangente an der Kraft Eindringtiefe Kurve bei Pr fkraftr cknahme berechnet werden wie in Gl 44 beschrie ben 1 v y Er ee T ao aa E E NIT E _ 2C A we Dabei ist v die Poisson Zahl des Messobjekts v die Poisson Zahl des Eindringk rpers und E der E Modul des Eindringk rpers E ist der reduzierte Modul des Eindringkontaktes der aus der Kontaktnachgiebigkeit C also dh dF der Kurve f r die Pr fkraftr cknahme und der projizierten Kontaktfl che A des Eindringk rpers berechnet wird Entsprechende Werte f r v E und A k nnen in ISO77 nachgeschlagen werden Da die Poisson Zahl der Klebstoffe nicht bekannt ist ist der ermittelte E Modul der Klebstoffe also unter Vorbehalt einer Division durch 1 v zu betrachten Als Absch tzung f r die Poisson Zahl der Klebstoffe wird f r die Angabe des E Moduls in Tab
20. Regeleinheiten der Belastungseinrichtung und der Temperaturkammer sind separat aufgebaut und damit komplett von der Belastungseinrichtung entkoppelt Dadurch werden keine Schwingungen durch laufende L fter 0 4 auf das Messobjekt bertragen Die Temperaturkammer ist ebenso fahrbar auf einem Gestell gelagert und damit von der Belastungseinrichtung entkoppelt um keine zus tzlichen Schwingungen auf die Maschine zu bertragen Damit kann die Temperaturkammer bei Bedarf eingesetzt oder zur ckgeschoben werden Diese kann autonom gesteuert werden ist aber auch in die Steuerung des gesamten Pr fplatzes eingebunden Der Temperaturbereich der Kammer liegt bei einer Regelabweichung von 1 K zwischen 68 C bis 100 C Die Temperierung erfolgt durch ein K lteaggregat Das 84 BAM Dissertationsreihe Ill Validierungsmessplatz KALFOS Gestell auf dem die Temperaturkammer gelagert ist und das K lteaggregat sind auf D mpfern installiert Um eine optimale Vermessung der Proben mit dem ESPI System zu erreichen wur de das Sichtfenster der Temperaturkammer vergr ert und mit einem speziellen Glasschei benpaket ausgestattet Dies verhindert dass sich w hrend der Messung an den Scheiben Eis oder Kondensat bilden Die Temperaturkammer ist zus tzlich mit einem Entfeuchtungssystem ausgestattet so dass sich bei Temperaturg ngen kein Kondenswasser an der Probe oder auf dem Messfeld bildet Auf eine zus tzliche Regelung der Feuchte wurde beim Aufba
21. Schichtdicke des Coatings eingestellt werden kann Das Dehnungs bertragungsverhalten von metallisierten FBG wurde dabei nicht untersucht Gerade zur Optimierung der Dehnungs bertragung von metallischen Messobjekten auf ein FBG wird angenommen dass ein metallisches Coating welches in seinen mechanischen Eigenschaften dem des Messobjekts hnlich sein muss die Dehnung besser bertragen kann Untersuchungen zu diesem Thema sollten in weiterf hren den Forschungen durchgef hrt werden Da das Coating eine weitere Zwischenschicht zwi schen dem Messobjekt dem Klebstoff und dem sensitiven FBG darstellt ist f r eine Optimie rung der Dehnungs bertragung wichtig ein m glichst d nnes Coating aus einem an das Messobjekt angepassten Werkstoff zu verwenden Qualitative Aussagen zum Verhalten des Coatings Die Haftung des Coatings auf dem Cladding schwankt je nach Coating Typ stark Zwischen Coating und Cladding kann es also bei berschreiten einer bestimmten Scherkraft zu einem L sen des Haftverbundes kommen Dieser Prozess findet nicht kontinuierlich statt sondern wie in Abb 8 dargestellt st ckweise und ruckartig Dies kann ber die plastische Deformation des Coatings hinaus bis zur Zerst rung des Coatings gehen 19 I Einleitung und Grundlagen Abl sen des Coatings vom Cladding Coating Cladding Haftung zwischen Coating und Cladding Abb 8 Haftungsverlust zwischen Cladding und Coating Aus Abb 8 wird auch deutl
22. Umgebungsbedingungen w hrend der Applizie rung bzw des sp teren Gebrauchs die Belastungsbedingungen und die Messstelle selbst z B integriert Um die Handhabung von FBG Dehnungssensoren unter diesen zum Teil har schen Bedingungen einfacher zu gestalten werden die Sensoren in ein Tr germaterial einge bettet oder auf diesem appliziert Diese sogenannten Patches k nnen dann auf einfache Weise in die Struktur integriert bzw auf die Oberfl che appliziert werden Patches gibt es von kom merziellen Anbietern bereits in verschiedenen Ausf hrungen Bei Applizierungen bei denen sehr spezifische Anforderungen an das Sensorpatch gestellt werden die kommerzielle Patches nicht erf llen ist eine speziell angepasste eigene Patchentwicklung notwendig siehe Kapitel IV 2 IV 1 Kommerzielle Patches Der einfacheren Handhabbarkeit wegen und auch um die FBG Technologie auf einfachere Weise einem breiten Anwenderkreis zug nglich zu machen werden von verschiedenen Her stellern FBG Dehnungssensoren als Patches angeboten F r einen Techniker ist die Handha bung und Applizierung von FBG Dehnungssensoren als Patches besonders dann einfacher wenn die Messstellen schwer zug nglich sind Zudem bieten die Tr germaterialien dem FBG Sensor einen zus tzlichen mechanischen Schutz Patches sind bereits vorkonfektioniert mit Steckern erh ltlich Meist sind die Tr germaterialien der Patches nicht f r alle Messobjekte verwendbar sondern an bestimmte Werk
23. a 0 7 mm v 95 4 1 3 3 v a 1 3mm S a 2 5mm 5 944 4 a 1000 mm Q 93 0 5 10 15 20 25 30 xinmm Abb 19 Berechneter Einfluss des Klebstoff berhangs auf die Dehnungs bertragungsrate bei Verklebung von L 60 mm Nimmt man den Klebstoff berhang a als unendlich gro an z B 1000 mm so entspricht dies einem halb eingebetteten FBG Dehnungssensor In diesem Fall liegt die auf den Sensor im Abstand von 15 mm links und rechts von der Mitte der Verklebung bertragene Dehnung bei 98 5 Im Vergleich dazu wird auf einen FBG Dehnungssensor ohne effektive Klebstoffbreite Modell A siehe Che05 und Ste05 an dieser Stelle eine Dehnung von 99 9 bertragen D h die Scherspannung die auf den Klebstoff wirkt ist in Modell A wesentlich kleiner als die Scherspannung in Modell B bei einem halbeingebetteten Sensor F r eine g nstige Dehnungs bertragung sind also die Verklebungsl nge die Klebstoffschichtdicke und der Klebstoff ber hang so zu w hlen dass diese in Kombination die Dehnung des Bauteils optimal an den Sen sor transferieren Ein weiterer Parameter der bei diesem Dehnungs bertragungsmodell variiert werden kann ist der Elastizit tsmodul und damit der Schubmodul G des Klebstoffs Bei einer nderung des E Moduls des Klebstoffs zwischen 250 MPa und 20 GPa bei einer angenomme nen Klebstoffschichtdicke von 15 um ergab sich jedoch keine signifikante nderung der Deh nungs bertragung ber die Verklebungsl
24. der Dehnung des Substrats und der Faser f r unterschiedliche Verklebungslangen bestimmen Abb 17 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 Dehnungsibertragungsrate amp s in xin mm Abb 17 Darstellung der berechneten Dehnungs bertragungsrate bei verschiedenen Verklebungsl ngen des FBG Dehnungssensors Es ist aus Abb 17 zu erkennen dass bei FBG Dehnungssensoren die eine physische L nge von 10 mm haben mindestens eine Verklebungsl nge von 30 mm gew hlt werden muss um 32 BAM Dissertationsreihe I Einleitung und Grundlagen im Bereich des FBG eine Dehnungs bertragungsrate von 99 zu erreichen Allgemein muss also die Verklebungsl nge des FBG so gew hlt werden dass ber die gesamte L nge des FBG eine homogene Eintragung der Dehnung stattfindet W hlt man die Verklebungsl nge zu kurz so hat man bereits ber der L nge des FBG Sensors eine nicht homogene Dehnungsver teilung die die Dehnungs bertragung ver ndert und zu Verzerrungen im spektralen Antwort signal des FBG Sensors f hren Es ist auch zu beachten dass bei erh hten Temperaturen die Verklebungsl nge gr er gew hlt werden muss da sich die Bereiche der innomogenen Deh nungseintragung deutlich vergr ern Bei einer Verklebungsl nge von L 60 mm und einer nderung der Klebstoffschichtdicke h nach Berechnung Modell A ist in Abb 18 der Einfluss auf die Dehnungs bertragungsrate bei ansonsten konstanten Paramet
25. des Coatings gleichm ige und homogene Faserummantelung die keine berg nge oder unter schiedliche Schichtdicken besitzt Typische Schichtdicken von Coatings liegen je nach deren Art im Bereich von 10 um bis 125 um wie in Abb 2 Kapitel 1 2 2 1 dargestellt Die Dehnungs bertragung von einem Messobjekt auf einen FBG Sensor durch das Coa ting muss m glichst verlustfrei erfolgen Ans tze einer Modifikation des Coatings zur Optimie rung der Dehnungs bertragung sind in Hab03 zu finden Dort wurde ein Plasmapolymer Coating zur Verbesserung der Haftung zwischen dem faseroptischen Sensor und einer Ze mentsteinmatrix entwickelt F r die Schadensanalyse ist beispielsweise der Einfluss des Coa tings von integrierten FBG Sensoren in Faserverbundwerkstoffen untersucht worden Oka02 18 BAM Dissertationsreihe I Einleitung und Grundlagen Dabei wurde experimentell nachgewiesen dass ein mit Polyimid gecoateter und ein ungecoa teter FBG Sensor Risse quer verlaufend zu den Verst rkungsfasern gut detektieren k nnen Zur Verbesserung der Temperaturempfindlichkeit von FBG Sensoren bei kryogenen Tempera turen und um FBG Sensoren an Messobjekte zu verschwei en im Gegensatz zum Kleben oder in Metallen einzubetten wurden auch metallische Coatings entwickelt und untersucht Lup05 Xie07 Der Fokus der Untersuchungen lag jedoch auf der Temperaturempfindlichkeit der metallischen Coatings z B Nickel Kupfer oder Aluminium die ber die
26. eg in Faserrichtung auf das FBG so sind die Scherungskomponenten e amp amp im Dehnungstensor Exx El Ly yy XX Ey Ex E Een bade 18 7 yx yy ye 2 8 Gy zx Ezy z 2 8 Es 2 Exy E6 gleich Null 13 I Einleitung und Grundlagen Der Zusammenhang zwischen den Transversalkomponenten des Tensors und eg ist ber die Querkontraktionszahl v gegeben und ergibt sich zu Vv e F r die nderung der Gitterperiode A in Abh ngigkeit von e gilt Ale A A 8 Die nderung des mittleren effektiven Brechungsindex ist f r die Polarisation in x und y Rich tung siehe dazu Abb 5 gleich und uber die Photoelastizitat Pockel Koeffizienten siehe An hang Kapitel A 4 mit der Dehnung folgenderma en verkn pft Ste97 os ni e e Ant 7 P83 pa Py 2 Pu Ymax 9 et My ates Paap An 1 P amp 3 Pa Py a 2 gt 2 Eig 10 Dabei bezeichnen n und n lt den mittleren effektiven Brechungsindex in x und y Richtung n ist der effektive Brechungsindex im unbelasteten Zustand und p und p sind die Po ckel Koeffizienten der Faser y bezeichnet die maximale Schubdehnung senkrecht zur Fa serachse Gilt y 0 so h ngt eine nderung des Brechungsindexes nicht mehr von der Polarisationsrichtung ab und f r den mittleren effektiven Brechungsindex gilt Ann Ant Ans i 11 Daraus ergibt sich mit GI 9 und 10 und aus amp V e
27. entwickeln um die Dehnungs bertragung vom Messobjekt auf den Sensor zuverl ssig zu beschreiben Dabei werden ausschlie lich Sensoranbindungen durch Klebung an die Messobjektoberfl che be trachtet Im Rahmen eines gemeinschaftlichen Forschungsprojekts mit der Firma EADS Innovati on Works IW in Ottobrunn wurden verschiedene neue Konzepte erarbeitet und die Grundla gen zu einer Optimierung der Sensoranbindung an das Messobjekt gelegt Die so gewonnenen Erkenntnisse wurden zur Entwicklung einer Validierungsmethodik und zum Aufbau eines Pr f platzes f r oberfl chenapplizierte FBG Dehnungssensoren eingesetzt 1 1 4 Aufbau der Arbeit Diese Arbeit gliedert sich in sechs gro e Abschnitte Abschnitt besch ftigt sich mit den theore tischen und messtechnischen Grundlagen In Abschnitt II wird die Charakterisierung der auf die Dehnungs bertragung ma geblich Einfluss nehmenden Parameter darunter Last Temperatur und Feuchte eingegangen Auch die Bestimmung der mechanischen Parameter der Klebstoffe ist in diesem Abschnitt beschrieben Abschnitt III beinhaltet die Beschreibung der angewende ten Messmethodik und der ausgew hlten Referenzverfahren Der in dieser Arbeit aufgebaute Messplatz wird dargestellt und die Grundlagen f r eine Charakterisierung des Pr fverfahrens werden beschrieben Der darauf folgende Abschnitt IV stellt die Entwicklung und Bewertung eines bauteilspezifischen FBG Dehnungssensors in Form eines Patches dar In Abschni
28. ersten Messungen mit dem ESPI System an der Belas tungseinrichtung als zu schwingungsempfindlich herausgestellt und wird daher ersetzt Notwendige weitere konstruktive schwingungsminimierende MaB nahmen wie die Versteifung der Temperaturkammerf hrung und das Erset zen des Schlie mechanismus der Kammer sind in Planung Die Quantifizierung der spezifischen spektral optischen Ph nomene w hrend der Dehnungs bertragung k nnen mit dem zurzeit an der Anlage eingesetzten Interrogator und dem OSA nur unzureichend beschrieben werden F r die Pr fanlage ist der Einsatz eines Optical Backscatter Reflectometer OBR vor gesehen Das Messger t arbeitet auf Basis der Rayleigh R ckstreuung in Single Mode Glasfasern und ist hnlich einem optischen Frequenzbereich reflektometer aufgebaut Die Aufl sung des Ger ts betr gt 10 um auf 30 m Messl nge bzw 0 02 pm in der Wellenl nge Dabei ist eine Analyse des spektralen Antwortsignals sowohl bezogen auf die physische rtliche Aus dehnung des Sensorelements als auch im Frequenzbereich m glich Somit k nnen verschiedene Applizierungsmethoden der FBG Dehnungssensoren und ihr Einfluss auf das spektrale Antwortsignal ber die L nge der Verkle bung analysiert und verbessert werden F r die Optimierung von Applizierun gen und die Charakterisierung integrierter Sensorik im Hinblick auf das Ant wortsignal der FBG Dehnungssensoren ist dieses Messger t ein wertvoller Bestandteil der Pr feinrichtung
29. in Abh ngigkeit von der Zeit auch die mechanischen Parameter des Klebstoffs Da von vielen Klebstoffherstellern keine oder nur unzureichende Angaben ber das thermische Verhalten der Klebstoffe und der Aush rtungsprozesse gemacht werden ist es von prinzipieller Bedeutung f r die Bestimmung des Dehnungs bertragungsverhaltens der hier ausgew hlte Klebstoffe experimentell verifizierte Erkenntnisse zu erlangen Hierf r wurde zu n chst von vier verschiedenen Klebstoffen der thermische Ausdehnungskoeffizient im Folgen den abgek rzt mit der englischen Bezeichnung CTE Coefficient of Thermal Expansion be stimmt F r zwei Klebstoffe war dieser vom Hersteller bekannt gegeben worden w hrend er bei den anderen beiden Klebstoffen nur experimentell ermittelt werden konnte 47 Il Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung Zur experimentellen Bestimmung des CTE wurd das digitale 3D Bildkorrelationsverfahren Q400 der Firma Dantec Dynamics eingesetzt Das Messprinzip des Q400 basiert auf der Bilderfassung mit einer Stereo Kamera Anordnung Ein Bildkorrelations Algorithmus bestimmt die Verschiebung und Verformung von zuvor festgelegten Facetten in Relation zu einem Referenzbild des Objekts im unverformten Zustand Daraus k nnen dann die Dehnungen mit einer Aufl sung von 1 100 Pixel errechnet werden Bei dem hierf r aufge bauten Messplatz wurden die Klebstoffproben auf einer verschlie baren Heizplatte positionie
30. lassen sich allerdings nicht auf andere Oberfl chenzu 38 BAM Dissertationsreihe I Einleitung und Grundlagen st nde der Bauteile oder Klebungsdimensionen umrechnen Vom Deutschen Institut f r Nor mung e V werden die meisten Pr fverfahren zur Ermittlung von Klebstoffkennwerten f r ver schiedene Klebverbindungen als DIN Normen z B DIN69 DIN55 DIN56 herausgege ben Das Langzeitverhalten von Klebverbindungen muss ebenfalls im Einzelfall gepr ft wer den da Klebstoffe ohne Lasteinwirkung durch nderung der Umgebungsbedingungen eben falls ihre Eigenschaften ndern k nnen Zur Bestimmung des Langzeitverhaltens werden ver schiedene Alterungssimulationen durchgef hrt Dazu geh ren Klimawechseltests Salzspr h tests und der Freibewitterungstest Korrosions Feuchtigkeits und Temperaturwechsel belastung Aufgrund der Vielzahl der zu untersuchenden und Einfluss nehmenden Parameter auf die nderung der Anfangsfestigkeit der Klebverbindung in Abh ngigkeit von der Oberfla chenvorbehandlung ist auch beim Langzeitverhalten keine globale Aussage f r verschiedene Klebverbindungen m glich Prinzipiell ist einer der gr ten Sch digungsmechanismen in Klebungen die das Lang zeitverhalten beeinflussen die Feuchte Es muss beachtet werden dass durch das Eindringen von Feuchte zur Klebverbindung eine Plastifizierung des Klebstoffs erfolgt Des Weiteren kann es durch Feuchte zur Abl sung des Klebstoffs von der Bauteilober
31. of plane Beleuchtung gemessen werden Dabei wird das Messobjekt mit einem Objektstrahl betrachtet der mit einem internen Referenzstrahl verglichen wird wie in Abb 41 dargestellt 79 Ill Validierungsmessplatz KALFOS Referenzstrahl Abb 41 Out of plane Beleuchtung eines Messobjekts O ist die Wellenfront des Objektstrahls der mit dem internen Referenz strahl verglichen wird Der Empfindlichkeitsvektor steht senkrecht auf der Messobjektoberfl che w hrend der Verschiebungs vektor V die Richtung der Deformation anzeigt Bildquelle Firma Dantec Dynamics Inc Bei der Out of plane Beleuchtung funktioniert das ESPI Verfahren wie ein Interferometer bei dem die Phasenverschiebung zwischen einem Objektstrahl und einem Referenzstrahl berech net wird Der Empfindlichkeitsvektor steht dabei senkrecht zur Messobjektoberfl che d h nur der Anteil der Verschiebungs nderung in der Messfl chenebene f hrt zu einer Phasen nde rung im detektierten Licht Bei einer Messung wird zun chst ein Referenzbild aufgenommen Daf r wird die Oberfla che des Messobjekts aus verschiedenen Raumrichtungen horizontal und vertikal nacheinan der beleuchtet Nach Deformation des Messobjekts wird ein weiteres Bild aufgenommen Durch Subtraktion der beiden Intensit ten des Referenzbildes und des aktuellen Bildes voneinander erh lt man eine Phasenverschiebung die sich in Form von schwarzen H henlinien speckle correlation fringes im Differenzenbi
32. sich mit GI 28 GI 29 f r e aufstellen 29 I Einleitung und Grundlagen id ui Us Uy E Es Ger 29 Nutzt man den Zusammenhang zwischen Dehnung und Verschiebung wie in GI 21 und 22 definiert so kann man GI 29 mit diesen Definitionen wie folgt schreiben Eyes x 9 e 30 Mit GI 30 ergibt sich ein Zusammenhang zwischen der Dehnung des Substrats und der Deh nung der Faser Dieselbe Umformung kann nach Ableitung von GI 27 und eingesetzt in Gl 25 mit folgendem Ergebnis durchgef hrt werden ee Ep Ep x G P 31 K IF Setzt man auch hier aus Gl 21 und GI 22 den Zusammenhang zwischen der Dehnung und der Verschiebung ein so ergibt sich eine Abh ngigkeit zwischen der Dehnung der Faser und der aufgebrachten Dehnung im Substrat wie in GI 25 dargestellt n G Esce x 5 6s 6r 32 K F Um nun den Dehnungsverlauf in der Faser zu berechnen muss GI 32 in GI 33 umgeformt werden Bp Ge a i E d OO Bd Fax Tp FF aK Tp 33 k2 k Der Term GI E dy t wird zur weiteren Vereinfachung als Faktor k bezeichnet Damit ergibt sich GI 33 zu einer Differentialgleichung 2 Ordnung A x k e x k s 34 Die L sung von Gl 34 ergibt sich zu eplx Ce C e e 35 Die Konstanten in Gl 35 k nnen mit Hilfe der Randbedingungen bestimmt werden F r die erste Randbedingung wird angenommen dass die Dehnung i
33. 0 02 04 06 08 10 142 14 Dehnung ein mm m relative Bragg Wellenl ngen nderung AA A in mm m Abb 38 Bestimmung des Dehnungs bertragungskoeffizienten in Abh ngigkeit der Bragg Wellenl nge von der Dehnung des Mess objekts also der Aluminiumoberfl che ermittelt mit der 3D Stereokorrelation Der Dehnungs bertragungskoeffizient betr gt 0 60 75 Ill Validierungsmessplatz KALFOS Bestimmt man f r die Probe aus Abb 36 und 37 aus der Wellenl ngen nderung des FBG Dehnungssensors in Abh ngigkeit von der Dehnung des Messobjekts ermittelt mit 3D Stereokorrelation den Dehnungs bertragungskoeffizienten so ergibt sich dieser zu K 0 60 wie in Abb 38 dargestellt Dies ist ein sehr niedriger Wert und spiegelt das schlechte Deh nungs bertragungsverhalten dieser Messstelle wieder was zuvor schon visuell in Falschfarbe Abb 37 dargestellt wurde Im Anhang im Kapitel A 2 sind die Dehnungs bertragungskoeffi zienten in Abh ngigkeit des DMS und der 3D Stereokorrelation f r die hier untersuchten Pro ben dargestellt Die hier durchgef hrten Untersuchungen bei gleichzeitiger Erfassung der Dehnung von Messobjekten mit drei verschiedenen Verfahren DMS FBG Dehnungssensoren und 3D Stereokorrelation gestatten auch einen direkten Vergleich zwischen DMS und 3D Stereokorrelation In Abb 39 ist die Dehnung der Messobjektoberfl che gemessen mit der 3D Stereokorrelation in Abh ngigkeit von der Dehnung des DMS aufgetragen worden Au
34. 00 Kraft Fin N Abb 53 Vergleich der Dehnungen zwischen Probe Klebstoff und FBG Die gute Dehnungs bertragung zwischen Probe und FBG kann auch mit der aus der Wellen l ngen nderung ermittelten Dehnung mit der aus der 3D Stereokorrelation ermittelten Proben dehnung korreliert werden Der so ermittelte Dehnungs bertragungskoeffizient f r die drei ap plizierten FBG Sensoren mit Ormocer Coating betr gt 0 780 0 009 93 Ill Validierungsmessplatz KALFOS 111 2 Charakterisierung der Pr feinrichtung Zur Charakterisierung der Pr feinrichtung und damit zur Bestimmung der Eignung dieser Messmethodik geh rt die Ermittlung aller auf die Messgr e Einfluss nehmenden Messunsi cherheiten Die hier angewandte Messmethodik zur Bestimmung der Dehnungs bertragung ist der Vergleich der gemessenen Wellenl ngen nderung eines auf einem belasteten Messobjekt applizierten FBG Dehnungssensors mit der gemessenen Dehnung des Messobjekts durch das 3D Stereokorrelations Verfahren Die Messgr en sind somit die Bragg Wellenl nge und die Dehnung der Messobjektoberfl che detektiert mit der 3D Stereokorrelation An dieser Stelle sei darauf hingewiesen dass das ESPI Verfahren das der Validierung zugrunde gelegte Refe renzverfahren ist das an der Anlage genutzt werden soll Der immense Programmieraufwand des ESPI Sensorkopfes macht eine zeitnahe Anwendung des Systems jedoch nicht m glich so dass zun chst die Pr feinrichtung mit der 3D Ster
35. 132 Pockel Koeffizienten 4204044244004444n0nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn 135 LO DOMSIAUT wa rscdisas vice cuecuadacaivcdetenstvadssaaddecacanteadsuaadduascnanvadasuccdbavcasteseeduasvdcduascediecudevan 137 I Einleitung und Grundlagen l Einleitung und Grundlagen Faseroptische Messtechnik wird aufgrund einer Vielzahl von Vorteilen bereits in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt Dabei zeichnen sich faseroptische Sensoren gegen ber konventi oneller Messtechnik durch Charakteristika wie z B Immunit t gegen ber elektromagnetischen Feldern aus Zudem k nnen faseroptische Sensoren in Glasfasern bei hohen thermischen Be anspruchungen bis ca 700 C eingesetzt werden und sind sowohl f r die Oberfl chenappli zierung als auch die Integration in Verbundwerkstoffen geeignet Neben ihrer kleinen Geomet rie haben diese optischen Sensoren den Vorteil dass mehrere Sensoren basierend auf unter schiedlichen Funktionsprinzipien gleichzeitig aus einer optischen Faser ausgelesen werden k nnen multiplexen Dies macht optische Sensoren f r bestimmte Industriezweige z B die Luft und Raumfahrtindustrie die Medizintechnik oder den Ingenieurbau attraktiv Damit die faseroptische Messtechnik ihre enormen Vorteile gegen ber konventioneller etablierter Messtechnik ausspielen kann muss zum einen von den Herstellern und Anbietern die Kommerzialisierung und Verbreitung durch Fortentwicklung der Technik und Senk
36. 1517 Epoxidharz UV Klebstoff Loctite Hysol 3430 2K Epoxidharz Konstruktionsklebstoff Epo Tek 353 ND 2K Epoxidharz Klebstoff f r optische Bauteile RS 920 Epoxidharz metallgef llt Konstruktionsklebstoff Loctite 147 2K Epoxidharz metallgef llt Konstruktionsklebstoff Devcon Titanium Steel 2K Epoxidharz metallgef llt Konstruktionsklebstoff Loctite Hysol 3450 2K Epoxidharz metallgef llt Konstruktionsklebstoff Araldite 2022 Methylmethacrylat GFK Klebstoff Weicon Easy Mix 2K Epoxidharz Konstruktionsklebstoff M Bond 200 2K Epoxidharz DMS Klebstoff M Bond AE 10 2K Epoxidharz DMS Klebstoff Z70 Cyanacrylat DMS Klebstoff Kyowa CC 33A Cyanacrylat DMS Klebstoff X60 Methylmethacrylat DMS Klebstoff Loctite 401 Cyanacrylat Schnellklebstoff Loctite 456 Cyanacrylat Schnellklebstoff Weicon RK 1500 2K Epoxidharz Konstruktionsklebstoff Tabelle 1 Aufstellung der f r diese Arbeit ausgew hlten und angewendeten Klebstoffe 43 II Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung 11 1 1 Bestimmung des E Moduls In Anlehnung an das in Abschnitt I Kapitel 2 3 erl uterte Dehnungs bertragungsmodell f r oberfl chenapplizierte FBG Sensoren ist f r eine Berechnung des Dehnungs bertragungs koeffizienten nach Gl 42 erla e Jae mit k ee sinh kL En dy Np die Kenntnis des Schubmoduls G des K
37. 3 Abb 11 Vereinfachte Darstellung einer applizierten optischen Faser auf einem Messobjekt Substrat Der Durchmesser der Faser ist mit d die Klebstoffschichtdicke mit dg und die Dicke des Substrats mit dy bezeichnet uennermernensnnsnnnnennnnn nun nnnnnnnnnennnn 26 Abb 12 Darstellung von Modell A zur Berechnung der effektiven Klebstoffschichtdicke 27 Abb 13 Berechnung der effektiven Klebstoffschichtdicke nach Modell B mit Klebstoff berh ng r 22 2 as AAS AA a iaaa are aaa ie ibaian aaia 27 Abb 14 Schematische stark vereinfachte Darstellung der Verschiebungen zwischen Substrat Klebstoff und Fasel cccccccesceceeeeeeeeeeeeeeeceeeeeceaeeceaeeeeecessaceseaceseaeeseaeeseaeeeeaeeseaeees 28 Abb 15 Schematische Darstellung der Spannungen und Kr fte am Substrat 28 Abb 16 Schematische Darstellung der Spannungen und Kr fte an der Faser 29 Abb 17 Darstellung der berechneten Dehnungs bertragungsrate bei verschiedenen Verklebungsl ngen des FBG Dehnungssensors 44044440444400nnnnonnnnonnnnnnnennnnennnnennnnannen 32 Abb 18 Berechneter Einfluss der Klebstoffschichtdicke auf die Dehnungs bertragungsrate bei einer Verklebungsl nge von L 60 mm nueeenenneenn 33 Abb 19 Berechneter Einfluss des Klebstoff berhangs auf die Dehnungs bertragungsrate bei Verklebung Von L 60 mM usssmnennsnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn
38. 3 00 04 00 05 00 06 00 Zeit in hh mm Abb 57 nderung der Bragg Wellenl nge ber der Zeit bei 10 Belastungsstufen 4 50 N Die Bezugs Bragg Wellenl nge ohne Belastung betr gt 1550 99 nm Nach der Belastung hat sich die Bezugs Bragg Wellenl nge auf 1551 157 nm erh ht Die Kraftstufen wurden jeweils 15 min gehalten Deutlich ist zu erkennen wie sich bei konstan ter Belastung die Bragg Wellenl nge des Patches in den einzelnen Stufen ver nderte Bei ei ner Belastung von 0 5 KN kriecht das Patch bereits um 40 pm In dem in Abb 57 rot eingekreis ten Bereich findet ein deutlicher Sprung in der Bragg Wellenl nge zu einer zweiten Wellenl n ge statt die zus tzlich aufgrund der St rung des reflektierten Spektrums entsteht Das reflek tierte Spektrum hat sich mit zunehmender Belastung derart ver ndert dass ein Nebenmaxi mum stark angestiegen ist Der Auswertealgorithmus der Bragg Wellenl nge interpretiert dabei teilweise dieses Nebenmaximum als eigentliche Bragg Wellenl nge was zu Fehlern in der Analyse des Spektrums f hrt Dieses Ph nomen tritt aufgrund der ung nstigen Einbettung des FBG im Patch auf Offenbar wurden durch den Herstellungsprozess des Patches bereits Mik robiegungen und gro e Querkr fte in die optische Faser eingetragen Durch eine nderung der Patchkonstruktion konnte dieses Verhalten verbessert werden Dabei wurden zwei 105 IV FBG Dehnungssensoren als Patches Patchh lften zwischen denen der FBG Dehnu
39. 37 I Einleitung und Grundlagen bindungen zu finden End80 Sch04 Fau77 Die Grundlagen f r eine optimale Haftung des Klebstoffs am Bauteil bestimmen sp ter weitestgehend die Beanspruchbarkeit und die zuver l ssige Funktion der Klebverbindung Dazu geh rt in erster Linie die Vorbehandlung der Ober fl chen der zu verklebenden Bauteile Ziel der Oberfl chenvorbehandlung beim Verkleben einer optischen Faser an ein Bauteil ist es die Oberfl che f r den Klebstoff zu aktivieren Dabei sind in mehreren Arbeitsschritten verschiedene Abl ufe durchzuf hren Die Oberfl che muss zun chst vorbereitet werden in dem sie ges ubert und entfettet wird Danach findet die eigentliche Oberfl chenvorbehandlung statt Dabei wird die Oberfl che entweder mechanisch oder chemisch bearbeitet Bei der me chanischen Vorbehandlung wird die Oberfl che beispielsweise durch Schleifen aufgeraut Bei der chemischen Vorbehandlung werden Oxidschichten auf Metallen z B durch Beizen abge tragen Ziel der Vorbehandlung ist es die wahre Kontaktfl che zwischen Klebstoff und Oberfla che zu vergr ern Da die Oberfl che mit fortschreitender Zeit inaktiver wird ist das Auftragen von Haftvermittlern vor der Klebung wichtig Die Klebung selbst sollte m glichst z gig nach der Oberfl chenvorbehandlung erfolgen Hau02 Grundlegende Arbeiten zur Verbesserung von Benetzbarkeit und Haftung an optischen Fasern sind bereits in Hab03 dargestellt Die Qualit t
40. 57 Il Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung 11 4 Ermittlung des Dehnungs bertragungskoeffizienten unter statischer Belastung Zur experimentellen Charakterisierung der Einfl sse auf die Dehnungs bertragung vom Bauteil auf den FBG Dehnungssensor wurden Zugversuche durchgef hrt Dabei wurden zun chst nur Aluminiumproben wie sie im Luftfahrtbereich Anwendung finden als Messobjekte verwendet Um eine Wiederholbarkeit der Messungen sicherzustellen wurden die Proben nur im elasti schen Bereich bis 70 der Dehngrenze Rpo 2 des Werkstoffs beansprucht Das wichtigste Kri terium f r den Einsatz der Klebstoffe ist die zuverl ssige Dehnungs bertragung im zu betrach tenden Temperaturbereich von 60 C bis 80 C Dieser Temperaturbereich entspricht den extremen Anforderungen der Luftfahrtindustrie Bei den durchgef hrten Untersuchungen wur den statische Lasten aufgebracht und die Temperaturen gleichzeitig systematisch ver ndert Untersucht wurde dabei das Verhalten von FBG Sensoren mit Acrylat und Ormocer Coating sowie Fasern ohne Coating um den zus tzlichen Einfluss des Coatings auf die Dehnungs ber tragung zu analysieren Neben den Sensor Coatings und den Klebstoffen wurde auch die punktuelle Anbindung bzw die vollfl chige Applizierung der Sensoren hinsichtlich der Deh nungs bertragung untersucht F r diese statischen Versuche wurden DMS zur Referenzierung genutzt Eine Referenzierung mit DMS od
41. Alterungseinflusses auf die statische Langzeitstabilit t von faser optischen Sensoren Bestimmung von Werkstoffeigenschaften verschiedener Materialien wie E Modul oder thermische Ausdehnungskoeffizienten mit verschiedenen Referenzverfahren Bestimmung von spektral optischen Ph nomenen faseroptischer Sensoren unter sich ndernden Temperatur und Lastbedingungen und eine danach ausgerichtete Optimierung der Signalverarbeitung durch eine zus tzliche Erweiterung der Pr fein richtung siehe Kapitel 11 2 2 Untersuchung und Vergleich der verschiedenen Dehnungsreferenzmethoden bei spielsweise DMS Extensometer 3D Stereokorrelation oder ESPI zueinander um eine optimale R ckf hrung der Methoden zu bestimmen Zum letzten hier aufgef hrten Punkt sind bereits erste Untersuchungen durchgef hrt worden Ziel dieser Untersuchungen war ein direkter Vergleich zwischen DMS und FBG Mit drei gleich artig gefertigten Aluminiumproben auf denen auf der einen Seite ein FBG mit Ormocer Coating daneben ein DMS und auf der anderen Seite ein weiterer DMS appliziert wurden wurden mechanische Belastungsversuche bei Raumtemperatur durchgef hrt Dabei sollte ge kl rt werden ob es einen Dehnungsunterschied aufgrund der Applizierung und des Klebstoffs zwischen FBG und DMS gibt Die aufgebrachten Dehnungen lagen bei maximal 1200 um m Durch diese Versuche war ein direkter Vergleich an drei gleichartigen Proben zwischen FBG DMS und 3D Stereokorrelation m gl
42. Aso Wirkt zusatzlich eine mechanische Belastung bei konstanter Temperatur auf das Messobjekt so l sst sich diese durch die Bragg Wellenl nge skaliert mit dem Dehnungs bertragungskoeffi zienten beschreiben Ay K 52 Der Dehnungs bertragungskoeffizient K ist dabei genau dann von Klebstoff und Coating ab h ngig wenn sich die mechanischen Eigenschaften von Klebstoff und Coating mit der Tempe ratur ndern Dies ist in Abb 30 dem hier angef hrten Beispiel der Fall Bei dem hier genutz ten Klebstoff in Kombination mit diesem Coating erfolgt eine nderung des Dehnungs bertra gungskoeffizienten ber den gesamten Temperaturbereich F r eine Anwendung dieses Kleb stoffs zur Applizierung und Nutzung von FBG Dehnungssensoren in diesem Temperaturbe reich laut Herstellerangaben ist dieser Klebstoff f r diesen Temperaturbereich ausgelegt ist daher die Bestimmung der nderung des Dehnungs bertragungskoeffizienten mit der Tempe ratur durch Kalibrierdiagramme von wesentlicher Bedeutung um die mechanische Dehnung des Messobjekts genau bestimmen zu k nnen Prinzipiell ist f r eine messtechnische Anwen dung genau derjenige Klebstoff geeignet bei dem in den experimentell ermittelten Kalibrierdia grammen keine nderung der Kurvensteigung f r den gesamten Temperaturbereich auftritt Die Notwendigkeit der Kalibrierdiagramme liegt in der experimentellen Bestimmung desjenigen Klebstoffs in Kombination mit einem Coating bei dem der De
43. BG verklebt Wie auch in Abb 32 zu erkennen ist unterscheiden sich punktuell und vollflachig verklebte FBG Dehnungssensoren in ihrem Dehnungs bertragungskoeffizienten kaum wenn sie korrekt appliziert worden sind Bei punktueller Klebung kann es durch falsche Applizierung dazu kom men dass nicht sofort die Verformung des Messobjekts gemessen wird da zun chst erst das punktuell applizierte FBG gespannt werden muss Ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Art der Verklebung punktuell oder vollfl chig und der Gr enordnung des Dehnungs ber tragungskoeffizienten konnte bei den hier durchgef hrten Versuchen nicht festgestellt werden Zur Bestimmung des Dehnungs bertragungskoeffizienten m ssen nach Auswahl von Coating und Klebstoff bei den punktuellen wie auch den vollfl chigen Verklebungen Kalibrierdiagramme ermittelt werden Die Messunsicherheiten der zu ermittelnden Dehnungen aus der Bragg Wellenlange lie gen wie auch bei den Klebstoff Coating Kombinationen vollfl chig verklebter Sensoren im Bereich von 35 um m bis 50 um m Beispielhaft ist die Ausgleichsfunktion eines FBG Sensors mit Acrylat Coating der punktuell mit Loctite 147 verklebt wurde ber acht Pr fzyklen bei 23 C in Abb 32 als rote Kurve dargestellt Die Messunsicherheit dieser Klebstoff Coating Kombination punktuell verklebt betr gt 40 um m Alle ermittelten Dehnungs bertragungskoef fizienten der Klebstoff Coating Kombinationen bei punktueller Klebung sind im A
44. Cladding und Coating dkem 4 um bis 10 um dciadding 125 UM dcoating 150 um bis 250 um Der Fa serkern hat wie in Abb 2 rechts gezeigt einen h heren Brechungsindex nkemn 1 46 bis 1 48 als der Fasermantel nciadding 1 44 bis 1 45 so dass sich in den Faserkern eingekoppeltes Licht durch Totalreflexion an der Grenzfl che von Kern und Cladding im Faserkern ausbreitet Faserkern und Cladding bestehen aus synthetischem verschieden dotiertem Quarzglas w h rend das Coating je nach Anwendung des Lichtwellenleiters aus verschiedenen Materialien bestehen kann Dies ist vor allem bei der Anwendung des Lichtwellenleiters als Sensor relevant vgl Kapitel 1 2 2 4 Coating in der Funktion des Dehnungs bertragers Lichtwellenleiter k nnen als Gradientenindexfasern oder Stufenindexfasern ausgebildet sein Bei Gradientenindexfasern f llt die Brechzahl des Kerns allm hlich ab bis sie die des Claddings erreicht Bei Stufenindexfasern liegt an der Grenze zwischen Kern und Cladding ein Sprung in der Brechzahl vor wie dies auch in Abb 2 dargestellt ist Des Weiteren unterschei det man zwischen Single Mode und Multi Mode Fasern also Lichtwellenleitern in denen sich ausschlie lich die Grundmode des Lichts oder eine Vielzahl von Moden ausbreiten kann Als Mode bezeichnet man die Lichtwelle die sich unter einem bestimmten Eintrittswinkel in einer optischen Faser ausbreiten kann FBG Sensoren werden in der Regel in Single Mode Stufenindexfasern ei
45. Das Messger t muss noch in die Ablaufsteue rung der Pr feinrichtung softwaretechnisch eingebunden werden F r den Einsatz der Pr feinrichtung ist die Entwicklung eines Bezugnormals zur Kalibrierung der Pr feinrichtung bzw die Entwicklung eines Standard Pr fk rpers von zentraler Bedeutung Dies ist f r die R ckf hrbarkeit der Messgr en wichtig Dabei k nnen als Bezugsnormale f r die Messobjekte Zugproben nach DIN Norm eingesetzt werden Die auf die Zugproben appli zierten FBG Dehnungssensoren m ssen ber einen langen Zeitraum mind 5 Jahre ein stabiles Antwortsignal liefern D h f r ein Bezugsnormal muss ei ne nderung der Bragg Wellenl nge aufgrund von Alterung der Sensoren oder des Klebstoffs ber einen definierten Zeitraum durch Pr fung ausge schlossen worden sein Es muss zus tzlich eine Pr fvorschrift entwickelt und in dieser festgehalten werden dass bei einer bestimmten Belastung Kraft Weg und Dehnung eine bestimmte von der 3D Stereokorrelation zu BAM Dissertationsreihe Ill Validierungsmessplatz KALFOS detektierenden Dehnung der Messobjektoberfl che und vom Bezugs FBG Dehnungssensor ein definiertes Antwortsignal zu erwarten ist Mit diesen Be zugsnormalen und einer solchen Pr fvorschrift kann die Pr feinrichtung kalib riert und alle durchgef hrten Untersuchungen auf die Bezugsnormale zur ck gef hrt werden Dies ist ein wesentlicher Bestandteil zum Nachweis der Erf l lung der Validierungs
46. Dipl Ing Vivien Gisela Schluter Entwicklung eines experimentell gestutzten Bewertungsverfahrens zur Optimierung und Charakterisierung der Dehnungs bertragung oberflachenapplizierter Faser Bragg Gitter Sensoren BAM Dissertationsreihe Band 56 Berlin 2010 Die vorliegende Arbeit entstand an der BAM Bundesanstalt f r Materialforschung und pr fung Impressum Entwicklung eines experimentell gest tzten Bewertungsverfahrens zur Optimierung und Charakterisierung der Dehnungs bertragung oberfl chenapplizierter Faser Bragg Gitter Sensoren 2010 Herausgeber BAM Bundesanstalt f r Materialforschung und pr fung Unter den Eichen 87 12205 Berlin Telefon 49 30 8104 0 Telefax 49 30 8112029 E Mail info bam de Internet www bam de Copyright 2010 by BAM Bundesanstalt f r Materialforschung und pr fung Layout BAM Arbeitsgruppe Z 64 ISSN 1613 4249 ISBN 978 3 9813346 7 8 Entwicklung eines experimentell gestutzten Bewertungsverfahrens zur Optimierung und Charakterisierung der Dehnungs bertragung oberflachenapplizierter Faser Bragg Gitter Sensoren vorgelegt von Dipl Ing Vivien Gisela Schl ter von der Fakult t V Verkehrs und Maschinensysteme der Technischen Universit t Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor Ingenieur Dr Ing genehmigte Dissertation Promotionsausschuss Vorsitzender Prof Dr Ing Utz von Wagner 1 Gutachter Prof Dr rer nat Wolfgang H M ller
47. Filterbandbreiten als wellenl ngenkodiertes Signal genutzt w h rend beim TDM Verfahren die unterschiedlichen Laufzeiten des Lichts aufgrund von verschie denen Faserl ngen zwischen FBG und Detektor genutzt werden Beim TDM Verfahren k nnen also alle FBG Sensoren in einer optischen Faser dieselbe Bragg Wellenl nge besitzen da ber die Laufzeit des Lichts die Messstelle gefunden wird und gleichzeitig durch einen Wellen l ngendekoder die Bragg Wellenl ngen nderung ermittelt werden kann Das TDM Verfahren ben tigt zwischen den einzelnen Sensoren eine gewisse L nge an optischer Faser z B 10 m was dieses Verfahren besonders f r Messungen an gro en Bauwerken mit sehr weit entfernten Messstellen pr destiniert Br cken Deiche Die Aufl sung des WDM Verfahrens dagegen liegt wesentlich h her als beim TDM Verfahren und die Sensoren k nnen in sehr kur zen Abst nden einige Zentimeter hintereinander liegen Ein h ufig genutztes Messger t zur Erfassung und Auswertung von FBG Signalen ist der Optische Spektrumanalysator OSA Der Messaufbau mit einem OSA ist schematisch in Abb 9 gezeigt 21 I Einleitung und Grundlagen 2X1 Koppler FBG Lichtquelle Abb 9 Schematische Darstellung einer Messung mit einem OSA Eine Lichtquelle z B LED oder WeiBlichtquelle das FBG und der OSA werden Uber einen 2X1 Koppler miteinander verbunden Je nach Konfiguration kann mit dem OSA so
48. Genauigkeit der 3D Stereokorrelation von der G te der jeweiligen vor der Messung durchgef hrten Kalibrierung und dem Abstand der Kameras vom Messobjekt ab Das mathematische Modell bzw der Fital gorithmus des Messsystems zur Identifikation der Facetten des Strahlengangs und des Signal Rausch Verh ltnisses zu Nachbarfacetten bestimmt im Wesentlichen die Qualit t des Messer gebnisses Das Rauschma kann durch die Wahl der Facetten und Maskierungen beeinflusst werden und ist somit von der individuellen Pr faufgabe und dem Messobjekt abh ngig 1 2 2 _ Optimierung des Messplatzes Aus den schon durchgef hrten Untersuchungen zur Charakterisierung des Messplatzes erge ben sich im Folgenden wichtige Punkte zur Optimierung des Messplatzes Die einzelnen Opti mierungspunkte sind hier kurz erl utert Fur die Messungen mit dem 3D Stereokorrelations Verfahren muss der kon struierte Kalibrierk rper f r die Temperaturkammer gefertigt und erprobt wer den der das ffnen der Kammert r w hrend Temperaturtests und das manu elle Drehen des Kalibrierk rpers vermeidet so dass das eingestellte thermi sche Gleichgewicht f r die Messungen nicht gest rt wird Fur die Nutzung des hochempfindlichen ESPI Systems zur Referenzierung ist eine Verbesserung der Mitf hrung des ESPI Sensorkopfs bzw eine 97 Ill Validierungsmessplatz KALFOS 98 Neukonstruktion der Sensorkopfaufhangung in Planung Die Sensorkopfauf h ngung hat sich bei
49. Messger t ermittelt da diese nicht die M glich keit haben direkt die nderung des Brechungsindexes zu messen Die Bezugs Bragg Wellenl nge A wird abh ngig von der Messaufgabe als die Bragg Wellenl nge beim Null punkt der Messung definiert Als Grund Bragg Wellenlange Ao wird des Weiteren in dieser Arbeit diejenige Bragg Wellenl nge des Sensors definiert die bei Normklima ohne mechani sche Belastung vom Messger t angezeigt wird Die Kenntnis der Grund Bragg Wellenl nge ist f r die Erstellung von Kalibrierkurven notwendig Eine m glichst genaue Bestimmung der Bragg Wellenl nge ist notwendig da in ihr die wichtigen Informationen ber eine Temperatur und Dehnungs nderung enthalten sind Der Anwender muss weiterhin beachten dass das optische Messsystem durch seine Komponenten z B Rauschanteile durch Analog Digital wandler oder Abtastfehler Langzeitstabilit t und Wiederholgenauigkeit auch das zu ermitteln de Antwortsignal des FBG beeinflusst Sowohl in der Hardware als auch in der Softwareentwicklung von FBG Messsystemen zur kommerziellen Nutzung und weiteren Verbreitung dieser Technik liegt enormes Entwick lungspotential F r den Anwender soll hnlich der DMS Messtechnik ein Messverfahren vor liegen das anwendungsorientiert genutzt werden kann ohne dass tiefere Kenntnisse kompli zierter optischer Messprinzipien erforderlich sind Es ist ebenso wichtig dass sowohl Mess technik als auch Sensorik aufeinander abgestimmt s
50. Stereokorrelation aufgespr hten typischen schwarz wei en fleckenartigen Muster 86 BAM Dissertationsreihe Ill Validierungsmessplatz KALFOS Entkoppelte Steuer einheiten Pr fplatz ARAMIS System Sensorkopf aufhangung Abb 47 KALFOS Aufbau mit 3D Stereokorrelation als Referenzverfahren FBG Dehnungs Sensoren im Messfeld Messobjekt Abb 48 Eingespanntes Messobjekt in KALFOS Zu erkennen ist das schwarz wei e fleckenartige Muster das das Messfeld markiert Auf dem Messobjekt sind drei FBG Dehnungssensoren appliziert Im Hintergrund ist ein Teil der Temperaturkammer zu erkennen 87 Ill Validierungsmessplatz KALFOS 11 1 3 Datenverarbeitung und Programmierung Zum Auslesen der FBG Dehnungssensoren aus dem Interrogator ist ein Programm auf Basis des Befehlsdatensatzes der Firma Micron Optics Inc in LabView erstellt worden Andere Messsysteme wie der Messverst rker f r DMS sind ebenfalls in dieses Programm eingebun den und k nnen ausgelesen werden so dass eine aufwendige Synchronisation von Messda tens tzen im Nachhinein entf llt Dieses Programm ist als Grundprogramm zu verstehen das an die jeweilige Messaufgabe angepasst und optimiert werden kann Die Steuerung der Pr feinrichtung KALFOS mit Temperaturkammer und ESPI System erfolgt auf Basis des Programms testXpert Il Zun chst wird die gew nschte Temperatur angefahren und gewartet bis das thermische Gleichgewicht in der Temperaturkammer e
51. ahren Probendehnung ARAMIS 2 DMS Dehnung 1 0 0 8 0 6 0 4 Dehnung ein mm m 0 2 004 Pe Probe 1 3 bei 23 C 0 2 i 0 2000 4000 6000 8000 10000 Kraft F in N Abb 51 Vergleich zwischen der mit der 3D Stereokorrelation ermittelten Probendehnung und der Dehnung der DMS Dargestellt sind die Messergebnisse aller drei Proben Obwohl aus Abb 51 hervorgeht dass die DMS der Dehnung der Proben folgen konnte bei einer Probe festgestellt werden dass der DMS sich von der Probe zu l sen beginnt In Abb 52 sind das Verschiebungsfeld dieses DMS und die Verschiebungen an den Schnitten dargestellt Deutlich ist zu erkennen dass auf die linke obere Ecke des DMS nicht die vollst ndige Deh nung bertragen wird 91 Ill Validierungsmessplatz KALFOS Verschiebung Y Schnitt 0 um Abl sen des DMS Schnitt 4 Schnitt 3 Schnitt 2 Schnitt 1 23 0 20 0 22 0 180 175 15 0 gt 12 0 15 0 2 90 5 9 60 12 5 Y 30 er 10 0 0 05 T T T T T T T T T 2 4 6 8 10 12 14 16 1819 Schnittl nge mm 75 5 0 25 0 0 Probe Abb 52 Verschiebungsfeld des DMS und der Probe Auf den DMS wird bei erh hter Last in der linken oberen Ecke nicht die vollst ndige Dehnung bertragen Vermutlich l st sich der DMS von der Probe In der Schnittdarstellung zeigt sich dieses Verhalten durch ein Absinken der Verschiebung in Schni
52. anzen durch chemische Grenzfl chenreaktionen Dabei muss eine genaue Analyse der jeweils eingegangen chemischen Bindungen unter Betrachtung aller rele vanten chemischen Aspekte im Einzelfall gekl rt werden 35 I Einleitung und Grundlagen An dieser Stelle sei zur Adh sion gesagt dass ein Klebstoff sich aus einem fl ssigen Zustand in einen festen Zustand wandelt und in diesem Zustand Kr fte zwischen den Festk r pern bertr gt Durch den Grenzfl chenkontakt dieser Festk rper bedarf es zur Adh sion einer Widerstandskraft die der Kraft die notwendig ist um den Grenzfl chenkontakt zu zerst ren entgegen wirkt Ric04 1 2 4 2 bersicht ber Klebstoffe und Primer Klebstoffe lassen sich nach der Art der Aush rtung des Basisharzes oder der Klebstoffart in verschiedene Klassen einteilen In vielen Literaturquellen Bro05 Mic69 wird auf die genaue Klassifizierung eingegangen Eine Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Aush rtungsmecha nismus ist in Abb 20 dargestellt Klebstoffe Abb 20 Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Aush rtungsmechanismus F r einige dieser Aushartungsmechanismen sind in Tabelle 1 Kapitel II 1 die in dieser Arbeit relevanten Klebstoffe dargestellt Sogenannte Primer sind nicht in der Einteilung der Klebstoffe genannt k nnen diesen aber chemisch hneln Primer sind verd nnte Polymerl sungen die der Verbesserung der Ad h sion zwischen Klebstoff und Ober
53. arz wei es Muster aus Lack aufgespr ht und f r das Kamerasystem vermessbar Zun chst wird ein Referenzbild aufgenommen Die Oberfl chen struktur des Messobjekts wird dabei in Facetten einer bestimmten definierbaren Pixelgr e unterteilt Eine Facette ist ein Feld bestehend aus einer Anzahl von Pixeln wobei die Matrix der Pixel Grauwerte eine eindeutige Identifikation jeder Facette darstellt Diesen Facetten werden dann 3D Koordinaten in einer Tangentialebene zur Oberfl che des Messobjekts zugeordnet Durch einen digitalen Bildkorrelationsalgorithmus werden die Matrizen der Pixelgrauwerte der einzelnen Facetten im Referenzbild mit den Facetten im Bild des unter Belastung verformten Bauteils korreliert so dass daraus f r die 3D Koordinaten der Facetten die horizontalen und vertikalen Verschiebungen errechnet werden k nnen Zur Bestimmung der Dehnung wird dann f r eine Facette in Relation zu ihren acht benachbarten Facetten sog 3 x 3 Facettenfeld aus 70 BAM Dissertationsreihe Ill Validierungsmessplatz KALFOS den Verschiebungen die Dehnung in der jeweiligen Tangentialebene der Facette berechnet So k nnen dann aus den Verformungen des Messobjekts im Vergleich zum Referenzzustand Dehnungen errechnet werden Ara09 Mit diesem Verfahren sind je nach verf gbaren Kame ras sowohl statische als auch dynamische Belastungsmessungen m glich Vor jeder Messung muss eine Kalibrierung des Systems durchgef hrt werden Daf r gibt es speziel
54. aser wird das Licht nicht mehr durch Totalreflexion im Faserkern gef hrt sondern strahlt in das Cladding ein Experimentelle Untersuchungen Jen07 haben gezeigt dass dieser Biegeradius ca 10 mm betr gt Polarisation In einer isotropen zylindrischen Single Mode Faser mit eingeschriebenen FBG die keine u Beren Einwirkungen erf hrt propagiert genau eine Grundmode mit den zwei Polarisationsrich tungen p und q senkrecht zueinander durch die Faser Idealerweise haben diese beiden Polari sationsrichtungen die gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit die gleiche Ausbreitungskonstante und tauschen keine Energie miteinander aus Der daraus resultierende Polarisationszustand ist damit konstant Der Polarisationszustand einer optischen Faser kann aber durch intrinsische oder extrinsische St rungen ver ndert werden Intrinsische St rungen wie beispielsweise Ver unreinigungen oder auf die Faser wirkende Dehnungsprofile die den Faserkern verformen entstehen w hrend des Herstellungsprozesses der optischen Faser Bei kurzen optischen Fa sern wie sie in der Sensorik Anwendung finden k nnen diese Effekte vernachl ssigt werden Extrinsische St rungen beispielsweise durch Verdrillung oder Biegung der Faser k nnen bei 15 I Einleitung und Grundlagen der Applizierung und Handhabung der Faser aufgebracht werden Diese k nnen zu Doppelbre chungseffekten f hren und stellen in der Sensorik St reffekte dar Doppelbrechung Doppelbre
55. ationstheorie beschreibt die intermolekulare Wechselwirkung von Dipolen Diese physikalischen Bindungen die z B bei der Haftung von organischen Polymeren auf blanken Metalloberfl chen Stoffe unterschiedlicher Elektronenkonfiguration wirken zeichnen sich vor allem durch Wasserstoffbr ckenbindungen und die Bildung von permanenten Dipolen aus Vereinfacht ausgedr ckt bauen die Dipole durch elektrostatische Anziehungskr fte dabei zueinander Verbindungen mit unterschiedlichen Bindungsenergien also starke und schwache Bindungsenergien auf Diese Theorie reicht jedoch allein nicht zur Beschreibung der Adh sion aus da sie keine Erkl rung f r hochfeste Verbindungen liefert Physikalische Bindungen k n nen z B durch Eindringen von Stoffen h herer Polarit t beispielsweise Wasser beeintr chtigt und gel st werden Daher m ssen noch weitere Bindungsmechanismen neben der intermole kularen Wechselwirkung von Dipolen die Adh sionsfestigkeit beeinflussen Bro05 Die Diffusi onstheorie behandelt die Adh sionsmechanismen bei eng kontaktierten polymeren Werkstof fen Dabei kommt es durch die Bewegung der Molek le an den Grenzfl chen zu einem Eindif fundieren in die jeweils andere Werkstoffoberfl che Haftklebstoffe mit hoher molekularer Be weglichkeit zeichnen sich durch diesen Adh sionsmechanismus aus Die chemische Wechsel wirkung bei der Adh sion beschreibt die Haftungsvorg nge zwischen Metallen bzw deren Oxi den und organischen Subst
56. aufgabe und erm glicht einen Vergleich mit den Quali t tsanforderungen von Kunden Weitere notwendige Optimierungsma nahmen der Pr feinrichtung ergeben sich aus den Pr fanforderungen und den W nschen der Kunden Dazu geh rt beispielsweise dass der Nutzen der Pr feinrichtung durch ihren modularen Aufbau nicht allein auf oberflachenapplizierte FBG Dehnungssensoren be schr nkt ist Durch Anpassung der Pr feinrichtung ist die Bewertung der Deh nungs bertragungen von DMS piezoelektrischen Sensoren oder weiteren o berfl chenapplizierten Sensoren ebenfalls m glich sind Die Pr feinrichtung ist in der vorliegenden Ausbaustufe als Basisversion eines Validierungs messplatzes zu verstehen Die Tauglichkeit des optischen Referenzverfahrens zur Bestimmung der Dehnungs bertragung konnte sowohl mit der 3D Stereokorrelation als auch mit dem ESPI System gezeigt werden Die Optimierung des Messplatzes als Validierungsmessplatz ist auf bauend auf der hier durchgef hrten Charakterisierung Bestandteil weiterf hrender Forschungs und Entwicklungsarbeiten 99 IV FBG Dehnungssensoren als Patches IV FBG Dehnungssensoren als Patches Nicht immer k nnen oberfl chenapplizierte FBG Dehnungssensoren wie sie bereits hier vor gestellt worden sind zur Dehnungsmessung genutzt werden Dies liegt an verschiedenen Be dingungen vorgegeben durch die Werkstoffe des Messobjekts und deren Herstellungs und Verarbeitungsprozess die Temperatur und
57. baren Messplatzes bzw einer Messmethodik zur Online Pr fung der Dehnungs bertragung auf Sensoren an komplexen und sehr gro en Bauteilgruppen beispielsweise Rumpfstrukturen eines Flugzeugs kann in Zukunft angedacht und Konzepte sollten entwickelt werden Ein weiterer Teil dieser Arbeit betraf den Aufbau des Messplatzes Die Funktionsf higkeit des Messplatzes und der Messmethode konnte nachgewiesen werden Der Messplatz muss jedoch noch f r kommerzielle Validierungsarbeiten weiterf hrend charakterisiert werden und eine Standardarbeitsanweisung erstellt werden F r die Beurteilung der Dehnungs bertragung und dem Ausbau der Messmethodik stehen noch Dehnungsmessungen an Messobjekten unter Temperaturbelastung mit der 3D Stereokorrelation und dem ESPI System aus F r die kombi nierten Temperatur und Lastbeanspruchungen wird zurzeit ein Kalibrierk rper f r die 3D Stereokorrelation entwickelt Vergleichende Untersuchungen beider Referenzverfahren sind ebenfalls Bestandteil weiterf hrender Arbeiten Zudem muss der Messplatz noch durch Verfah ren zur Beurteilung des spektral optischen Antwortsignals erg nzt und ausgebaut werden Hin 114 BAM Dissertationsreihe VI Zusammenfassung und Ausblick sichtlich der Kalibrierung von FBG Dehnungssensoren muss ein entsprechendes Verfahren entwickelt werden das auch die R ckf hrbarkeit der Messgr en erm glicht Im Zusammenhang mit dem Verbundprojekt IMO Wind sind f r praktische Dehnung
58. bei f 10Hz f 3 3Hz f 1Hz Loctite Hysol 3450 46 45 41 Araldite 2022 106 104 98 Weicon Easy Mix S 46 45 44 Epotek 353 ND 110 108 106 Toolkraft 28 25 22 JB Weld Kwik 115 i Tabelle 4 Aus DMA ermittelte Glas bergangstemperaturen f r ausgew hlte Klebstoffe 52 BAM Dissertationsreihe II Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung Bei der Auswahl der Klebstoffe f r sensorische Anwendungen ist also darauf zu achten dass der Klebstoff nicht nur fest wird sondern vollst ndig chemisch ausgehartet ist Ansons ten kann sich die Glas bergangstemperatur in Abh ngigkeit von den Temperaturbedingungen bei der Nutzung der applizierten Sensoren verschieben und es kommt zu einer nderung der mechanischen Parameter des Klebstoffs Dies hat signifikanten Einfluss auf die Dehnungs ber tragung 53 Il Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung 11 2 Bestimmung von Klebstoffschichtdicken Der Einfluss der Klebstoffschichtdicke auf den Dehnungs bertragungskoeffizienten ist bereits im Dehnungs bertragungsmodell in Abschnitt I Kapitel 2 3 theoretisch beschrieben worden Zur Herstellung der Klebstoffgeometrie wird eine Stempelform eingesetzt mit dem reproduzier bar eine bestimmte Klebstoffform Abb 26 unten erstellt werden kann Durch Gef geschliffe wie in Abb 26 dargestellt wurde die Schichtdicke der Klebstoffe berpr ft 47 lu 5 we PAN z
59. botenen M glichkeiten und Unterst tzungen bei Investitionen in Messger te und Pr fmaschinen Allen meinen lieben Kollegen aus der Arbeitsgruppe Faseroptische Sensorik und der Fachgruppe m chte ich herzlich f r die Unterst tzungen Fachgespr che und Hilfestellungen danken Ins besondere danke ich Herrn Detlef Hofmann Herrn Frank Basedau und Herrn Matthias Schal lert f r die vielen freundschaftlichen Ratschl ge und Diskussionen Den Kollegen der Abteilung V der BAM m chte ich danken f r die freundliche Unterst tzung durch die Nutzung ihrer Pr f maschinen Besonders m chte ich mich noch bei der Arbeitsgruppe VIII 13 vor allem bei Herrn Klaus Peter Gr nder und Herrn Daniel Kadoke f r die sehr gute Zusammenarbeit beim Aufbau des Messplatzes die zahllosen durchgef hrten Messungen und den vielen guten Ratschl gen und Ideen bedanken Mein pers nlicher Dank gilt vor allem auch meinem Freund und meiner Familie die mich stets unterst tzt und mir den notwendigen R ckhalt gegeben haben Zusammenfassung Faser Bragg Gitter FBG werden als Dehnungssensoren zur Bestimmung der Bauteilverfor mung dort eingesetzt wo herk mmliche elektrische Dehnungsmesstechnik an ihre Grenzen st t z B im Hochspannungsbereich bei starken elektromagnetischen Feldern in der Medi zintechnik in sicherheitsrelevanten und strahlungsbelasteten Bereichen Die Applizierung die ser Sensoren auf Oberfl chen verschiedener Materialien und die Qualifiz
60. ch bei einer Querbeanspruchung eines FBGs der Zusammenhang zwischen der Bragg Wellenlange und einer Temperatur oder Dehnungsanderung durch eine 2 2 Matrix dessen vier Koeffizienten bestimmt werden m ssen 1 2 2 4 Coating in der Funktion des Dehnungs bertragers Das Coating bei Lichtwellenleitern dient in erster Linie dem mechanischen Schutz von Cladding und Faserkern Prinzipiell haben sich drei Coatings als Standard durchgesetzt Acrylat Ormo cer und Polyimid Nutzt man optische Fasern nicht nur als Ubertragungsmedium f r Licht sondern auch als Sensoren so kommt eine Vielzahl von Coatings oft speziell angepasst f r die unterschiedlichsten Anwendungen zum Einsatz Vor allem in der Anwendung von FBG Sensoren zur Detektion von chemischen Parametern wie z B pH Konzentration oder Feuch te werden oft spezielle Polymere die sensitiv auf die zu detektierenden Substanzen reagieren eingesetzt Ven08 Cor07 Coatings k nnen auf zweierlei Weise auf optische Fasern aufgebracht werden Zum ei nen wird die Stelle an der das FBG eingeschrieben wird entcoatet und nach dem Einschreibe vorgang nachtr glich wieder mit einem Coating versehen Zum anderen wird das FBG w hrend des Ziehvorgangs der Faser eingeschrieben sog Ziehturmgitter Im Anschluss wird die Glas faser entsprechend dem blichen Prozess beim Ziehvorgang ber die gesamte L nge mit ei nem Coating versehen Dadurch entsteht eine im Vergleich zum nachtr glichen Aufbringen
61. ches entwickelt und ihr charakteristisches Verhalten untersucht worden Es wurde zus tzlich eine Integrationstechnik f r FBG Dehnungssensoren w hrend der Rotorblattherstel lung entwickelt Als ersten Schritt in Richtung Standardisierung der zu pr fenden Kenngr en bei der Ermitt lung der Dehnungs bertragung und der Spezifizierung von Einfluss nehmenden Parametern auf den Dehnungs bertragungskoeffizienten ist unter Mitwirkung der Autorin dieser Arbeit eine Richtlinie f r den Umgang mit oberfl chenapplizierten FBG Dehnungssensoren entstanden Abstract Fibre Bragg Gratings FBG as strain sensors are implemented in those areas where conven tional electrical strain gauges reach their limits for example in areas of high voltage strong electro magnetic fields medical technology safety relevant and radiation exposed areas Sub ject of this work is the surface application and the qualification of these sensors as strain sen sors on different materials A certified and proven method of application for surface mounted sensors is not known yet The determination of the strain transfer and the definition of a strain transfer factor out of the relation between the Bragg wavelength change and the strain of the specimen have not yet been validated experimentally with an independent validation method The development of an experimental methodology using a physically independent optical refer ence method for the determination of the strain transfer b
62. chung ist eine polarisationsabh ngige D mpfung die die Resonanzbedingungen f r die beiden Polarisationsrichtungen in x und y Richtung trennt Doppelbrechung im Spektrum eines FBG ist in den meisten F llen ein unerw nschter Effekt Bei FBG verursacht Doppelbre chung ein Verzweigen oder gar ein komplettes Aufsplitten der Mittenwellenl nge des Filterban des Wird beispielsweise w hrend der Applizierung durch eine Temperatur oder Dehnungs nderung oder eine Biegung die optische Faser mechanisch deformiert so wirkt sich dies auf die beiden Polarisationsrichtungen x und y in der Faser aus Gaf00 Durch die mechanische Verformung des Faserquerschnitts sowohl ber einen l ngeren Bereich als auch lokal ist die ser nicht mehr kreisrund sondern elliptisch wie in Abb 5 dargestellt Damit ndert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit f r die beiden Polarisationsrichtungen Diese k nnen sich dann in der Faser ein und auskoppeln und Energie austauschen Durch die beiden sich unterschei denden Polarisationsrichtungen kommt es zu einer nderung des effektiven Brechungsindexes des FBG vgl GI 9 und 10 Ka m l Polarisation in x Richtung i Polarisation in y Richtung Abb 5 Schematische Darstellung der Polarisations nderung durch Deformation des Faserquerschnitts beim Lichtwellenleiter Gaf00 Die Feldlinien der elektrischen Feldst rke sind zur Anschauung bertrieben gekr mmt dargestellt 16 BAM Dissertationsreihe
63. dem KALFOS Messplatz ermittelt werden In der unter Mitwirkung der Autorin ver ffentlichten Richtlinie VDI60 f r FBG basierte Dehnungssensoren sind die f r eine korrekte Anwendung der Sensoren und f r eine korrekte Angabe der Sensorkennwerte wichtigen Parameter und Nutzungshinweise sowohl f r Herstel ler als auch Anwender dargestellt Das Ziel der Richtlinie ist eine klare Spezifizierung der kom merziell erh ltlichen FBG Dehnungssensoren und des Umgangs mit deren Messaussagen Die Richtlinie bietet einen berblick ber die vom Hersteller zu pr fenden Kenngr en und der im Datenblatt darzustellenden notwendigen Angaben F r den Anwender von FBG Dehnungssensoren erm glicht sie somit den direkten Vergleich zwischen den unterschiedli chen auf dem Markt angebotenen Produkten Mit dem hier aufgebauten Validierungsmessplatz sind eine Bewertung der Dehnungs bertragung und eine Entwicklung verschiedener Applizierungsmethoden f r angepasste Ober fl chenapplizierungen m glich Eine Empfehlung f r die optimale Applizierung und somit die optimale Dehnungs bertragung in Abh ngigkeit von den Messbedingungen kann mit dieser Pr feinrichtung f r den jeweiligen Einzelfall ausgesprochen werden 112 BAM Dissertationsreihe VI Zusammenfassung und Ausblick Vi Zusammenfassung und Ausblick In einem gemeinsamen Projekt mit dem Forschungszentrum EADS Innovation Works IW in Ottobrunn ist eine Messmethodik zur Bewertung des Dehnu
64. den ber eine Steuerbox stehen zur Synchronisation mit weiteren Messger ten Kraft Weg und zwei wei tere analoge Kan le zur Verf gung Die Messwert bertragung von der Steuerungseinheit be tr gt 500 Hz Insgesamt ist die Pr feinrichtung modular aufgebaut d h sowohl Belastungseinrich tung Temperaturkammer als auch ESPI System sind im Zusammenspiel wie auch unabh ngig voneinander einsetzbar Die Aufh ngung des ESPI Systems ist auch f r die 3D Stereokorrelation als Referenzverfahren nutzbar Zus tzlich k nnen neben ESPI und 3D Stereokorrelation auch DMS und ein mechanisches Hochtemperatur Extensometer als Refe renzverfahren eingesetzt werden Die Pr feinrichtung erm glicht einen kompletten Umbau hin sichtlich Kraftbereich Einbaul nge der Proben Referenzverfahren und Temperaturbereich so dass speziell auf die Anforderungen von Kunden eingegangen werden kann 85 Ill Validierungsmessplatz KALFOS In Abb 46 ist die Pr feinrichtung mit dem ESPI System dargestellt Messobjekt Temperaturkammer ESPI Sensorkopf Sensorkopfaufh ngung Abb 46 KALFOS Anlage Der Sensorkopf ESPI beleuchtet die eingespannte Probe Im Hintergrund ist die verschiebbare Temperaturkammer zu erkennen In Abb 47 ist die Pr feinrichtung KALFOS mit der 3D Stereokorrelation an der Sensorkopfauf h ngung zu erkennen Abb 48 zeigt ein typisches Messobjekt mit drei unterschiedlich appli zierten FBG Dehnungssensoren und dem f r die 3D
65. der Klebverbindung kann durch Benetzung der Oberfl che mit dem Klebstoff bestimmt werden Dabei wird der Randwinkel zwischen der Klebstofftropfenoberfl che und der Bauteiloberfl che beim Auftreffen auf die Bauteiloberfl che gemessen Die Oberfl chenspan nungen zwischen dem Klebstofftropfen und der Bauteiloberfl che bestimmen den Randwinkel Ist der Randwinkel gr er als 90 kommt es zu keiner oder zu einer nicht vollst ndigen Benet zung Findet keine vollst ndige Benetzung statt so ist die Grenzfl chenenergie zwischen Ober fl che und Klebstofftropfen gr er als die Oberfl chenenergie der Oberfl che zur Umgebung Es kommt zu keiner intermolekularen Wechselwirkung zwischen Klebstoff und Oberfl che und somit entsteht keine Haftung Bro05 Eine ideale Benetzung wird erreicht wenn der Randwin kel kleiner als 30 ist 1 2 4 5 Eigenschaften von Klebverbindungen Die Eigenschaften von Klebverbindungen h ngen im Einzelnen von den verwendeten Klebstof fen ab und m ssen durch Pr fung nach Norm ermittelt werden Das mechanische Verhalten von Klebverbindungen also Festigkeit und Verformbarkeit werden in Abh ngigkeit von Zeit Last und Temperatur untersucht Die Festigkeit also die maximale Spannung der eine Kleb verbindung ausgesetzt sein kann wird mittels Zugscherversuchen ermittelt Bei nichtmittiger Last wird durch Sch lversuche eine Aussage ber die Belastbarkeit von Klebverbindungen erreicht Die so ermittelten Kennwerte
66. der Temperatur ein zum anderen wird durch Bestrahlung z B UV Licht der H rtungsprozess initiiert Beim H rtungsprozess wird zun chst nach Ende der Topfzeit ein Gel Stadium durchlaufen Die Topfzeit beschreibt die Zeitspanne zwischen Anmischen der Komponenten des Klebstoffs und dem Ende der Verarbeitbarkeit Dabei ist der Klebstoff schon fest die Polymerisation jedoch noch nicht beendet Das Erreichen der Endfestigkeit des Klebstoffs h ngt ganz von der Reakti on zwischen Harz und H rter ab Erh ht man w hrend des Aush rtungsprozesses von Epoxid harz Klebstoffen die Temperatur so beschleunigt man diesen Prozess und erreicht eine im Vergleich zur Kalth rtung h here Endfestigkeit Bro05 Kurzfristig wird dabei der Klebstoff auch verfl ssigt so dass sich dieser gut an optischer Faser und Bauteil anpasst bzw entspre chend in eine vorgefertigte geometrische Form bringen l sst Epoxidharz Klebstoffe eignen sich sehr gut zum verkleben von optischen Fasern da sie ein z heres Verhalten als Cyanacry lat Klebstoffe aufweisen Aufgrund der enormen Vielfalt an unterschiedlichen kommerziell er haltlichen Epoxidharz Klebstoffen kann gezielt ein f r die einzelnen Messbedingungen ange passter Klebstoff ausgew hlt werden 1 2 4 4 Herstellung von Klebverbindungen Um eine den Beanspruchungen gerechte Klebverbindung zwischen Bauteilen herzustellen sind in der Literatur zahlreiche Empfehlungen zur Gestaltung und Berechnungen von Klebver
67. der mit dem Klebstoff Loctite 147 auf Alu minium appliziert wurde 61 II Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung OKOE EE SE E T 4 T 20 C e T 5 C Ee ee SE m T 23T 4 T 40T 1 0 4 T 60T v T 8 CT e Temperaturdehnung der Probe 7 4145 1 0 05 00 05 10 15 20 25 30 Dehnung edes DMS in mm m relative Bragg Wellenl ngen nderung A2 4 in mm m Abb 30 Kalibrierdiagramm eines mit Ormocer gecoateten FBG Dargestellt ist die nderung der Bragg Wellenlange ber der Dehnungs nderung des DMS Es ist die Abh ngigkeit der Grund Bragg Wellenl nge von der scheinbaren Dehnung es des Mess objekts bedingt durch die Temperatur zu erkennen Mit einem solchen Kalibrierdiagramm kann die scheinbare Dehnung des Messobjekts die durch eine nderung der Temperatur ohne Einwirkung einer u eren mechanischen Bean spruchung auftritt durch die Verschiebung der Grund Bragg Wellenl nge bezogen auf 23 C bestimmt werden Die in Abb 30 schwarz dargestellte Kurve amp T errechnet sich aus der Dehnung des DMS bezogen auf die Temperatur nderung ohne mechanische Belastung des Messobjekts und stellt die W rmeausdehnung der Aluminiumprobe dar Deutlich ist in Abb 30 zu erkennen dass sowohl die Dehnungs nderung des DMS als auch die nderung der Bragg Wellenl nge mit der scheinbaren Dehnung der Aluminiumprobe bereinstimmen Im Kalibrierdiagramm sind die vier Be
68. des Verlustmoduls wiedergegeben werden wie in Abb 24 dargestellt Das Maximum des Verlustmoduls entspricht dem Wendepunkt des Spei chermoduls Da die Glas bergangstemperatur von der Frequenz der aufgebrachten Deformati on abh ngig ist wurden bei der DMA verschiedene Frequenzen n mlich 1 Hz 3 33 Hz und 10 Hz verwendet F r den zuvor schon beschriebenen Klebstoff Loctite Hysol 3450 ist in Abb 24 der aus der DMA errechnete Speichermodul und der Verlustmodul des Klebstoffs in Abh ngigkeit von der Temperatur dargestellt Es ist zu erkennen dass der Speichermodul mit zunehmender Temperatur stark abf llt Im Bereich des Glas bergangs ist der Klebstoff lederartig und der Verlustmodul nimmt seinen h chsten Wert bei einer Belastung von 1 Hz bei 41 C an Dies bedeutet dass bei dieser Temperatur eine chemische nderung des Materials stattfindet das 50 BAM Dissertationsreihe Il Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung ist die Glas bergangstemperatur Oberhalb dieser Temperatur wird der Klebstoff weichelas tisch gummiartig Bei dem Klebstoff Loctite Hysol 3450 liegt die Glas bergangstemperatur also bei einer Frequenz von 1 Hz bei 41 C was die beiden unterschiedlichen CTE f r hohe und niedrige Temperaturen bei der Analyse mit dem Q400 erkl rt 7000 L 500 6000 5000 Fe 5 4000 L300 5 o 3 3000 L20 E my 5 5 2000 Lio 3 D a om L 1000 B i i ro 0 f 1Hz L 100 60
69. dlagen Ist das Pr fverfahren charakterisiert so ist es f r die Validierungsaufgaben notwendig dass eine Standardarbeitsanweisung Standard Operating Procedure SOP erstellt wird Daf r muss eine Dokumentation mit einer Beschreibung des Pr fablaufs angefertigt werden und die Pr fung muss durch eine weitere Person unter den angewandten Pr fkriterien durchgef hrt und best tigt werden 41 II Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung Il Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs ber tragung zur Entwicklung einer Validierungsmethodik In diesem Abschnitt werden die grundlegenden Experimente erlautert um die zur Beschrei bung der Dehnungs bertragung Einfluss nehmenden Parameter zu charakterisieren Dazu wurden zun chst Klebstoffe charakterisiert Danach wurden FBG auf Proben appliziert und die Dehnungs bertragung mit Referenzverfahren unter spezifizierten Umgebungsbedingungen bestimmt Diese Umgebungsbedingungen und auch die aufgebrachte Last wurden systema tisch variiert so dass eine Aussage ber die Dehnungs bertragung unter speziellen Messbe dingungen m glich ist 11 1 Ermittlung von Klebstoffkennwerten In Anlehnung an die in Abschnitt Kapitel 2 4 aufgef hrten Merkmale und Eigenschaften von Klebstoffen wurden in dieser Arbeit einige Untersuchungen zur Bestimmung dieser Eigenschaf ten durchgef hrt Es wurde eine Auswahl an Klebstoffen getroffen die f r die Applizie
70. dlich O W Funktionsgerechte Gestaltung von F geverbindungen mit Kleb und Dichtstoffen Adh sion 11 pp 378 382 1980 Europ isches Patentamt Offenlegungsschrift EP 1 679 497 A1 Fauner G Endlich W Klebverbindungen berechnen aber wie KEM pp 44 50 1977 Flockhart G Maier M Barton J MacPherson W Jones J Chisholm K Zhan L Bennion l Read l Foote P Quadratic behaviour of fiber Bragg grating tem perature coefficients Journal of Applied Optics Vol 43 13 pp 2744 2751 2004 Gafsi R El Sherif M A Analysis of Induced Birefringence Effects on Fiber Bragg Gratings Journal of Optical Fiber Technology Vol 6 pp 299 323 2000 Habel W R Faseroptische Sensoren f r hochaufgel ste Verformungsmessungen in der Zementsteinmatrix BAM Forschungsbericht Nr 246 Wirtschaftsverlag NW Berlin 2003 Haran F Rew J Foote P A strain isolated fibre Bragg grating sensor for tem perature and compensation of fibre Bragg grating strain sensors Journal of Meas urement Science and Technology Vol 9 pp 1163 1166 1998 Haufe M Methoden zur Verbesserung der Adh sion an metallischen Oberfl chen Dissertation Universit t Bielefeld 2002 Hoffmann L Spektroskopische Instrumente zur Demodulation von Faser Bragg Gitter Signalen Dissertation TU M nchen 2008 Hoffmann K Eine Einf hrung in die Technik des Messens mit Dehnungsmessstrei fen Hottinger Baldwin Messtechnik Darmstadt 1987 Huang
71. durchgef hrt Dabei konnten die einzelnen Zustands und Ubergangsbereiche des Klebstoffgef ges bestimmt und eine Aussage ber den Aush rtungs grad und die Glas bergangstemperatur getroffen werden Bei der DMA wird ein Klebstoff Probek rper als Single Cantilever eingespannt und eine sinusf rmige mechanische Deformati on unter ver nderten Temperaturbedingungen aufgebracht Die entsprechende Kraft wird ge messen Die aufgebrachte Deformation hat also eine entsprechende Spannung zur Folge die nach Amplitude und Phase ausgewertet wird Bei linear viskoelastischen Werkstoffen wie Klebstoffen tritt eine Phasenverschiebung zwischen aufgebrachter Deformation und ermit telter Spannung auf Aus dem Quotienten von Spannungs und Verformungsamplitude l sst sich der komplexe E Modul E des Messobjekts bestimmen Der komplexe E Modul ist in Gl 46 definiert E 2 feo oF 46 Dabei ist der Speichermodul mit E und der Verlustmodul mit E bezeichnet und beide erge ben sich nach Gl 47 und 48 zu E o e cos 47 E Z sin 48 Durch Erweichen des Messobjekts mit steigender Temperatur erh hen sich die Molek lbewe gungen und das Maximum des Verlustmoduls stellt den Zustand dar bei dem die Molek le gerade der schwingenden Beanspruchung folgen k nnen so dass eine maximale Energie als innere Reibung und nichtelastische Verformung verloren geht Ehr99 Die Glas bergangstem peratur kann also durch das Maximum
72. e Berechnung durchf h ren Verschiedene Ans tze zur Quantifizierung dieser Unsch rfe bei Messung durch das Sicht 95 Ill Validierungsmessplatz KALFOS fenster sind bereits durchgef hrt worden darunter das Tauschen von Objektiven das ndern des Winkels zwischen den Kameras das Verschieben des gesamten Kamerasystems zu einer anderen Position vor dem Sichtfenster und das Minimieren von Reflexionen durch Streulicht Bisher hatte keiner dieser Versuche zu dem gew nschten Ergebnis gef hrt Versuchsmessun gen bei denen eine Kalibrierung durch eine einfache Fensterglasscheibe als Ersatz f r das Sichtfenster der Temperaturkammer durchgef hrt wurde zeigten dass bei einfachem Glas eine Messung m glich ist Die Untersuchungen zur Quantifizierung und Behebung der Mess problematik bei einem Glasscheibenpaket werden zurzeit noch durchgef hrt F r die sp tere Kalibrierung des 3D Stereokorrelations Verfahrens bei Messung mit Temperaturkammer ist ein spezieller Kalibrierk rper konstruiert worden der durch Ansteuerung von Motoren ein autono mes Drehen des Kalibrierk rpers in der Temperaturkammer m glich macht Eine Reihe weiterer Untersuchungen zur vollst ndigen Charakterisierung des Messplat zes m ssen noch erg nzend durchgef hrt werden Hier sind zun chst die wichtigsten noch ausstehenden Hauptuntersuchungen genannt 1 Die Messunsicherheit des FBG Antwortsignals bedingt durch das Stabilit tsver halten des Lasers und des hi
73. e einzelnen Proben sowohl die Aufheiz als auch die Abk hlphasen durchlau fen Die Versuche wurden bei einer Temperatur nderungsrate von 5 K min durchgef hrt Bei dem in Abb 23 dargestellten Klebstoff Loctite Hysol 3450 ist ein deutlicher Knick in der Deh nungs Temperatur Kurve zu erkennen Es wurde angenommen dass genau hier die Glas ber gangstemperatur T liegt und der Klebstoff oberhalb von ca 40 C weicher wurde Vermutlich war der Klebstoff durch die Aush rtung bei Raumtemperatur erst bei Erh hen der Temperatur nachgeh rtet Offenbar lag bei Raumtemperatur nur ein erstarrtes Klebstoffgef ge vor und eine vollst ndige chemische Aush rtung fand nicht statt In Tabelle 3 sind alle experimentell ermit telten CTE im Vergleich zu den von den Herstellern bekannt gegebenen CTE der hier unter suchten Klebstoffe dargestellt Bei zwei Klebstoffen m ssen zwei CTE angegeben werden jeweils unterhalb und oberhalb der Glas bergangstemperatur CTE unterhalb 7 CTE oberhalb 7 i a ppm K ppm K Loctite Hysol 3450 34 1 99 2 Araldite 2022 76 3 Weicon Easy Mix S 50 44 1 85 1 Epotek 353 ND 54 53 2 Tabelle 3 Experimentell ermittelte CTE verschiedener Klebstoffe mittels digitaler 3D Bildkorrelation 49 Il Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung Eine genauere Untersuchung der hier aufgezeigten Phanomene wurde durch eine dyna misch mechanische Analyse DMA
74. echend geringere zus tzliche Kosten entste hen In der Luftfahrt wird bei der Intervall Wartung von Flugzeugen die Integrit t von Flug zeugkomponenten mittels klassischer zerst rungsfreier Pr fverfahren z B Thermographie Sichtinspektion oder Ultraschall untersucht Dagegen bietet die FBG Messtechnik den gro en Vorteil dass die Struktur des Flugzeugs kosteng nstig und bei Bedarf kontinuierlich durch au tomatisiertes Abfragen des Messsystems berwacht werden kann 1 1 2 Bedeutung der Zuverl ssigkeit oberfl chenapplizierter FBG Dehnungssensoren Trotz der enormen Vorteile von FBG Dehnungssensoren gegen ber konventioneller Deh nungsmesstechnik fehlen der faseroptischen Messtechnik Qualifizierungsmethoden die erst den zuverl ssigen Einsatz dieser Sensorik bei der Struktur berwachung von Bauteilen m glich machen Eine Anbindung des FBG Sensors an ein Messobjekt kann je nach Ausbildung des Sen sork rpers durch L ten Kleben oder Schwei en erfolgen Die am h ufigsten ausgef hrte Ver bindungstechnik ist jedoch das Kleben In der praktischen Anwendung werden FBG Sensoren oftmals mit den verschiedensten Klebstoffen auf unterschiedlichste Weise appliziert Auf repro 2 BAM Dissertationsreihe I Einleitung und Grundlagen duzierbare Applizierungen als auch definierte Klebstoffgeometrien wurde in vielen F llen wenig Wert gelegt Eine Aussage ber die Messunsicherheit und die Zuverl ssigkeit der Messdaten in Kombinatio
75. ektoberfl chen m glich ist Diese Werkzeuge haben jedoch keine Produktreife erlangt so dass es jedem Anwender selbst berlassen ist auf welche Art dieser seine Sensoren appliziert In der Praxis f hrt dies dazu dass der Anwender annimmt sein FBG Dehnungssensor messe exakt die Dehnung seines Messobjekts unab h ngig von der Art der Applizierung Die Zuverl ssigkeit des Messsystems ist dabei nicht be kannt Das Fehlen von Standards und Handhabungsvorschriften f r den Umgang mit dieser Messtechnik fordert daher die Ber cksichtigung aller auf die Dehnungs bertragung Einfluss nehmenden Parameter und die Qualifizierung des FBG Dehnungssensors unter den realen Messspezifikationen Der Aufbau eines Pr fplatzes zur Qualifizierung von oberfl chenapplizier ten FBG Dehnungssensoren er ffnet dieser Messtechnik den Zugang zu einem breiteren An wendungsspektrum mit besonders sicherheitsrelevanten Feldern Unter Mitwirkung der Autorin ist als erster Schritt zur Standardisierung der FBG Dehnungssensorik im Fachausschuss 2 17 des VDI eine Handhabungsrichtlinie erarbeitet und 2009 als Richtlinie VDI VDE GESA 2660 Optischer Dehnungssensor basierend auf Faser Bragg Gitter ver ffentlicht worden VDI60 I Einleitung und Grundlagen 1 1 3 Untersuchungsgegenstand und Zielsetzung Ziel dieser Arbeit ist es Fragen der Dehnungs bertragung von oberfl chenapplizierten FBG Dehnungssensoren zu kl ren und eine experimentell gest tzte Methode zu
76. elle 2 daher v 0 4 gew hlt 45 Il Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung Fur den in Abb 21 dargestellten Klebstoff Epotek 353ND konnte ein E Modul von 5 86 GPa mit einer Standardabweichung von 0 41 GPa bestimmt werden Es wurden insge samt elf Pr fzyklen pro Probe durchgef hrt um eine statistische Auswertung zu erm glichen Alle untersuchten Klebstoffe mit ihren experimentell ermittelten E Moduli aus den Mikroindenta tion Versuchen sind in Tabelle 2 dargestellt Von den Herstellern wurden f r diese Klebstoffe keine Angaben bekannt gegeben Klebstoff E Modul GPa Epotek 353ND 5 86 0 41 Metall Epoxy Mischung Eigenentwicklung 4 98 1 13 RS 950 962 2 23 0 50 Loctite 147 64 4 90 3 72 Loctite 3430 14 85 9 64 Vitralit 1517 5 86 2 04 Tabelle 2 In Mikroindationversuchen experimentell ermittelte E Moduli von einigen exemplarischen Klebstoffen Um auch die anderen ausgew hlten Klebstoffe beurteilen zu k nnen wurden an diesen Inden tation Tests durchgef hrt Dabei wurden mit einer gr eren Indenterspitze gr ere Kr fte von bis zu 40 N und gr ere Eindringtiefen bis einige hundert um erzielt so dass ber einen gr e ren Materialbereich gemittelt werden konnte Die gro en Messunsicherheiten zeigten sich al lerdings auch bei diesen Versuchen Die Messunsicherheiten werden vor allem durch die Eigenschaften der Klebstoffproben bestimmt Klebst
77. eller bekannt gegebenem E Modul zur ckgegriffen werden 11 1 2 Bestimmung des thermischen Verhaltens Um Klebstoffe in ihrem Verhalten beurteilen zu k nnen ist es wichtig nicht nur die mechani schen Parameter zu kennen sondern auch die Abh ngigkeit dieser mechanischen Kennwerte von der Temperatur F r die Bestimmung des Dehnungs bertragungsverhaltens vom Messob jekt ber den Klebstoff auf den FBG Sensor ist es von wesentlicher Bedeutung die Zustands und bergangsbereiche des Klebstoffgef ges in Abh ngigkeit von der Temperatur zu kennen Mit Kenntnis dieser Parameter kann eine zuverl ssige Dehnungs bertragung auf den Sensor in den vorgegebenen Temperaturbereichen erreicht werden Liegt beispielsweise die Glas ber gangstemperatur des Klebstoffs in dem vorgegebenen Temperaturbereich so ndert sich der E Modul in diesem Bereich und es kommt bei unterschiedlichen Temperaturen zu unterschied lichen Dehnungs bertragungen Bei Klebstoffen die bei Raumtemperatur aush rten kann es dazu kommen dass die Glas bergangstemperatur nie erreicht wird Das bedeutet der Kleb stoff wird zwar hart h rtet aber nicht chemisch vollst ndig aus sondern erstarrt nur in seinem Gef ge Bis die Glas bergangstemperatur bei einer h heren Temperatur erreicht wird bleibt der Klebstoff ein sich sehr langsam chemisch nderndes Material So lange die chemischen Prozesse nicht durch einen vollst ndigen Aush rtungsprozess abgeschlossen sind ndern sich
78. ellt und dieser k hlte langsam ab In Abb 56 ist zu er kennen dass durch die thermische L ngen nderung w hrend des Abk hlens des Patches ein weiteres Schrumpfen stattfand bis bei einer Temperatur von 23 C die Bragg Wellenl nge ei nen Wert von 1546 65 nm erreichte Damit ist deutlich ersichtlich dass der FBG Dehnungssensor bei dieser Patchkonstruktion mindestens um 3000 um m vorgespannt werden muss um eine Vorspannung von 1000 um m zu erhalten da das Schrumpfen des Patchmate rials einen gro en Teil der Vorspannung zur cknimmt Versuche mit nicht vorgespannten FBG 104 BAM Dissertationsreihe IV FBG Dehnungssensoren als Patches Dehnungssensoren im Patch zeigten dass diese durch den Aushartungsprozess sogar bis zu 4000 um m im Druckbereich beansprucht wurden Bei Belastungsversuchen mit den Patches wurde festgestellt dass Kriechvorg nge statt finden Dabei verschob sich die Bezugs Bragg Wellenl nge der Patches je nach Konstrukti onsart teilweise um bis zu 600 pm bezogen auf einen Zeitraum von 2 h und einer Belastung von 6000 um m Dehnung Beispielhaft f r die beobachteten Kriechvorg nge ist in Abb 57 ein Belastungsverlauf f r eine Patch Konstruktionsvariante dargestellt T 25 C Laststufen von 0 kN bis 0 5 kN 500 N 40 pm Kriechen 1555 E c a 1554 250 N 30 pm Kriechen o 2 Doppelpeak co 1553 150 N 10 pm Kriechen D D D S 1552 m T L_ 1551 157 nm 1551 0
79. ellung des Rotorblattes wurde festgestellt dass alle verf gbaren Sensoren die aufgebrach te Vorspannung gehalten haben Alle Sensoren konnten erfolgreich in das Rotorblatt integriert und deren verf gbare Messwerte zur weiteren Analyse des Materialverhaltens herangezogen werden W hrend der Lagerungszeit des Rotorblattes ca 1 5 Jahre bis zum Beginn der Ver suche wurden keine Kriecheffekte im Messsignal der Sensoren festgestellt Es konnte damit gezeigt werden dass die hier entwickelte Integrationstechnik f r FBG Dehnungssensoren er folgreich eingesetzt wurde Die ausstehenden Belastungsversuche werden nun zeigen ob die FBG Dehnungssensoren nach der Integration langzeitstabile Messwerte liefern Abb 60 zeigt einen Blick in das fertig gestellte Rotorblatt am Nabenanschluss Zu erken nen sind die Anschlussboxen der integrierten FBG Dehnungssensoren f r die Verkabelung mit dem Messger t Unterhalb der Stege sind die FBG Dehnungssensoren in den Gurtkan len integriert Anschlussbox f r Sensorketten Gurtkan le mit integrierten Sensorketten Abb 60 Blick auf die Innenseiten des Stellvertreter Rotorblatts mit den Anschlussboxen der Sensorketten Die Sensorketten sind in den vier Gurtkan len integriert auf denen die beiden Stege aufgeklebt wurden 109 IV FBG Dehnungssensoren als Patches Das komplett fertig gestellte Rotorblatt ist in Abb 61 dargestellt In dieser Darstellung ist auch ein Teil der mechanischen Pr fvo
80. ellungswerkzeuge In Abb 59 ist die Bragg Wellenl ngen nderung des weiterentwickelten FBG Patches im Verh ltnis zur Dehnung einer Zugprobe auf der das Patch appliziert wurde dargestellt Die Dehnung der Zugprobe wurde mit DMS bestimmt Aus diesen Daten l sst sich der Dehnungs bertragungskoeffizient f r diese Art von Patches zu K 0 85 bestimmen was einer Wellen l ngenempfindlichkeit von 1 32 pm um m entspricht 106 BAM Dissertationsreihe IV FBG Dehnungssensoren als Patches 0 B 0 1 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 Dehnung des DMS in mm m relative Bragg Wellenl ngen nderung AA A in mm m Abb 59 Bestimmung des Dehnungs bertragungskoeffizienten K 0 85 f r ein FBG Patch aus der nderung der Bragg Wellenl nge gegen ber der Dehnungs nderung des Messobjekts gemessen mit DMS Durch eine fundierte und langfristig angelegte Weiterentwicklung und Optimierung der Patches k nnen die hier noch ausstehenden Fragestellungen gel st werden Um das Anwendungsge biet der Patches zus tzlich zu erweitern sind Patchvarianten die mehrdimensionale Dehnun gen erfassen Rosetten als zuk nftige Entwicklungen denkbar und z T bereits realisiert wor den Sta04 107 IV FBG Dehnungssensoren als Patches IV 3 Integrationsbeispiel f r FBG Dehnungssensoren Innerhalb des Verbundprojekts IMO Wind der BAM waren in ein Stellvertreter Rotorblatt fa seroptische Sensoren zur Charakterisierung d
81. enschaften aufweist um ihn an spezielle Messauf gaben anzupassen Es gibt eine Vielzahl von Sensortr gern und Sensorgeh usen die durch eine mechanische Kopplung mit dem FBG als sensitives Element zu einem Dehnungssensor werden In der Richtlinie VDI VDE GESA 2660 Optischer Dehnungssensor basierend auf Faser Bragg Gitter VDI60 sind die Parameter und Kennwerte von FBG Dehnungssensoren die zur Beschreibung der Sensoren zwingend notwendig sind dargestellt um f r diese Parameter eine 25 I Einleitung und Grundlagen Vergleichbarkeit zwischen den unterschiedlichsten Dehnungssensoren auf FBG Basis zu schaffen 1 2 3 Dehnungs bertragungsmodell FBG Das in Kapitel 2 1 1 vorgestellte Dehnungs bertragungsmodell von DMS und die in Li05 Duc99 Sir90 Che05 und Ans98 entwickelten Modelle dienen als theoretische Grundlage zur Beschreibung der Dehnungs bertragung bei oberfl chenapplizierten FBG Sensoren An dieser Stelle wird das in Che05 und Ste05 entwickelte Modell zum detaillierten Verst ndnis ausf hrlich dargestellt und um den Einfluss des Klebstoff berhangs erweitert um eine mathe matische Grundlage f r die hier durchgef hrten experimentellen Untersuchungen aufzuzeigen Das vereinfachte Modell ist in Abb 11 dargestellt Faser Substrat Abb 11 Vereinfachte Darstellung einer applizierten optischen Faser auf einem Messobjekt Substrat Der Durchmesser der Faser ist mit d die Klebstoff
82. entkopplung bei FBG Sensoren 56 Ermittlung des Dehnungs bertragungskoeffizienten unter statischer Belastung 8 8er fede xonecdeheoca Feet ce teiead a a aaa eat 58 Rel tive Feuchte 2 2 EE EEA EEN EAA EEE EEE He 67 Validierungsmessplatz KALFOS nuunesusssnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 69 Konzipierung und Entwicklung eines Pr fverfahrens u 22u4444 nn 69 Messmethodik und Auswahl des Referenzverfahrens 2u 444 69 Dehnungsmessung mit 3D Stereokorrelation als Referenz 70 Referenzverfahren 3D ESPI 2240004224400044nn0nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn 77 Anforderungen an die Pr feinrichtung u 4444s444HHnnnnnnnen nenne nnnnn ernennen 84 Datenverarbeitung und Programmierung uurs2uursnnersnnennnnen nenne nennen 88 Nutzungsprofil des Messplatzes KALFOS u 222u22224snnnnnnne nennen nennen nenn 89 Charakterisierung der Pr feinrichtung u 444r444r Hann nnnnnn nennen nennen 94 Messunsicherheit s n een ea 94 Optimierung des Messplatzes uuuss204444nnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnen nn 97 FBG Dehnungssensoren als Patches nnnunssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 100 Kommerzielle Patches x lesen 100 Patches zur Oberfl chenapplizierung u 244444444Hnnnnnnnnnnnnnnn nenn nnnnn nn 101 Konzept und A a 22 2242 2 Er ai eae Eao s
83. eokorrelation charakterisiert wird 11 2 1 Messunsicherheit Die beiden Messgr en Bragg Wellenl nge und Dehnung der Messobjektoberfl che aus de nen die Dehnungs bertragung rechnerisch ermittelt wird werden aufgrund der unterschiedli chen Messger te die auch auf unterschiedlichen Messprinzipien basieren durch verschiedene Parameter beeinflusst Beide Messgr en sind durch die Einfl sse der Belastungseinrichtung die die Deformation auf das Messobjekt aufbringt miteinander verkn pft Die Bestimmung der Messunsicherheiten bildet den Kern der Charakterisierung der Pr feinrichtung Bisher sind im Rahmen dieser Arbeit folgende Untersuchungen zur Bestimmung der Messunsicherheiten auf die Messgr en durchgef hrt worden 1 Es wurde die Zeitdauer bestimmt die die Belastungseinrichtung mit dem einge spannten Messobjekt ben tigt bis diese bei geschlossener Temperaturkammer ein thermisches Gleichgewicht innerhalb der Kammer erreicht hat Diese Zeit liegt sowohl bei 60 C als auch bei 80 C bei ca 1 5 h und ist deshalb so gro weil das Kammervolumen relativ gro ist und die pneumatischen Spannbacken aus Edelstahl ein enormes zu temperierendes Volumen darstellen 2 Bei konstanter Last F 1997 N 7 N wurde das Koordinatenrauschen der 3D Stereokorrelation das zu einer Messunsicherheit in der rechnerisch ermittelten Dehnung f hrt bestimmt Bei 181 Bildern also 181 Messpunkten bei konstanter Belastung konnte eine Abweichung i
84. er lt mit den entsprechenden Ubergangslangen Upr und ry dargestellt c ccccecessscsesssssscsesssesessesescsesssssstsessesesscseseeeesceeees 6 Abb 2 Schematischer Aufbau eines Lichtwellenleiters Single Mode Glasfaser Rechts ist der Brechungsindexverlauf bezogen auf den Radius r der Faser dargestellt 10 Abb 3 Schematische Darstellung der Einschreibung eines Faser Bragg Gitters durch Interferenz nach Zeh04 2 22 AHA seen eindeien 11 Abb 4 Schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines Faser Bragg Gitters 12 Abb 5 Schematische Darstellung der Polarisations nderung durch Deformation des Faserquerschnitts beim Lichtwellenleiter Gaf00 Die Feldlinien der elektrischen Feldstarke sind zur Anschauung bertrieben gekr mmt dargestellt ur44 16 Abb 6 Gemessenes Reflexionsspektrum eines entlang der Faser belasteten FBG SENSONS ee are week ET hs Sater entails sh cose mesons vats EHER ides EHER ERLERTEIL 17 Abb 7 Gemessenes Reflexionsspektrum eines durch Querkraft belasteten FBG SONSOMNS A A Rn nee ine ees A eee een 17 Abb 8 Haftungsverlust zwischen Cladding und Coating c ccecceeseeeeeeeeeeeeeeeeeteaeeseeeeenees 20 Abb 9 Schematische Darstellung einer Messung mit einem OSA unnesserseersennneennn nennen 22 Abb 10 Schematische Darstellung des Aufbaus eines FBG Messger ts Quelle Firma Micron Optics INe a ea edie ie aaa agar 2
85. er Extensometer zur Ermittlung von Dehnungen sind zurzeit die g ngigsten Verfahren Dabei wird die Dehnung der FBG Sensoren mit der entspre chenden Messunsicherheit der DMS bestimmt Der gro e Nachteil dieser Art der Referenzie rung liegt jedoch darin dass nicht spezifiziert werden kann ob beispielsweise der Klebstoff des FBG Dehnungssensors nicht genug Dehnung bertr gt dieser zu spr de oder zu weich ist oder ob der Sensor nicht mehr am Messobjekt haftet Einfluss des Coatings auf den Dehnungs bertragungskoeffizienten Da die FBG Sensoren mit den unterschiedlichen Coatings mit derselben Technik und jeweils dem gleichen Klebstoff auf den Proben appliziert wurden konnte das Verhalten der FBG Sensoren bez glich des Coatings miteinander verglichen werden In Abb 27 ist die relative Bragg Wellenl ngen nderung von FBG Sensoren mit verschiedenen Coatings bei Applizierung mit dem Klebstoff Kyowa CC 33A im Vergleich zur Dehnung der DMS auf den Messobjekten untersucht worden Dabei wurden die drei Temperaturstufen 60 C 23 C und 85 C jeweils konstant gehalten w hrend die Probe in der Zugpr fmaschine belastet wurde Dargestellt sind in Abb 27 f r das jeweilige Coating zusammenfassend die Messdaten der Bragg Wellenl ngen nderung bezogen auf die aufgebrachte Dehnung aus allen drei Temperaturstu fen in einer Messkurve F r jedes FBG wurden die Messdaten gemittelt und die entsprechende Ausgleichsgerade eingezeichnet Aus der Ausgle
86. er Probe eine geringere Dehnung erfasst Es kann hiermit gezeigt werden dass bei Referenzierung mit DMS dieser durch m gliche Applizierungsunsicherheiten ebenso falsche Messwerte liefern kann wie auch ein fehlerhaft applizierter FBG Sensor Dies ist beim Vergleich zwischen den Ausgleichsgeraden des DMS und der Dehnung des Messob jekts aus der 3D Stereokorrelation in Bezug auf das FBG in Abb 35 zu erkennen 72 BAM Dissertationsreihe Ill Validierungsmessplatz KALFOS m DMS Dehnung A Messobjekt Dehnung aus ARAMIS 0 2 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 Dehnung ein mm m relative Bragg Wellenl ngen nderung AA A in mm m Abb 35 Bestimmung des Dehnungs bertragungskoeffizienten bei Bezug der Wellenl ngen nderung des FBG Dehnungssensors aus Abb 34 entcoatetes FBG appliziert mit Loctite 147 auf die Dehnung des DMS und auf die Dehnung des Messobjekts Dar gestellt sind die Ausgleichsgeraden der Messwerte nach Ermittlung mit der 3D Stereokorrelation Der Dehnungs bertragungskoeffizient zwischen der Bragg Wellenl ngen nderung und der Messobjekt Dehnung aus der 3D Stereokorrelation betr gt 0 77 und best tigt somit eine gute Dehnungs bertragung Der Vergleich der Bragg Wellenl ngen nderung mit der Dehnung des DMS erzeugt einen Dehnungs bertragungskoeffizienten von 0 89 Dieser Wert ist stark fehler behaftet da die in diesem Fall schlechte Dehnungserfassung des DMS keine gute Abbildung der wahren Dehnungen d
87. er Temperatur dargestellt uu rs2ss0ssnsnnnennsnnnnnsnnnnennnnnnennnnnnnnn 104 Abb 57 nderung der Bragg Wellenlange ber der Zeit bei 10 Belastungsstufen 4 50 N Die Bezugs Bragg Wellenl nge ohne Belastung betr gt 1550 99 nm Nach der Belastung hat sich die Bezugs Bragg Wellenl nge auf 1551 157 nm erh ht 105 Abb 58 nderung der Bragg Wellenl nge ber der aufgebrachten Kraft eines aus zwei vorgefertigten H lften bestehenden Patches 4404444044Hnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 106 Abb 59 Bestimmung des Dehnungs bertragungskoeffizienten K 0 85 f r ein FBG Patch aus der Anderung der Bragg Wellenlange gegen ber der Dehnungs nderung des Messobjekts gemessen mit DMS ccccceeesceeeeeeeceeeeeeeeeeeeeeaeesaeeseeeesceseaeeseaeeeseeeeeneeseaeees 107 Abb 60 Blick auf die Innenseiten des Stellvertreter Rotorblatts mit den Anschlussboxen der Sensorketten Die Sensorketten sind in den vier Gurtkan len integriert auf denen die beiden Stege aufgeklebt wurden rsunrnnssernennnnnnnnnnnnnnnernnnnnnnnnnnnn nennen nnnnnnnnennnnnnn 109 Abb 61 Gesamtansicht auf das Rotorblatt das bereits f r die Belastungsversuche in einer Pr fvorrichtung eingespannt wurde Standort Testlabor der BAM Abteilung Bauiwerkssicherhe iti sk Ronda teeth ciate aeaea aaa aa iiaa dente baie paT 110 Abb 62 Darstellung des Brechungsindexverlaufs Uber die Faserlange z
88. ergibt sich aufgrund dieser Kraft am Substrat ein Kr ftegleichgewicht wie in Abb 15 dargestellt R dF 05 dog Abb 15 Schematische Darstellung der Spannungen und Kr fte am Substrat 28 BAM Dissertationsreihe I Einleitung und Grundlagen Mit der angreifenden Kraft F o A bezogen auf die Fl che des Substrats A d dz und der an der Grenzschicht zwischen Substrat und Klebstoff angreifenden Schubspannung t F A mit A dx dz ergibt sich das Kraftegleichgewicht in x Richtung zu Che05 do Tr ae a 24 Das Kr ftegleichgewicht bei Dehnung des Substrats muss auch an der Faser selbst bestimmt werden wie in Abb 16 dargestellt Dabei wirkt eine Schubspannung t F A auf die halb ein gebettete Faseroberfl che A nt r dx An der Faser greift die Kraft F o A ber die Fa serfl che A m r an FptdFy op dog Fop i Abb 16 Schematische Darstellung der Spannungen und Kr fte an der Faser Das Kr ftegleichgewicht nach Abb 16 ergibt sich in x Richtung zu Che05 Tie 25 dx r F Um aus GI 24 und 25 die Dehnung des Substrats bzw der Faser berechnen zu k nnen wird angenommen dass der E Modul des Substrats E der E Modul der Faser E und der Schubmodul des Klebstoffs G konstant sind Es gilt des Weiteren 0 x E amp s k 26 oplx Ey eplx 27 Us Up T G y G L 28 K Leitet man GI 26 nach x ab und setzt dies in GI 24 ein so l sst
89. ern und Raumtempera tur dargestellt 101 100 h 0 015 mm 93 4 h 0 03 mm g2 4 h 0 045 mm h 0 05 mm h 0 1 mm Dehnungs bertragungsrate s s in xinmm Abb 18 Berechneter Einfluss der Klebstoffschichtdicke auf die Dehnungs bertragungsrate bei einer Verklebungsl nge von L 60 mm In Abb 18 zeigt die nderung der Klebstoffschichtdicke dass bei steigender Klebstoffschicht dicke die Dehnungs bertragung ber die L nge der Verklebung abnimmt Dies kann man je doch durch eine l ngere Verklebung ausgleichen Bei einer Klebstoffschichtdicke von 50 um erreicht man bei einer Verklebungsl nge von 60 mm bereits noch 15 mm links und rechts von der Mitte der Verklebung eine Dehnung von 99 blaue Kurve Erh ht man die Klebstoff schichtdicke auf 100 um so erreicht man 15 mm links und rechts von der Mitte der Verklebung nur noch eine Dehnung von 97 cyan farbene Kurve Der Einfluss der Klebstoffschichtdicke ist kleiner als der Einfluss der Verklebungsl nge auf die Dehnungs bertragungsrate Durch 33 I Einleitung und Grundlagen eine sehr d nne Klebstoffschichtdicke in Kombination mit einer sehr langen Verklebung kann eine optimale Dehnungs bertragung erreicht werden Variiert man nach Modell B den Kleb stoff berhang a so kann man einen Einfluss auf die Dehnungs bertragungsrate in Abb 19 erkennen 100 z s 9 g D 97 Cc S 96 E a 0 a 0 2mm S A
90. erschiebungen an Materialoberfl chen Dieses Verfahren geh rt wie auch die 3D Stereokorrelation zu den Ganzfeldmethoden der experimentellen Spannungs und Verformungsanalyse Im Gegensatz zu DMS die punktuell bzw lokal begrenzt Dehnungen erfassen beziehen sich hier die ermittel ten Messgr en auf einen ausgew hlten Bereich der betrachteten Oberfl che dem Messfeld Die ESPI nutzt zur Charakterisierung der Oberfl che eines Messobjekts das entstehende Speckle Muster wenn die optisch raue Oberfl che mit koh rentem Licht beleuchtet wird Speckle sind helle und dunkle Tupfer die sich zu einem charakteristischen granulierten Mus ter dem sogenannten Speckle Muster zusammensetzen Das Speckle Muster entspricht einer granularen Intensit tsverteilung des reflektierten koh renten Lichts und entsteht in der Kamera durch berlagerung vieler Strahlen mit zuf lligen Phasen an der diffus reflektierenden Oberfla che des Messobjekts siehe Abb 42 A Wird ein Speckle Muster des Messobjekts nach me chanischer Belastung mit einem vorher aufgenommenen Referenzbild der Speckle berlagert so entsteht ein Speckle Interferogramm siehe Abb 42 B mit H henlinien das eine Aussage ber die Geometrie des Messobjekts zul sst und somit Form nderungen und Deformationen messbar macht Die ESPI nutzt Speckle Interferogramme zur Messung von Ver nderungen der Messob jektoberfl che Die Speckle entstehen dabei durch Beleuchtung des Messfeldes mit einem gr
91. es Langzeitverhaltens der eingesetzten Faser verbundwerkstoffe zu integrieren Aus Sicht der faseroptischen Sensorik lag der Bearbeitungs schwerpunkt auf der Erarbeitung einer Integrationstechnik f r die FBG Dehnungssensoren so dass diese im Herstellungsprozess des Rotorblattes nicht zerst rt wurden einen guten Haf tungsverbund mit dem umgebenden Material eingingen und damit langzeitstabile und zuverl s sige Messdaten liefern Da zum Zeitpunkt der Integration die oberfl chenapplizierten Patches aufgrund der Patchdicke von 1 mm und den noch auftretenden Kriecheffekten nicht in Frage kamen wurde ein Integrationskonzept angepasst an die Anforderungen der Rotorblattherstel ler entwickelt Der erwartete Dehnungsbereich des Stellvertreter Rotorblattes betrug 2 mm m Eine Vorspannung von 3 mm m musste auf die einzelnen Sensoren aufgebracht werden damit eine Druckbelastung der optischen Faser in Achsrichtung vermieden wurde Bei einer leicht konkaven bzw konvexen Form der beiden Rotorblatt Halbschalen war ein Vor spannen einer Glasfaser mit einer Kette von FBG Dehnungssensoren ein sogenanntes FBG Array ber eine L nge von 8 m nicht m glich Die FBG Dehnungssensoren mussten also so konzipiert sein dass die Arrays st ckweise vorgespannt werden konnten Robustheit gegen ber der Aush rtetemperatur und Stabilit t gegen ber den noch aufzutragenden GFK Gewebeschichten mussten beachtet werden Die Messwerte der integrierten FBG Dehnungssens
92. es Messobjekts darstellt Benutzt ein Anwender einen DMS der ohne seine Kenntnis einen nicht akzeptablen Messfehler erzeugt als Referenz dann w rde dieser einen falschen Dehnungs bertragungskoeffizienten f r den FBG Dehnungssensor ermitteln und dementsprechend falsche Messwerte erhalten Dieses Beispiel macht deutlich dass nur eine unabh ngige Bestimmung der Dehnung ber ein gr eres Messfeld direkt an der Mess stelle des FBG Dehnungssensors eine zuverl ssige Referenz liefert Mit der 3D Stereokorrelation k nnen die Dehnungen in den einzelnen Segmenten Messobjekt Klebstoff optische Faser ermittelt werden Damit wird eine optische Beurteilung der Dehnungen in diesen drei unterschiedlichen Materialbereichen m glich In Abb 36 ist dar gestellt wie sich die mittleren Dehnungen des Messobjekts Aluminium des Klebstoffs Loctite 147 und der optischer Faser mit Acrylat Coating in den einzelnen Belastungsstufen verhal ten Dabei wurde das Messobjekt in Stufen von 1 kN belastet Die Stufen wurden jeweils eine 73 Ill Validierungsmessplatz KALFOS halbe Stunde lang gehalten Nach einer maximalen Belastung von 4 KN wurde das Messobjekt entlastet 0 8 ass ETEEN paa ee PLE VRR EPEAT PAE PEPE A EOE 0 6 optische Faser 0 4 0 2 mittlere Dehnung ein mm m 0 2000 4000 6000 8000 10000 Zeit ins Abb 36 Darstellung der mit der 3D Stereokorrelation ermittelten mittleren Dehnungen des Messobjekts des Klebstoff
93. etween the specimen and the FBG strain sensor is the main focus of this work The influencing parameters on the strain distribu tion have been quantified experimentally and the change in Bragg wavelength has been inves tigated in relation to the strain measured by strain gauges The material properties of the adhe sives have been partly investigated On the basis of these experiments a testing facility for surface applied FBG strain sensors has been developed The functionality of the experimental methodology for the determination of the strain factor has been shown The characterisation of the testing facility and the validity of FBG strain sensors through the experimental methodology inhere developed have been started For the case of the strain determination in wind turbine rotor blades specially adapted FBG patches have been developed and qualified An integration technique for FBG strain sensors into the rotor blade has been developed as well As a first step of standardizing this measurement technique a national standard has been de veloped under the contribution of the author Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis l Einleitung und Grundlagen nunrenusnsnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 1 1 1 Motivation und Zugang zur Problemstellung 22444444H nn 1 1 1 1 Faser Bragg Gitter in der Luftfahrtindustrie u 4444 44er nnnnn nennen 1 1 1 2 Bedeutung der Zuverl ssigkeit oberfl chena
94. ezeigt werden dass der Dehnungs bertragungskoeffizient bei einigen Kleb stoffen stark temperaturabhangig ist F llt die Wahl auf einen Klebstoff dessen mechanische Parameter sich mit der Temperatur ndern so ist f r die Bestimmung der Dehnungs bertra gung die Nutzung eines Kalibrierdiagramms von gro er Bedeutung Die Aufnahme zus tzlicher Kalibrierdiagramme ist f r die weitere anwendungsorientierte Nutzung der FBG Dehnungssensoren sinnvoll Insbesondere bei Messungen bei denen die pr zise Bestimmung der Bauteildehnung unabdingbar ist muss sichergestellt sein dass der korrekte Dehnungs bertragungskoeffizient f r die Dehnungsberechnung aus der Wellenl ngen nderung des Sen sors verwendet wird Die Charakterisierung der Klebstoffe in ihrem mechanischen und thermischen Verhalten ist aufgrund der Abh ngigkeit der Dehnungs bertragung von den mechanischen Parametern der Klebstoffe ein wichtiger Teil dieser Arbeit Es konnte gezeigt werden dass eine genaue Kenntnis des Aush rtungsverhalten des Klebstoffsystems wichtig ist und der Aush rtezustand analysiert werden muss da sonst unter Umst nden der Anwender nicht erkennt dass das Sys 113 VI Zusammenfassung und Ausblick tem nicht richtig chemisch ausgeh rtet sondern nur fest geworden ist und sich allm hlich mit fortschreitender Zeit ver ndern kann Die Auswirkung von Feuchte auf bestimmte Coatings der FBG Dehnungssensoren konn te gezeigt werden Umfassendere Untersuch
95. fl che dienen 36 BAM Dissertationsreihe I Einleitung und Grundlagen 1 2 4 3 Acrylat und Epoxidharz Klebstoffe Zum Aufbau und den Eigenschaften der unterschiedlichsten Klebstoffe gibt es in der Literatur zahlreiche Quellen Mit Hinblick auf die Aush rtebedingungen sind die Acrylat und Epoxidharz Klebstoffe die beiden f r diese Arbeit wichtigsten Klebstofftypen Cyanacrylate besser bekannt als Sekundenkleber geh ren zur Gruppe der chemisch h rtenden Acrylatklebstoffe Aufgrund der Struktur der Monomere im Cyanacrylat wird der H r tungsprozess durch die Feuchte bestimmt die in der Klebefuge lt 0 1 mm vorherrscht Ist der Cyanacrylat Klebstoff ausgeh rtet bildet dieser einen Thermoplast der spr de ist und sich kaum plastifizieren l sst Um das hohe Kriechverhalten von Thermoplasten auszugleichen werden die Cyanacrylat Klebstoffe durch Vernetzer modifiziert Cyanacrylat Klebstoffe lassen sich einfach verarbeiten Bro05 Zur schnellen Fixierung von optischen Fasern sind diese gut geeignet jedoch nehmen die Cyanacrylat Klebstoffe wenig Verformung auf und platzen ent sprechend bei sehr hohen Dehnung einige Prozent vor allem bei dynamischer Belastung von den Probek rpern ab Die Familie der Epoxidharz Klebstoffe ist sehr gro Eine der wichtigsten Epoxid harzgruppen beinhaltet Bisphenol A Epoxidharze k nnen auf zwei unterschiedliche Weisen miteinander reagieren Zum einen setzt die H rtungsreaktion durch Erh hung
96. fl che kommen Sch digun gen des Bauteils k nnen auch durch die im Wasser gel sten korrosiven Elemente z B Chloridionen ausgel st werden In Abschnitt II Kapitel 8 wird im Einzelnen auf die Feuch teproblematik bei verklebten faseroptischen Sensoren eingegangen 39 I Einleitung und Grundlagen 1 3 Validierung Der Begriff Validierung ist in der DIN EN ISO IEC 17025 2005 in Abschnitt 5 4 5 1 definiert Die Validierung ist die Best tigung durch Untersuchung und Bereitstellung eines Nachweises dass die besonderen Anforderungen f r einen speziellen beabsichtigten Gebrauch erf llt wer den DINO5 Validierung ist somit das Durchf hren einer Pr faufgabe mit der gepr ft werden kann ob die Kundenanforderungen also der spezielle beabsichtigte Gebrauch erf llt wer den Nach der vom Deutschen Akkreditierungsrat DAR 1996 herausgegebenen Empfehlung ATF 27 96 bedeutet Validierung in Bezug auf ein Pr fverfahren dass nachgewiesen werden muss dass dieses Pr fverfahren geeignet ist um die vorgegebene Pr faufgabe zu erf llen DAR96 Um eine Validierung durchf hren zu k nnen m ssen also 3 Punkte erf llt werden DAR96 Das Pr fverfahren muss charakterisiert werden Die Qualit t des Pr fverfahrens muss mit den Qualit tsanforderungen des Kunden verglichen werden Es muss ein Nachweis ber die Erf llung der Qualit tsanforderungen erbracht wer den Bevor eine Validierung durchgef hrt werden kan
97. heint in gewissem Ma e reversibel zu sein Allerdings reagieren die einzelnen Sen soren unterschiedlich stark empfindlich auf die Feuchte nderung obwohl diese in dieselbe Faser eingeschrieben wurden Um den Einfluss von Feuchtigkeit auf den Dehnungs bertragungskoeffizienten m g lichst gering zu halten bietet es sich im einfachsten Fall an die Messstellen einschlie lich der FBG Dehnungssensoren durch eine angebrachte Abdeckung vor Feuchtigkeit zu sch tzen Die Quantifizierung des Feuchteeinflusses auf die Dehnungs bertragung sowohl in Bezug auf das Coating als auch den Klebstoff bedarf jedoch weiterf hrender Untersuchungen Wird der Ein fluss von Feuchtigkeit bei Messungen mit FBG Dehnungssensoren nicht beachtet so kommt es unter Umst nden zu signifikanten Messfehlern In weiterf hrenden Untersuchungen muss die nderung der mechanischen Parameter von Ormocer gecoateten FBG Sensoren mit der Feuchte analysiert werden Als n chster Schritt muss untersucht werden inwieweit sich die mechanische Belastbarkeit der eingesetzten Klebstoffe durch Feuchtigkeit ndern Diese Untersuchungen k nnen weiterf hrend im Rah men des neuen Validierungsmessplatzes in der BAM Abschnitt Ill und in Kombination mit Klimakammern f r die Feuchtezyklen durchgef hrt werden 68 BAM Dissertationsreihe Ill Validierungsmessplatz KALFOS II Validierungsmessplatz KALFOS In diesem Abschnitt wird die Entwicklung einer Messmethodik zur Charakterisier
98. hnungs bertragungskoeffizient unabh ngig von der Temperatur ist Im Anhang siehe Kapitel A 1 sind in Tabellen f r alle hier verwendeten Klebstoffe in Kombination mit verschiedenen Coatings im Dehnungsbereich von 0 bis 1 4 mm m der Proben bei gleichzeitiger Temperatur nderung die ermittelten Dehnungs bertragungskoeffizienten aufgef hrt Allein die Bestimmung eines geeigneten Klebstoffs f r eine optimale Dehnungs bertragung unter den genannten Temperaturbedingungen h tte den gesamten Zeitraum dieser Arbeit in Anspruch genommen Nach Meinung der Autorin ist die gezielte Entwicklung eines angepassten Klebstoffs f r FBG Dehnungssensoren unvermeidbar und von grundlegender Bedeutung f r die messtechnische Anwendung dieser Sensorik 63 Il Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung Die Wiederholbarkeit der Messergebnisse der durchgef hrten Versuche konnte f r alle Klebstoff Coating Kombinationen durch eine repr sentative Anzahl von Pr fzyklen zwischen sechs und zehn bei den jeweiligen Temperaturstufen gezeigt werden In Abb 31 sind exem plarisch die Ausgleichsgerade durch die ermittelten Messwerte und die dazu geh rigen Abwei chungen der Messwerte eines FBG Dehnungssensors mit Ormocer Coating f r sechs Pr f zyklen bei 23 C dargestellt m AA A 0 035 mm m K 0 696 0 002 en oO D gt oO to 6 Pr fzyklen 0 2 0 0 0 2 0 4 0 6
99. ich Die FBG Sensoren wurden mit MBond 610 auf den Proben appliziert In Abb 49 ist eine Probe mit applizierten Sensoren dargestellt Darunter ist in Abb 50 die bereits mit Lack pr parierte Probe f r die 3D Stereokorrelations Messung zu se hen 89 Ill Validierungsmessplatz KALFOS Abb 49 Zugprobe mit appliziertem FBG und DMS Abb 50 Pr parierte Zugprobe f r Dehnungsmessung mit 3D Stereokorrelation Im hinteren Bereich des Bildes ist der DMS zu erkennen vorn ist der FBG Sensor appliziert Zun chst wurde f r die drei Proben die Dehnung des vorderen DMS mit der ermittelten Deh nung der Probenoberfl che aus der 3D Stereokorrelations Messung verglichen F r die opti sche Faser wurde ein Facettenfeld der Gr e 0 1 mm x 18 mm gew hlt und f r den DMS wur de ein Facettenfeld der Gr e 4 mm x 8 mm gew hlt Dabei sind im DMS Facettenfeld 1128 Facetten zusammengefasst und im Faser Facettenfeld 103 Facetten Dies liegt daran dass im 90 BAM Dissertationsreihe Ill Validierungsmessplatz KALFOS Gegensatz zum DMS Facettenfeld im Faser Facettenfeld die Facetten relativ gro gew hlt werden mussten um das Koordinatenrauschen in Form von Kippen der Facette im Raum zu minimieren In Abb 51 ist zu erkennen dass f r alle drei Proben die Dehnungen des DMS gut mit den aus der 3D Stereokorrelation ermittelten Probendehnungen korrelieren Die Abwei chungen liegen innerhalb der Messunsicherheiten der beiden Messverf
100. ich dass neben schon abgel sten St cken des Coatings Teile des Coatings am Cladding haften k nnen Treten diese Abl sevorg nge bei applizierten optischen Fasern auf die ein FBG als Sensor enthalten so kann es bei der Dehnungs bertragung vom Messobjekt auf den Sensor zu St rungen kommen L st sich ein Teil des Coatings im Bereich des FBG Sensors vom Cladding und existiert gleichzeitig ein weiterer Bereich in dem der FBG Sensor einen Haftverbund mit dem Coating eingeht erfahrt der FBG Sensor eine Deh nung die nicht mehr als Dehnung des Messobjekts interpretierbar ist Um Effekte dieser Art zu vermeiden wird eine spezielle Anpassung oder Entwicklung des Coatings z B mit angepass ten mechanischen Eigenschaften zur Optimierung der Dehnungs bertragung angestrebt Dies ist f r eine optimale Anbindung des Sensors an das Messobjekt von wesentlicher Bedeutung 20 BAM Dissertationsreihe I Einleitung und Grundlagen 1 2 2 5 FBG Messtechnik und Signalauswertung Die wellenl ngenbasierte Messtechnik zur Aufnahme und Auswertung der Signale von FBG hat sich in den letzten Jahren enorm weiterentwickelt Es gibt mehrere Verfahren um die Bragg Wellenl nge das eigentliche Messsignal zu erfassen und auszuwerten Die am h ufigsten genutzte Messtechnik basiert auf den Prinzipien des Wavelength Divison Multiplexing WDM und des Time Division Multiplexing TDM Beim WDM werden die unterschiedlichen Zentral wellenl ngen der einzelnen
101. ich von 10 mm m bis 100 mm m Wie schon zuvor erw hnt wird der k Faktor von DMS in einem Dehnungsbe reich von 1000 um m ermittelt Dies liegt darin begr ndet dass der DMS Hersteller die Kalib rierung des DMS auf einem Testk rper vornimmt bei dem sichergestellt sein muss dass die ser im rein linear elastischen Bereich belastet wird um eine hohe Wiederholgenauigkeit zu erzielen Sehr hohe elastische Dehnungen eines Messobjekts die den DMS bereits plastisch verformen f hren zu nicht mehr verwertbaren Messergebnissen wenn das Verhalten des k Faktors bei plastischer Verformung des DMS nicht ber cksichtigt wird Ein Beispiel f r problematische Messungen mit DMS ist die Applizierung von DMS w h rend der Konstruktion einer Br cke mit einer Verst rkung aus kohlefaserverst rktem Kunststoff CFK Beim Verspannen der Br cke kommt es dann aufgrund der sehr hohen Dehnungen die aufgebracht werden zum Abplatzen der DMS Ein anderes Beispiel ist die lokal in ein Messob jekt induzierte W rme durch den Stromfluss am DMS die bei speziellen Kunststoffen bereits zu einer lokalen Modifikation der mechanischen Eigenschaften f hren kann Eine vergleichbare Anwendung von DMS auf heutzutage neu entwickelte Materialien kann deshalb ohne Ber cksichtigung und Kenntnis dieser neuen Materialeigenschaften und der Eigenschaften und des Verhaltens der DMS zu stark fehlerbehafteten Messergebnissen f hren Oft ist die Anwendung von DMS aufgrund der Messbedi
102. ichsgeraden wurde die Steigung berechnet 58 BAM Dissertationsreihe Il Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung die dem Dehnungs bertragungskoeffizienten also der relativen Bragg Wellenl ngen nderung bezogen auf die Dehnung des DMS entspricht Entcoatet K 0 72 1 2 Ormocer K 0 75 4 Acrylat K 0 67 0 2 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 Dehnung des DMS in mm m relative Bragg Wellenl ngen nderung AA A in mm m Abb 27 Verhalten von FBG Sensoren mit verschiedenen Coatings ber einen Dehnungsbereich von 1 4 mm m Die FBG Sensoren wurden mit Kyowa CC 33A appliziert Deutlich ist zu erkennen dass das FBG mit Acrylat Coating den schlechtesten Dehnungs ber tragungskoeffizient von 0 67 erreicht w hrend das Ormocer Coating eine bessere Deh nungs bertragung als das entcoatete FBG aufweist Vermutlich liegt hier eine sehr gute Haf tung zwischen Ormocer und dem Klebstoff vor Im Temperaturbereich von 60 C bis 85 C zeigten alle drei Coatings keine Dehnungs bertragungsunterschiede was darauf schlie en l sst dass sich der Klebstoff in diesem Temperaturbereich chemisch nicht ver ndert und somit in seinen mechanischen Parametern konstant bleibt Bei einem anderen Klebstofftyp konnte ebenfalls ein hnliches Verhalten der Dehnungs bertragung der unterschiedlichen Coatings festgestellt werden wie in Abb 28 dargestellt 59 II Untersuchung Einflu
103. ierung der FBG als Dehnungssensoren sind Gegenstand dieser Arbeit Bisher ist f r oberfl chenapplizierte FBG Dehnungssensoren kein gepr ftes und zertifiziertes Applizierungsverfahren bekannt Die Be stimmung der Dehnungs bertragung und die Definition eines Dehnungs bertragungskoeffizien ten aus der nderung der Bragg Wellenl nge in Relation zur Dehnung des Messobjekts sind bisher mit keinem experimentellen Pr fverfahren validiert worden Diese Arbeit behandelt die Entwicklung einer Messmethodik zur Bestimmung der Dehnungs bertragung zwischen Mess objekt und FBG Dehnungssensor durch ein physikalisch unabh ngiges optisches Referenzver fahren Die auf die Dehnungs bertragung Einfluss nehmenden Parameter wurden zun chst experimentell quantifiziert und die Wellenl ngen nderung der FBG Dehnungssensoren in Rela tion zur Dehnungsmessung mit Dehnungsmessstreifen analysiert Einige Werkstoffkennwerte der eingesetzten Klebstoffe wurden bestimmt Auf Basis dieser Untersuchungen wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Pr feinrichtung f r oberfl chenapplizierte FBG Dehnungssensoren aufgebaut Die Funktionsf higkeit der Mess methodik wird aufgezeigt Untersuchungen die die Charakterisierung der Pr feinrichtung und die Validierbarkeit von FBG Dehnungssensoren durch die hier entwickelte Messmethode zum Ziel haben sind in dieser Arbeit begonnen worden F r den Spezialfall der Dehnungsermittlung an einem Rotorblatt sind oberfl chenapplizierbare FBG Pat
104. ierungstechniken kann gef rdert und optimiert werden Damit ist der Grundstein f r die Bewertung der Zuverl ssigkeit dieser Messtechnik gelegt die f r die An wendung in sicherheitsrelevanten Industriebereichen von prinzipieller Bedeutung ist 115 VII Literaturverzeichnis Vil Abe06 Ans98 Ara09 AST25 Bro05 Che05 Cor07 DAR96 DE51 DINO5 DIN55 DIN56 DIN69 DIN77 Duc99 116 Literaturverzeichnis Abe l Fraz o O Schiller M W Nogueira R N Kalinowski H J Pinto J L Bragg gratings in normal and reduced diameter high birefringence fibre optics Jour nal of Measurement Science and Technology Vol 17 pp 1477 1484 2006 Ansari F Libo Y Mechanics of Bond and Interface Shear Transfer in Optical Fiber Sensors Journal of Engineering Mechanics pp 385 394 1998 ARAMIS Benutzerhandbuch Software ARAMIS v6 1 und h her 2009 ASTM E 251 92 Standard Test Methods for Performance Characteristics of Metallic Bonded Resistance Strain Gages Brockmann W Gei P L Klingen J Schr der B Klebtechnik Wiley VCH Ver lag Weinheim 2005 Cheng Ch Ch Lo Y L Pun B S Chang Y M Li W Y An Investigation of Bonding Layer Characteristics of Substrate Bonded Fiber Bragg Grating Journal of Lightwave Technology Vol 23 11 pp 3907 3915 2005 Corres J M Arregui F J Matias I R Sensitivity optimization of tapered optical fiber hu
105. ihe I Einleitung und Grundlagen Ar OM re Are oA ON erp ia oA di T fa apt Het op AT 2 A Du HT de a b In Teil a in GI 4 wird der Einfluss einer Temperatur nderung auf die Bragg Wellenlange beschrieben Teil b stellt den Anteil der Wellenl ngen nderung aufgrund einer eingetragenen Dehnung dar Einfluss der Temperatur Eine Temperatur nderung ohne gleichzeitige mechanische Belastung der Faser de 0 f hrt zu einer nderung in der Bragg Wellenl nge m 1 Mer 1 OA OE SE ae a a a a dT 5 a bezeichnet den thermooptischen Koeffizienten a 8 6 10 f r Germanium dotierte Glas fasern und a beschreibt den W rmeausdehnungskoeffizienten von synthetischem Quarzglas a 0 55 10 F r die nderung der Bragg Wellenl nge bezogen auf eine Temperaturande rung kann man daher einen Temperaturkoeffizienten K einf hren so dass gilt An K AT 6 BO Die Bragg Wellenl ngen nderung wird dabei auf die Bezugs Bragg Wellenl nge 4 bezogen Die Bezugs Bragg Wellenl nge wird in dieser Arbeit als die Bragg Wellenl nge bezeichnet die bei der Nullpunkt Messung ermittelt wird Der Temperaturkoeffizient verh lt sich bei hohen Temperaturen nichtlinear und kann mit einem Polynom 2 Ordnung beschrieben werden des sen Koeffizienten durch Kalibrierung bestimmt werden m ssen Flo04 Einfluss einer homogenen uniaxialen Dehnung Wirkt bei konstanter Temperatur eine homogene uniaxiale Dehnung
106. in Die Applizierung im Rotorblatt eines Prototyps einer Offshore Windkraftanlage geschah nachtr glich Hieraus erga ben sich deutlich erh hte Anforderungen an die Handhabbarkeit der FBG Dehnungssensoren Diese wurden deshalb in Form von Patches appliziert IV 2 1 Konzept und Aufbau Zun chst wurden geeignete GFK Gewebe ausgew hlt und mit verschiedenen Epoxidharzen vergossen um verschiedene Konstruktionsvarianten der Patches zu untersuchen Die Kon struktion des Patches musste schrittweise verbessert werden bis das Patch die gew nschten Anforderungen erf llte Das Patch besteht aus einem vierlagigen Gewebeaufbau wobei das FBG zwischen Lage zwei und drei eingebettet ist Der Gewebeaufbau ist so gew hlt dass das Patch in Wirkungsrichtung die geringste Steifigkeit besitzt und somit der Einfluss auf das Messobjekt minimiert ist Um unn tige bergangszonen der Dehnung zu vermeiden wurde das Coating der FBG Dehnungssensoren stellenweise thermisch entfernt Damit die Glasfaser sicher aus dem Patch herausgef hrt werden konnte wurde diese mit Kapillaren und einer Kunststoffummantelung versehen Die geforderte Vorspannung wurde durch eine f r diesen Zweck entwickelte Vorrichtung zum Vorspannen der FBG Dehnungssensoren eingetragen Die Vorspanneinrichtung konnte w hrend der Temperung in den Ofen integriert werden In Abb 54 ist ein appliziertes Patch auf einer Zugprobe aus Stahl dargestellt 101 IV FBG Dehnungssensoren als Patches
107. in der M glichkeit mehr Sensoren gleichzeitig durch einen gr eren Wellen l ngenbereich abzutasten Diese kommerziell erh ltlichen Interrogatoren erreichen derzeit 22 BAM Dissertationsreihe I Einleitung und Grundlagen eine Abtastrate von 500 kHz Dies macht den Einsatz von Interrogatoren f r statische und qua sistatische Messungen m glich Interrogator Coupler Swept Laser D D n o fe a T D 72 FBGS Computer Interface Abb 10 Schematische Darstellung des Aufbaus eines FBG Messger ts Quelle Firma Micron Optics Inc F r dynamische Messungen sind zwar bereits spezielle Messger te konzipiert worden die eine Abtastung von FBG Messsignalen im h heren kHz Bereich erm glichen jedoch sind diese bisher noch nicht zur Produktreife gelangt Der Trend bei der kommerziell erh ltlichen Messtechnik geht dahin die Robustheit zu optimieren und die Ger te kompakter zu gestalten um diese f r Feldeins tze zu nutzen Zudem wird die Labormesstechnik hinsichtlich h herer Aufl sung und schnellerer Abtastung f r h here Frequenzen weiterentwickelt Die Software bei den in dieser Arbeit eingesetzten Interrogatoren si425 si720 sm125 und sm130 von der Firma Micron Optics Inc ist ein offener LabView Code bei dem die vom Messger t mit dem jeweiligen Messverfahren ermittelte Bragg Wellenl nge ausgegeben wird Werden FBG als Dehnungssensoren oder Temperatursensoren eingesetzt
108. ind Die Wellenl ngen der eingesetzten FBG Sensoren m ssen im Messbereich des Messger ts liegen Es gibt hoch reflektierende und niedrig reflektierende FBG entsprechende Einstellungen m ssen im Ger t zur Detektion des Antwortsignals bei unterschiedlichen reflektierten Leistungen vorgenommen werden Die Konfiguration der Sensoren d h die Festlegung der jeweiligen Bragg Wellenl ngen ist so zu w hlen dass kein Antwortsignal eines FBG sich mit dem Antwortsignal eines anderen FBG berlappt Wichtig ist dies wenn beispielsweise an einem Messkanal mehrere FBG ange schlossen sind die auf einem Messobjekt teilweise auf Zug und auf Druck beansprucht wer 24 BAM Dissertationsreihe I Einleitung und Grundlagen den Bei der Messobjektdeformation w rden sich dann unter Umst nden die reflektierten Wel lenl ngen berlagern was eine Analyse des Messsignals nicht mehr m glich macht 1 2 2 6 Dehnungssensoren basierend auf Faser Bragg Gitter Wie bei DMS gibt es auch bei FBG als Dehnungssensoren eine groBe Vielzahl von Varianten DMS werden nach bestimmten Kriterien wie z B Ohmscher Widerstand Gr e Art der Br ckenschaltung Rosette Universalanwendung oder Spezialanwendung z B hohe Temperatu ren offen oder gekapselt bzw Anpassung an bestimmte Werkstoffe in Serien und Familien unterteilt Bei den FBG Dehnungssensoren hat jedoch eine einheitliche Klassifizierung auf grund der zu geringen kommerziellen Verbreitung noch nich
109. it 3D Stereokorrelation im Vergleich zu den Dehnungen des DMS dargestellt Die Messdaten aus der 3D Stereokorrelation im Ver gleich zur Dehnung des FBG und des Messobjekts sind jeweils mit einer Ausgleichsgeraden gefittet worden Die im Vergleich zu den Messdaten des DMS oder des FBG stark streuenden Messdaten der 3D Stereokorrelation sind auf das gro e Koordinatenrauschen dieser Mess technik zur ckzuf hren Um das Rauschen zu minimieren werden innerhalb des eingesetzten digitalen Bildkorrelationsalgorithmus Mittelungen durchgef hrt Dabei wird ein Facettenfeld de finiert z B f r die optische Faser 0 1 mm x 18 mm und f r das Messobjekt 1 mm x 18 mm bei dem aus den Dehnungswerten jeder einzelnen Facette ein Dehnungs Mittelwert des Facet tenfeldes errechnet wird 71 Ill Validierungsmessplatz KALFOS 1 6 DMS Dehnung FBG Dehnung 1 4 a FBG Dehnung aus ARAMIS Substrat Dehnung aus ARAMIS 0 8 0 6 0 4 Dehnung ein mm m 0 2 0 0 0 2 Kraft Fin kN Abb 34 Darstellung und Vergleich der gemittelten Dehnungen aus dem Messsignal des FBG Dehnungssensors dem DMS und der 3D Stereokorrelation bei dem die Dehnung des Messobjekts Substrat und der Oberfl che der Glasfaser gemessen worden ist Deutlich ist zu erkennen dass die Dehnung des FBG sehr gut mit der Dehnung des Messob jekts und den ermittelten Dehnungen aus der 3D Stereokorrelation korreliert Der DMS hinge gen hat an der R ckseite d
110. itter eingeschrieben werden Dabei wird der mittlere effektive Brechungsindex zus tzlich durch eine z abh ngige Phasen nderung bestimmt Bei gau f rmi gen Brechungsindex nderungen kommt dann zus tzlich auch eine richtungsabh ngige nde rung des Brechungsindexes hinzu 134 BAM Dissertationsreihe A Anhang A 3 Pockel Koeffizienten Die Abhangigkeit der Brechzahl von einer elektrischen Feldstarke bezeichnet man als elektro optischen oder Pockels Effekt Die photoelastische Matrix Lp mit den Pockel Koeffizienten ist nach Ste97 wie folgt definiert P Po Ps Pu Pis Pro P2 Pu Px Pr Ps Pr Ip _ Ps Pa Pa Pa Ps Ps Pig Pa Pa Pu Pa Ps Pis Pos Ps Pas Ps Pse LPis Pr Ps Pa Pse Poo 64 F r isotrope Materialien wie einer optischen Faser ergibt sich f r die photoelastische Matrix folgendes Ste97 P Pa Pr 0 0 0 Po P Pr 0 0 0 Po Pa Pu 0 0 0 PaP p 0 0 ad 0 0 65 0 0 0 0 Pu 5 P 2 0 0 0 0 0 0 P Pr L 2 sd Damit sind zur vollstandigen Beschreibung der photoelastischen Matrix nur die beiden Pockel Koeffizienten p und p notwendig 135 Lebenslauf Lebenslauf Vivien Gisela Schl ter geboren am 30 September 1981 in Mettmann Beruflicher Werdegang Seit Juni 2009 Bundesanstalt f r Materialforschung und pr fung Berlin Wissenschaftliche Mitarbeiterin Juni 2006 Juni 2009 Bundesanstalt f r Materialforschung und pr fung Berlin Doktorandin in der Arbeitsg
111. l 1 2 3 1 noch durch Variation der Parametergr e verdeutlicht Der Radius und der E Modul der Faser werden dabei nicht variiert da diese durch die Herstellung und Materialparameter der Fasern vorgegeben sind und nicht beeinflusst wer den k nnen Der Einfluss des Klebstoff berhangs aus Modell B wird direkt durch eine nde rung der Klebstoffschichtdicke Gl 20 deutlich Abschlie end betrachtet kann aus der nun ermittelten Gl 42 abgeleitet nach x und in Gl 25 eingesetzt die in Gl 43 dargestellte Schubspannung an den Grenzen zum Klebstoff ermittelt werden f cosh kx rene Bales En ae 31 I Einleitung und Grundlagen 1 2 3 1 Einfluss nehmende Parameter auf die Dehnungs bertragung nach dem Dehnungs bertragungsmodell Durch Variation von Geometrie und Material Parameter ber die L nge der Klebung l sst sich deren Einfluss auf die Dehnungs bertragung in den folgenden Diagrammen qualitativ darstel len Zun chst wird der Einfluss der Klebel nge L auf die Dehnungs bertragung zwischen Substrat und Faser betrachtet Dabei wurde die Klebel nge von der Mitte der Klebung bei x 0 aus variiert d h aufgrund der Symmetrie werden f r L 2 verschiedene Werte angenommen F r die anderen Einfluss nehmenden Parameter wurden folgende Werte angenommen dx 0 015 mm const E 72 000 mm rp 0 0625 mm amp 0 1 pee m Aus Gl 42 l sst sich somit die Dehnungs bertragungsrate als Verh ltnis zwischen
112. lastungsstufen der Probe bis zu einer Dehnung von 1 4 mm m bei jeder Temperaturstufe zu erkennen Es wird deutlich dass die Steigung also der Dehnungs bertragungskoeffizient der Belastungskurve f r die verschiedenen Temperaturstu fen unterschiedlich ist Bei niedrigen Temperaturen z B 20 C ist die Steigung gr er und somit auch der Dehnungs bertragungskoeffizient h her Dieses Verhalten ist darauf zur ckzu f hren dass sowohl der Klebstoff als auch in gewissem Ma e das Coating mit sinkender Tem peratur spr der werden und somit die Dehnung vom Messobjekt auf den FBG Sensor besser bertragen wird F r diesen Klebstoff werden mit zunehmender Temperatur die Kurven gering f gig flacher was eine Verringerung des Dehnungs bertragungskoeffizienten aufgrund einer m glichen Klebstofferweichung bedeutet Dieses Verhalten ist umso ausgepr gter je unvoll 62 BAM Dissertationsreihe Il Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung st ndiger der genutzte Klebstoff bei Durchf hrung der Untersuchungen ausgehartet ist Im An hang Kapitel A 1 1 sind f r die verschiedenen Coatings die Dehnungs bertragungskoeffizien ten mit dem Klebstoff Loctite 147 bei den einzelnen Temperaturstufen dargestellt Mathematisch l sst sich die scheinbare Dehnung des Messobjekts aufgrund einer Tem peratur nderung ohne mechanische Belastung als nderung der Bezugs Bragg Wellenl nge beschreiben Au m K 8 amp 51
113. ld Abb 42 B ausdr ckt Multipliziert man die Streifenan zahl mit dem Empfindlichkeitsvektor so erh lt man die Gr e der Verformung Abb 42 C die in der Dicke und Anzahl der Interferenzstreifen kodiert ist Zur Berechnung der Verformungs richtung muss noch eine Phasenschiebe Technik angewendet werden Durch korrigierende Ma nahmen zur Rauschreduzierung l sst sich dann eine Aussage ber die Gestalt nderung und somit ber die Dehnung des Messobjekts treffen Abb 42 D F r das ESPI Verfahren ist 80 BAM Dissertationsreihe Ill Validierungsmessplatz KALFOS die Kette der Bildverarbeitung mit ihren Einzelschritten in vereinfachter Form in Abb 42 darge stellt A Specklebild B Intensitatsmuster C Phasenbild D Verformung Abb 42 Darstellung der einzelnen Datenverarbeitungsschritte auf dem Weg von einem Specklemuster zur Berechnung der Ver formung eines Messobjekts Bildquelle Firma Dantec Dynamics Inc Die zeitliche Dauer eines kompletten Bildeinzugs betr gt 0 75 Sekunden In dieser Zeit darf sich das Messobjekt nicht bewegen da die Berechnung der Phasenverschiebung w hrend der Messung durchgef hrt wird Dies stellt extrem erh hte Anforderungen an die Belastungsein richtung siehe Abschnitt IIl 1 2 Die Funktionsf higkeit dieses Referenzverfahrens wurde an Zugproben mit oberfl chen applizierten FBG Dehnungssensoren gezeigt F r die in Kapitel Ill 1 1 1 in Abb 36 und 37 dar gestellte Probe wurde ein Zug
114. le Kalibrierscheiben auf denen von den Kameras bestimmte Punkte erkannt werden m ssen Mit der Kalibrierung wird die Konfiguration des Referenzverfahrens festgelegt d h der Abstand der Kameras die Orientierung der Kameras zueinander sowie die Abbildungsei genschaften der Objektive Fokus Brennweite Verzeichnung Alle diese Parameter werden in der Software zur Berechnung der Koordinaten des Kalibrierk rpers genutzt und auf das Mess objekt zur ckgerechnet Wird eine Kalibrierung nicht korrekt durchgef hrt oder werden einige Punkte nicht erkannt so kann keine korrekte Berechnung der Koordinaten der Punkte und der daraus resultierenden Verschiebungen erfolgen F r einige Proben aus Kapitel 11 7 sind die Zugversuche bei Raumtemperatur 23 C wiederholt worden Zus tzlich zu den DMS wurde die 3D Stereokorrelation als Referenzmess verfahren eingesetzt Somit ist auch ein Abgleich zwischen der gemessenen Dehnung des DMS und den ermittelten Dehnungen durch die 3D Stereokorrelation m glich Der Vorteil der 3D Stereokorrelation besteht in der optischen Darstellung der Dehnungen und Verschiebungs felder des Messobjekts des Klebstoffs und der Faser so dass Relativoewegungen zwischen Sensor und Messobjekt detektiert werden k nnen In Abb 34 sind f r ein mit Loctite 147 auf Aluminium appliziertes entcoatetes FBG die ermittelten Dehnungen des FBG sowohl aus der FBG Messung als auch durch 3D Stereokorrelation und des Messobjekts ermittelt m
115. lebstoff wird bei niedrigen Temperaturen spr der und bertr gt die Dehnung besser als bei h heren Temperaturen Beispielhaft ist dies in Abb 29 f r das mit Acrylat gecoatete FBG dargestellt 60 BAM Dissertationsreihe Il Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung T 85 C K 0 57 e T 23 C K 0 54 T 20 C K 0 68 02 00 02 04 06 08 10 12 14 16 Dehnung e des DMS in mm m relative Bragg Wellenl ngen nderung A2 A in mm m Abb 29 FBG mit Acrylat Coating mittels Loctite 147 appliziert Bei T 20 ist ein deutlicher Anstieg des Dehnungs bertragungskoeffizienten zu erkennen Der Klebstoff Loctite 147 verh lt sich bei niedrigen Temperaturen spr der Eine solche Ver n derung der Klebstoffeigenschaften ist f r eine Quantifizierung des Dehnungs bertragungskoef fizienten sehr schlecht W nschenswert ist ein Klebstoff der sich ber den geforderten Tempe raturbereich chemisch nicht ver ndert und somit konstante mechanische Eigenschaften auf weist so dass der Dehnungs bertragungskoeffizient sich nicht ndert Kombination von Temperatur und Lasteinfluss Zur Beschreibung des Verhaltens von Klebstoff und Coating bei mechanischer Beanspruchung der Probe und gleichzeitiger Temperatureinwirkung k nnen Kalibrierdiagramme aufgestellt werden Exemplarisch ist in Abb 30 ein solches Kalibrierdiagramm f r einen FBG Dehnungssensor mit Ormocer Coating dargestellt
116. lebstoffs notwendig Der Schubmodul ist mit dem E Modul des Klebstoffs und der Querkontraktionszahl v ber G E 2 1 v gekoppelt Demnach ist die Kenntnis des E Moduls des Klebstoffs und der Querkontraktionszahl f r eine Berechnung der Dehnungs bertragung sowie der Ber cksichtigung weiterer Klebstoffkennwer te von wesentlicher Bedeutung Zur Bestimmung des E Moduls von verschiedenen Klebstoffen wurden zunachst Mikroin dentation Versuche durchgef hrt Die instrumentierte Eindringpr fung zu der auch die Mikroin dentation geh rt ist in der Norm ISO 14577 ISO77 beschrieben Ein Indenter also ein Ein dringk rper z B Berkovich Pyramide wird mit kontinuierlich anwachsender Kraft bis zu ei nem bestimmten Wert unter 1 N in das Messobjekt gedr ckt wobei gleichzeitig die Eindring tiefe des Indenters in das Messobjekt gemessen wird Das Ergebnis dieses Tests wird durch ein Kraft Eindringtiefe Verh ltnis beschrieben Der elastische Eindringmodul der mit dem E Modul des Messobjekts vergleichbar ist wird aus der Steigung der Entlastungskurve im Kraft Eindringtiefe Diagramm errechnet Diese Versuche wurden an miniaturisierten Zugproben aus Klebstoff Anfangsmessl nge 20 mm x Anfangsbreite 2 mm durchgef hrt Es wurden ins gesamt sechs ausgew hlte Klebstoffe untersucht Lediglich f r einen Klebstoff Epotek 353 ND konnte mit hinreichender Messunsicherheit der E Modul bestimmt werden Das Kraft Eindringtiefe Diagramm ist f r diesen
117. ll Klebstoff Kyowa CC 33A Messobjekt Al 2024 Temperatur Ormocer Coating Acrylat Coating Entcoatet 23 C 0 71 0 41 0 53 30 C 0 66 0 35 0 41 40 C 0 68 0 35 0 43 Klebstoff Loctite 147 Messobjekt Al 2024 Temperatur Ormocer Coating Acrylat Coating Entcoatet 23 C 0 82 0 61 0 53 Klebstoff Weicon Easy Mix S Messobjekt Al 2024 Temperatur Acrylat Coating 23 C 0 41 30 C 0 34 40 C 0 25 50 C 0 26 60 C 0 27 70 C 0 29 80 C 0 24 130 BAM Dissertationsreihe A Anhang A 1 3 Klebstoff Locite 147 Messobjekt Al 2024 Temperatur 23 C Vergleich der Dehnungs bertragungskoeffizienten ermittelt mit DMS und 3D Stereokorrelation vgl Abschnitt 111 1 1 1 Referenzierung Ormocer Coating Acrylat Coating Entcoatet DMS 0 833 0 601 0 794 3D Stereokorrelation 0 788 0 600 0 767 Klebstoff Kyowa CC 33A Messobjekt Al 2024 Temperatur 23 C Referenzierung Acrylat Coating Entcoatet DMS 0 754 0 873 3D Stereokorrelation 0 751 0 828 131 A Anhang A 2 Mathematische Darstellung des Brechungsindexes Die Herleitung des Brechungsindexes ist in vielen Literaturstellen ausf hrlich beschrieben und wird an dieser Stelle zum besseren Verst ndnis aus Jah01 kurz zitiert Durch die Maxwell schen Gleichungen sind die Dielektrizit tszahl und der Brechungsindex n ber die Per
118. mea bilit tszahl 4 miteinander verkn pft n p 53 Da die Dielektrizit tszahl in Abh ngigkeit von der Frequenz komplex ist wird der Brechungsin dex ebenfalls komplex Somit kann dieser in einen Real und in einen Imagin rteil aufgespaltet werden Fur dielektrische Materialien kann u 1 gesetzt werden so dass gilt R 54 n n in 55 n n 2inn 56 Die Absorption ist bei Glasfasern bzw Materialien die zur Lichtausbreitung verwendet werden sehr gering und kann daher mit n lt lt n vernachl ssigt werden Ref ilm n Zinn 57 An dieser Stelle wird der Absorptionskoeffizienten a eingef hrt der sich wie folgt ergibt 2nn a A k n 58 Hierbei ist die Wellenzahl mit k bezeichnet und die Wellenl nge im Vakuum mit A Aus den GI 57 und 58 kann man erkennen dass der Imagin rteil der Dielektrizit tszahl mit dem Ab sorptionskoeffizienten verbunden ist A n Im 2 a 59 ko Der Realteil der komplexen Dielektrizi tszahl ist mit dem Brechungsindex verkn pft Mit der Kramers Kronig Beziehung kann gezeigt werden dass zwischen Real und Imagin rteil der Dielektrizit tszahl eine Integralbeziehung besteht F r den Brechungsindex n und den Ab sorptionskoeffizienten a gilt durch die Kramers Kronig Beziehungen folgendes aay ALA 60 T Po 0 132 BAM Dissertationsreihe A Anhang walo _ n o 1 iv 61 oO mio
119. midity sensors by means of tuning the thickness of nanostructured sensitive coatings Journal of Sensors and Actuators B Chemical Vol 122 pp 442 449 2007 DAR ATF 27 96 Validierung im Pr fwesen Empfehlung f r Pr flaboratorien und Begutachter Deutsches Patentamt und Markenamt Offenlegungsschrift DE 10 2005 030 751 A1 DIN EN ISO IEC 17025 2005 Allgemeine Anforderungen an die Kompetenz von Pr f und Kalibrierlaboratorien DIN 54455 Pr fung von Metallklebstoffen und Metallklebungen Torsionsscher Versuch DIN 54456 Pr fung von Konstruktionsklebstoffen und klebungen Klimabest n digkeitsversuch DIN EN 14869 2 Strukturklebstoffe Bestimmung des Scherverhaltens struktureller Klebungen Teil 2 Scherpr fung f r dicke F geteile DIN EN ISO 14577 1 Instrumentierte Eindringpr fung zur Bestimmung der H rte und anderer Werkstoffparameter Teil 1 Pr fverfahren Duck G Renaud G Measures R The mechanical load transfer into a distributed optical fiber sensor due to a linear strain gradient embedded and surface bonded cases Journal of Smart Materials and Structures Vol 8 pp 175 181 1999 BAM Dissertationsreihe VII Literaturverzeichnis Ehr99 End80 EP97 Fau77 Flo04 Gaf00 Hab03 Har98 Hau02 Hof08 Hof87 Hua03 IMO ISO08 Jah01 Jen07 Ehrenstein G Polymer Werkstoffe Hanser Fachbuch Verlag 1999 En
120. mit seiner aktiven Gitterl nge im Schnitt A A dargestellt Darunter sind schematisch die Verh ltnisse der Dehnungen zwischen Bauteil und Tr germaterial amp amp und Bauteil und Messgitter amp amp mit den entsprechenden bergangsl ngen sr und Ur dargestellt 6 BAM Dissertationsreihe I Einleitung und Grundlagen Infolge der Krafteinleitung durch die Dehnung des Bauteils in den DMS besitzt das Mess gitter bereits eine endliche Dehnung ey die wie die Dehnung des Tragermaterials so lange ansteigt bis diese den Wert von amp erreicht Wird ein anderes Tr germaterial mit anderem E Modul bei gleichen geometrischen Verh ltnissen eingesetzt so wird die bergangsl nge Un gr er bzw kleiner Dies liegt darin begr ndet dass z B ein weicheres Tr germaterial in geringerem Ma e die Dehnung auf das Messgitter bertragen kann Dadurch ndert sich auch in geringem Ma e der k Faktor des DMS Roh59 da sich die Dehnung y amp ber eine klei nere L nge des Gitters ausbildet In Abb 1 ist auch zu erkennen dass die Gitterl nge des Messgitters einen deutlichen Einfluss auf den k Faktor hat Wird die Gitterlange immer kleiner so kann es sogar dazu f hren dass selbst in der Mitte des Messgitters amp nicht mehr er reicht wird vgl Kei95 S 60 Roh89 S 496 Sto00 S 63 64 und der k Faktor absinkt Rohrbach und Czaika erweiterten dieses einfache Modell und konnten schlie lich auch Aussa gen be
121. n muss also der spezielle beabsichtigte Gebrauch des Kunden klar definiert sein und die Eigenschaften und die Leistungsf higkeit des Pr fverfahrens m ssen bekannt sein Validiert werden m ssen nach DINO5 Verfahren die zur Pr fung entwickelt worden sind und nicht in normativen Dokumenten festgelegt sind F r das hier entwickelte Pr fverfahren zur Bestimmung der Dehnungs bertragung vom Messobjekt auf den faseroptischen Sensor und den in dieser Arbeit aufgebauten Pr fplatz muss daher eine Charakterisierung des Pr fverfahrens durchgef hrt werden um die Eigen schaften und Verfahrensmerkmale zu bestimmen Die zu bestimmenden Verfahrensmerkmale sind im wesentlichen Messunsicherheit Pr zision Wiederholbedingungen Pr fbereich Linea rit tsbereich Empfindlichkeit und Selektivit t DAR96 Diese Verfahrensmerkmale m ssen f r den zu erwartenden und definierten Anwendungsbereich des Pr fverfahrens ermittelt werden Zur Bestimmung der Charakteristika von Pr fverfahren k nnen die Einfluss nehmenden Parameter untersucht werden Dabei werden die Einflussparameter wie z B Temperatur oder Luftfeuchte systematisch variiert und an verschiedenen Pr fobjekten angewendet und quantifi ziert Dadurch erh lt man f r Vergleichsbedingungen die Streuung der Ergebnisse und kann die Messunsicherheit nach GUM ISO Guideline to the Expression of Uncertainty in Measure ment ISO08 bestimmen 40 BAM Dissertationsreihe I Einleitung und Grun
122. n aufgrund der empfindlichen Sensorik die oft auf beiden Seiten der Proben aufgebracht ist nur auf der schmalen Seite der Probek rper ange bracht werden Aufgrund der Spannfedern kommt es zum Kippen des Extensometers auf der schmalen Probenseite Eine sichere Anbringung ist oft nicht m glich und schlie t somit eine Verwendung dieses Messprinzips zur Referenzierung aus Zur Beurteilung der Haftung und der Klebstoffgeometrie sind zuvor Gef geschliffe herge stellt worden Diese bieten zwar die M glichkeit die Klebstoffgeometrie genau auszumessen f hren jedoch zur vollst ndigen Zerst rung der Proben und der darauf applizierten teuren Sen sorik Aus diesen Gr nden fiel die Wahl eines Referenzverfahrens auf ein optisches System Zun chst wurden mit einem 3D Stereokorrelationsverfahren Versuche zur Bestimmung der Dehnung von Probek rper Klebstoff und appliziertem FBG Dehnungssensor durchgef hrt Diese wurden mit den gemessenen Dehnungen der DMS verglichen und bewertet Kapitel 1 1 1 2 111 1 1 1 Dehnungsmessung mit 3D Stereokorrelation als Referenz Das hier eingesetzte 3D Stereokorrelationsverfahren ist das ARAMIS System der Firma GOM Gesellschaft f r optische Messtechnik mbH Es ist ein ber hrungslos arbeitendes 3D Verformungsmesssystem und besteht aus zwei Kameras die in einem bestimmten Winkel zu einander angeordnet ein definiertes Messfeld auf dem Probek rper betrachten Das Messfeld wird hierf r als ein fleckenartiges schw
123. n der Faser an der Stelle x 0 also genau in der Mitte der Faser den Dehnungen des Substrats entsprechen Es gilt amp x 0 amp x 0 F r die zweite Randbedingung gilt An den Enden der Faser bei x L wird 30 BAM Dissertationsreihe I Einleitung und Grundlagen die bertragene Dehnung mit 0 angenommen da hier vom Substrat in die Faser noch keine Dehnungen eingetragen worden sind Es gilt also elx L 0 Ersetzt man in Gl 35 die e Funktion durch ihre Definition von cosh x und sinh x mit e cosh x sinh x 36 e cosh x sinh x 37 so ergibt sich f r Gl 35 elx C cosh kx sinh kx C cosh kx sinh kx y 38 Setzt man in GI 38 die erste Randbedingung ein so ergibt sich C C 39 Setzt man hier nun auch noch die 2 Randbedingung ein so ergibt sich C zu 0 C cosh kL sinh kL cosh kL sinh kL 40 Es O T sinha 41 Die vollst ndige L sung f r GI 38 ergibt sich durch Einsetzen der beiden zuvor bestimmten Konstanten zu eee fi 42 sinh kL Es wird deutlich dass in dem Modell nach Che05 und Ste05 zwischen der Dehnung des Substrats und der Dehnung der Faser ein proportionaler Zusammenhang besteht Dieser pro portionale Zusammenhang wird durch mehrere Parameter beeinflusst die L nge der Klebung L und durch k das quivalent zur Wurzel aus GI E dx Tr ist Der Einfluss dreier dieser f nf Parameter wird im Anschluss in Kapite
124. n der Verschiebung von 2 um festgestellt werden Dies zeigt sich in einer Messunsicherheit in der ermittelten Dehnung von 20 um m 94 BAM Dissertationsreihe Ill Validierungsmessplatz KALFOS 3 Beim Einspannen der Messobjekte wirkte durch die Fertigungstoleranzen der Spannbacken und der starren Konstruktion der Probenhalteraufhangung ohne Gelenk eine Druckkraft von 1 5 kN in Achsrichtung auf die Messobjekte Diese Druckkraft verursachte bei einigen Messobjekten ein plastisches Verbiegen Die Ursache liegt in den Spannbacken Diese werden in die Probenhalter eingehakt und haben geringes Spiel so dass die Proben selbst bei optimaler Ausrichtung ungleichm ig geklemmt werden Dieses Problem wurde durch eine gesonderte Programmierung der Probenhalterregelung beseitigt Dabei wird die beim Schlie en der Spannbacken aufgebrachte Kraft auf das Messobjekt ausgeregelt so dass das Messobjekt ann hernd druckfrei in der Halterung eingespannt ist 4 Ein Abgleich zwischen dem Traversenweg und dem tats chlich zur ckgelegten Weg des Messobjekts durch Verifizierung der Messobjektverschiebung mit der 3D Stereokorrelation ergab einen um ca 200 um gr eren Traversenweg der Be lastungseinrichtung bei Beanspruchung im Vergleich zur Verformung des Mess objekts Dies liegt am Verlust von Weg an den Verschraubungen und Aufh ngun gen der Probenhalter und der Kraftmessdose Bei Messungen bei denen der Traversenweg rechnerisch ber cksichtigt wird
125. n f hren Ste72 Je nach Aufbau des DMS kann sein E Modul zwischen 7 GPa und 20 GPa Per84 liegen Da Verst rkungseffekte von DMS sehr stark von den jeweiligen Mess objekten des Anwenders Geometrie Werkstoff abh ngen gibt es keinen generellen Korrek turfaktor f r den Messwert Beim Einsatz von d nnen Faserverbundwerkstoffen oder anisotro pen Materialien m ssen die Verst rkungseffekte von DMS Rosetten f r jede Orientierungsrich I Einleitung und Grundlagen tung ermittelt werden Der Messfehler kann dabei in jeder Orientierungsrichtung unterschiedlich sein Die Messunsicherheiten bei DMS h ngen stark von den Applizierungs und Einsatzbe dingungen ab und vervielfachen sich je mehr diese Bedingungen in ihrer Komplexit t von den Kalibrierbedingungen des Herstellers abweichen 1 2 1 2 Grenzen von DMS und DMS Messtechnik Urspr nglich sind DMS f r die Dehnungsmessung auf metallischen Werkstoffen oder Beton entwickelt und angepasst worden Durch die heutige Entwicklung vieler neuer Werkstoffe vor allem im Bereich Faserverbundwerkstoffe und Kunststoffe mit von Metall und Beton stark ab weichenden mechanischen Eigenschaften und anderen Einsatzbedingungen gelangt der Ein satz von DMS an seine Grenzen Durch die Entwicklung dieser neuen oft intelligenten Mate rialien und dem immer h ufigeren Einsatz von Faserverbundwerkstoffen nimmt auch die Not wendigkeit stark zu gro e bis sehr gro e Dehnungen zu erfassen im Bere
126. n mit weiteren Einflussparametern wie z B Luftfeuchte oder chemisch aggressive Medien kann in vielen F llen nicht getroffen werden In der Literatur Li05 Duc99 Sir90 Ans98 sind bereits einige theoretische Modelle erarbeitet worden in denen eine optimale Anbindung des FBG Sensors an die Oberfl che eines Messobjekts bzw integriert in das Messobjekt beschrieben ist Ein experimenteller Vergleich zwischen DMS und FBG Sensoren ist in Rot08 beschrieben Hier wurde bei Raumtemperatur das Verhalten von FBG Sensoren im Vergleich zu DMS bei Zug und Biegebelastung untersucht Dabei wurde der Dehnungs bertragungskoeffizient durch Referenzierung mit DMS bestimmt und eine gute Reproduzier barkeit der Ergebnisse erzielt Appliziert wurden die Sensoren auf Zugproben aus verschiede nen Metallen Diese Versuche wurden bei kleinen Dehnungen bis zu 1700 um m durchgef hrt Das Verhalten des Dehnungs bertragungskoeffizienten bei sehr hohen Dehnungen oder einem erweiterten Temperaturspektrum wurde nicht untersucht In Sch08 sind erste experimentelle Untersuchungen zur Ausbildung der Klebstoffgeometrie f r die Applizierung von Fabry P rot Sensoren auf Sensortr gern durchgef hrt worden Dabei wurden zus tzlich exemplarische Klebstoffe und deren Dehnungs bertragungsverhalten bei applizierten Sensoren gegen ber DMS untersucht Einige Autoren Tru01 haben Werkzeuge entwickelt mit denen eine reprodu zierbare Applizierung von Sensoren auf Messobj
127. nd auf der Widerstands nderung von d nnem Kupferdraht bereits um 1938 Kei95 in den USA Seitdem ist der Dehnungsmessstreifen kontinuierlich weiterentwickelt wor den Durch zahlreiche Untersuchungen z B von C Rohrbach und N Czaika Roh61 Roh59 sind die Charakteristika von DMS festgestellt und in Handhabungsvorschriften und Richtlinien z B VDI VDE GESA 2635 VDI35 oder ASTM E 251 92 AST25 fixiert worden Der Dehnungsmessstreifen besteht aus d nnen metallischen Dr hten die auf einer oder zwischen zwei Folien aus isolierendem Material dem sogenannten Tr ger befestigt sind Wird der DMS auf ein Bauteil aufgeklebt das eine Dehnungs nderung A erf hrt so entsteht im DMS proportional zur Dehnungs nderung eine nderung des elektrischen Widerstands ak Roh89 so dass gilt R k bezeichnet den sogenannten k Faktor Prinzipiell wird der k Faktor also die Empfindlichkeit des DMS durch die Volumen nderung des Messdrahts und durch die nderung des spezifi schen Widerstands bestimmt vgl hierzu Kei95 S 36 43 Die Herstellungstechnologie des DMS beeinflusst z B durch W rmebehandlung oder der Kombination des Messgitters mit dem Tr germaterial zus tzlich den k Faktor Aber auch die Klebstoffschichtdicke und die Elas tizit t des Klebstoffs haben Einfluss Ste72 In der Regel wird der k Faktor eines DMS mittels einer Belastungseinrichtung innerhalb eines Dehnungsbereichs von 1000 um m unter defi I Einleitung und
128. ng des Brechungsindexes am FBG Interferenz Dabei wird ein Anteil des eingekop pelten Spektrums am Gitter reflektiert Dieser Anteil entspricht der Lichtwellenl nge 4 n der doppelten Periode der Brechzahlmodulation 2A Der reflektierte Anteil des Spektrums fehlt im transmittierten Spektrum Schematisch ist das Funktionsprinzip des FBG in Abb 4 dargestellt 11 I Einleitung und Grundlagen Eingekoppeltes Spektrum I Transmittiertes Spektrum I A Faser Bragg Gitter a Bragg Wellenl nge A 2 MA A Reflektiertes schmalbandiges Spektrum Abb 4 Schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines Faser Bragg Gitters Aus der konstruktiven Interferenz am Faser Bragg Gitter ergibt sich durch die Bragg Bedingung f r die Mittenwellenl nge A der Filterbandbreite Oth99 Ag Be 2 n B e AT e 2 Die mittlere effektive Brechzahl des Grundmodus des Lichtwellenleiters wird als n bezeichnet siehe Anhang Kapitel A 3 Die spektrale Breite des schmalbandigen Spektrums h ngt von der physischen L nge des Faser Bragg Gitters und der St rke der Brechzahl nderung ab Aufgrund ihrer Temperatur und Dehnungsempfindlichkeit in axialer Richtung eignen sich FBG zum Einsatz als Sensoren an Messobjekten Die nderung der Bragg Wellenl nge bezo gen auf eine mechanische Dehnung lt bzw einer Temperatur nderung AT ist in 3 dargestellt Oth99 dig T 6 wars 2 de 3 i 12 BAM Dissertationsre
129. ng in der optischen Faser Spannung im Messobjekt Schubspannung Kreisfrequenz BAM Dissertationsreihe A Anhang A Anhang A 1 Experimentell ermittelte Dehnungs bertragungskoeffizienten aus kombinierten Last Temperatur Versuchen vgl Abschnitt 11 4 A 1 1 Verklebungsart Vollflachig Klebstoff Kyowa CC 33A Messobjekt Al 2024 Temperatur Ormocer Coating Acrylat Coating Entcoatet 60 C 0 75 0 79 0 72 23 C 0 73 0 65 0 7 85 C 0 73 0 65 0 7 Klebstoff Loctite 147 Messobjekt Al 2024 Temperatur Ormocer Coating Acrylat Coating Entcoatet 20 C 0 67 0 66 0 65 23 C 0 71 0 63 0 7 40 C 0 72 0 63 0 6 50 C 0 71 0 6 0 65 60 C 0 74 0 64 0 69 70 C 0 71 0 62 0 66 85 C 0 72 0 63 0 66 Klebstoff Weicon Easy Mix S Messobjekt Al 2024 Temperatur Acrylat Coating 23 C 1 56 Pol 2 Ordn Klebstoff Vishay M Bond 200 Messobjekt CFK Temperatur Ormocer Coating Ormocer Coating vorgespannt nicht vorgespannt 20 C 0 80 0 80 10 C 0 80 0 80 23 C 0 81 0 81 30 C 0 80 0 80 40 C 0 82 0 80 50 C 0 67 0 80 65 C 0 64 0 81 129 A Anhang Klebstoff Kyowa CC 33A Messobjekt CFK Temperatur Ormocer Coating 20 C 0 78 10 C 0 78 23 C 0 79 35 C 0 79 50 C 0 79 65 C 0 79 A 1 2 _ Verklebungsart Punktue
130. ngeschrieben in der nur die Grundmode mit ihren beiden Polarisations richtungen ausbreitungsf hig ist 10 BAM Dissertationsreihe I Einleitung und Grundlagen 1 2 2 2 Prinzip Faser Bragg Gitter Ein Faser Bragg Gitter FBG ist ein in einen Lichtwellenleiter eingeschriebener optischer Inter ferenzfilter der durch eine periodische Modulation des Brechungsindexes der Faserkernbrech zahl entsteht Zwei Methoden zur Herstellung von Standard FBG haben sich in der Praxis durchge setzt Herstellung mittels Interferometrie und Herstellung mittels Phasenmaske Vor der FBG Herstellung muss zun chst durch Wasserstoffdiffusion die Photosensitivit t des Lichtwellenlei ters gesteigert werden Beim Herstellungsprozess mittels Interferenz wird der Lichtwellenleiter mit seinem photosensitiven Kern seitlich von UV Licht wie in Abb 3 gezeigt bestrahlt Dabei entsteht im Kern durch die UV Strahlung ein Interferenzmuster das dort eine nicht reversible permanente periodische Modulation des Brechungsindexes hervorruft Cladding N Faserkern A a Interferenzmuster Abb 3 Schematische Darstellung der Einschreibung eines Faser Bragg Gitters durch Interferenz nach Zeh04 Die Parameter des FBG werden durch den Herstellungsprozess bestimmt F r die Periode A der Brechzahlmodulation des FBG ergibt sich A 4y 2 sin 2 Wird ein Lichtspektrum in einen Lichtwellenleiter mit FBG eingekoppelt so entsteht durch die nderu
131. ngs bertragungsverhaltens von oberfl chenapplizierten FBG Dehnungssensoren entwickelt worden Die Arbeit beinhaltete zu n chst die Erfassung m glicher Einflussparameter auf die Dehnungs bertragung von FBG Sensoren sowie die Charakterisierung des Dehnungs bertragungskoeffizienten in Abh ngigkeit der verschiedenen Klebstoffe und Coatings der optischen Faser unter Temperatur Feuchte und mechanischer Beanspruchung der Messobjekte Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Tabellenform im Anhang dargestellt Eine gute Dehnungs bertragung zeigte sich bei FBG Dehnungssensoren die mit Ormocer gecoatet oder ungecoatet waren Bei diesen Vari anten konnten f r die eingesetzten Klebstoffe besonders hohe Dehnungs bertragungskoeffi zienten erzielt werden FBG Dehnungssensoren mit Acrylat Coating das im Vergleich zum Ormocer eine dicke Schicht darstellt und ein stark elastisches Materialverhalten zeigt haben erwartungsgem eher niedrige Dehnungs bertragungskoeffizienten erzielt Zudem sind opti sche Fasern mit Acrylat Coating nur in einem begrenzten Temperaturbereich einsetzbar Eine Optimierung des Coatings der FBG Dehnungssensoren ist eine sinnvolle Aufgabe in weiterf h renden Untersuchungen um die Dehnungs bertragung vom Messobjekt zum Sensor zu verbessern Eine Bewertung der Haftung zwischen Cladding und Coating der optischen Faser ist ebenso ein wichtiger Faktor und muss in eingehenden Studien weiter untersucht werden Es konnte g
132. ngssensor integriert wurde zuerst komplett vor gefertigt und getempert Danach wurden die beiden H lften mit dem dazwischen platzierten FBG Dehnungssensor verklebt In Abb 58 ist die nderung der Bragg Wellenl nge von der Belastung dieses Patches bei 23 C dargestellt Es ist zu erkennen dass nach mehreren Pr f zyklen mit dem auf diese Weise konstruierten Patch die Bezugs Bragg Wellenl nge konstant blieb und die Wellenl ngen nderung zur Berechnung der Dehnung eine Messunsicherheit von 0 15 mm m aufweist GFK Patch T 23 C 3 Pr fzyklen E 30 25 N lt 2 5 2 0 oO me 6 15 G1 oO D E 8 1 0 Cc 5 iG 05 D D 5 00 oO 2 Oo 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 e Kraft F in kN Abb 58 nderung der Bragg Wellenlange ber der aufgebrachten Kraft eines aus zwei vorgefertigten H lften bestehenden Patches Diese Patchkonstruktion aus zwei vorgefertigten Patchh lften in denen das vorgespannte FBG verklebt wurde zeigte deutliche Verbesserungen gegen ber den zuvor entwickelten Patchvari anten Die hohe Messunsicherheit von 150 um m allerdings gen gte den Anforderungen der Rotorblattentwickler f r eine pr zise Messung der Dehnungen in den Rotorbl ttern nicht Zur Verbesserung der Messunsicherheit und um das Patch geometrisch kleiner aber gleichzeitig robuster zu machen bedarf es an dieser Stelle einer langfristigen Fortf hrung der hier entwi ckelten Patches und Herst
133. ngungen bei diesen speziellen Materia lien daher auch nicht m glich Dagegen bieten faseroptische Dehnungssensoren mit ihren Ei genschaften gerade bei der Bestimmung des Strukturverhaltens von neuen Materialien nicht nur eine Alternative zu DMS sondern k nnen unter Messbedingungen arbeiten f r die DMS nicht ausgelegt sind 8 BAM Dissertationsreihe I Einleitung und Grundlagen Die fl chenhafte Ausbildung eines DMS begrenzt die Dehnungsmessung an sehr kleinen Messstellen Dort k nnen dagegen faseroptische Dehnungssensoren aufgrund ihrer kurzen physikalischen L nge bei sehr kleinem Durchmesser der optischen Faser zur punktgenauen Dehnungsbestimmung eingesetzt werden Elektromagnetische St rfelder Blitzeinschlag stel len gerade f r die Messsysteme und Sensoren in der Luftfahrt ein zus tzliches Problem dar Im Gegensatz zu DMS bleiben faseroptische Sensoren von Blitzeinschl gen unbeeinflusst Neben DMS die an ausgew hlten Messstellen an einem Messobjekt die Dehnung erfas sen haben sich mittlerweile auch rein optische Dehnungsmessverfahren etabliert die die Ver formung des Messobjekts ganzheitlich erfassen z B 3D Stereokorrelationsverfahren Pho togrammetrie Moir amp Verfahren etc Vor allem bei der Beurteilung des Messobjekts im Gan zen unter Eintragung gro er Dehnungen in Faserverbundwerkstoffe die deutlich ber den bei metallischen Werkstoffen blichen Dehnungen liegen sind die rein optischen Verfahren den DMS
134. nhang Kapitel A 1 2 f r die einzelnen Temperaturbereiche zusammengefasst 65 II Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung Durch diese Untersuchungen konnten die auf die Dehnungs bertragung Einfluss neh menden Parameter charakterisiert werden Als Referenzverfahren wurden zun chst herk mm liche elektrische Dehnungsmessstreifen genutzt Der Dehnungs bertragungskoeffizient wird daher ma geblich beeinflusst durch e Coating e Klebstoff e Temperatur in Kombination mit statischer Belastung Aufgrund der schon zuvor diskutierten Eigenschaften von DMS Kapitel 1 2 1 ist die Auswahl eines anderen Referenzverfahrens das direkt an der Messstelle der FBG Dehnungssensoren gleichzeitig messen kann gerade f r die Charakterisierung von Werkstoffen mit neuartigen Eigenschaften von gro er Bedeutung Auf das Referenzverfahren wird in Abschnitt III einge gangen 66 BAM Dissertationsreihe Il Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung 1 5 Relative Feuchte Verschiedene auf Aluminium Proben applizierte FBG Sensoren wurden Feuchtezyklen mit ei ner relativen Luftfeuchte von 40 60 und 90 bei 30 C unterworfen Es konnte bei den applizierten Sensoren eine Verschiebung der Bezugs Bragg Wellenl nge festgestellt werden Um diese Effekte genauer zu untersuchen wurden zun chst FBG Dehnungssensoren mit Or mocer und Acrylat Coating sowie entcoatete FBG im unapplizierten Zu
135. nnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnennnnnen nenn 32 1 2 4 Klebstoffe und Adh sion 2u44s2444nnne nenn nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnen nennen nn nnnnnnnnn 35 1 2 4 1 Grundlagen der Adh sion 2244444Bersnnne nennen nnnnnnnnnnnnnnnnnnnen nennen nnner nme 35 1 2 4 2 bersicht ber Klebstoffe und Primer 36 1 2 4 3 Acrylat und Epoxidharz Klebstoffe u4444044 nen nnnnnnnnnnn nenne nennen nennen nenn 37 1 2 4 4 Herstellung von Klebverbindungen 222442444Hsnnennnnnnnnnnnnnnnen nenne nennen nennen 37 1 2 4 5 Eigenschaften von Klebverbindungen 422444rsnnernnnnennnnen nenne nennen 38 1 3 Valldier ng 2 2 228er ek wate a eta ok Eide at 40 II Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs ber tragung zur Entwicklung einer Validierungsmethodik 20esee 42 11 1 Ermittlung von Klebstoffkennwerten u 222u44s4nn nennen nnnnnnnnnnnnnnnnnnen ernennen 42 11 1 1 Bestimmung des E Moduls u 224444444Hnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnen nennen nnnen nennen 44 Il 1 2 Bestimmung des thermischen Verhaltens u suuursnsnn nenn nenne nennen 47 1 2 Bestimmung von KlebstoffschichtdiCken cecceeseeeeseeeeseeeeseeeeeeeseneeeeaes 54 Inhaltsverzeichnis 11 3 11 4 11 5 Ml 11 1 11 1 1 111 1 1 1 111 1 1 2 11 1 2 11 1 3 11 1 4 111 2 11 2 1 11 2 2 IV IV 1 IV 2 IV 2 1 IV 2 2 IV 3 IV 4 Vi Vil Vill Ix 1 IX 2 Temperatur und Dehnungs
136. nsreihe Ill Validierungsmessplatz KALFOS 5 Es muss berpr ft werden inwieweit thermisch bedingte Luftverwirbelungen in nerhalb der Temperaturkammer sogenannte Schlieren die Messempfindlichkeit der 3D Stereokorrelation und des hochaufl senden ESPI Systems beeinflussen F r diese Untersuchungen m ssen jedoch speziell angefertigte Kalibrierk rper im Gegensatz zu den herk mmlichen Kalibrierscheiben siehe Abschnitt 111 1 1 1 zun chst gepr ft und eingesetzt werden die durch Motoren innerhalb der Tempe raturkammer zwecks Kalibrierung autonom gedreht werden k nnen Generell h ngt die Messunsicherheit bei der Dehnungsermittlung der Messobjektoberfl che durch die 3D Stereokorrelation von mehreren Faktoren ab Zum einen sind die Ebenheit und die Eignung des Glasscheibenpakets der Temperaturkammer f r die Bestimmung der Dehnung durch das optische Referenzverfahren von wesentlicher Bedeutung Erste Schritte zur Quantifi zierung dieser Problematik sind bereits angesprochen worden Die Genauigkeit mit der die 3D Stereokorrelation die Dehnung bestimmen kann ist prinzipiell von der Genauigkeit mit der die 3D Koordinaten der einzelnen definierten Facetten bestimmt werden k nnen abh ngig Eine Quantifizierung dieses Me systems kann erst bei Nutzung eines Bezugnormals siehe Kapitel II1 2 2 bzw durch Abgleich mit anderen Referenzverfahren siehe Kapitel 111 1 4 durchgef hrt werden Dabei h ngen die Messempfindlichkeit und damit die
137. nt des Glases ist sehr gering gegen ber dem des Bauteils und kann hier vernachl ssigt werden die gr te nderung in der Bragg Wellenl nge wird durch die thermische Abh ngigkeit des Brechungsindexes be wirkt Wird keine mechanische Last auf das Messobjekt aufgebracht so kann der Faktor K 56 BAM Dissertationsreihe Il Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung bei Kenntnis des Warmeausdehnungskoeffizienten a wie folgt ermittelt werden Nady 2go K Op K AT Wichtig bei der Berechnung der mechanischen Dehnung ist dass sich ausgehend von verschiedenen Temperaturen die Bezugs Bragg Wellenl nge 4go ndert Praktisch wird oft ein FBG Sensor der vom Messobjekt mechanisch entkoppelt ist als Temperatursensor eingesetzt Die nderung der Bragg Wellenlange des FBG Temperatursensors wird dann mit der des FBG Dehnungssensors der von Temperatur und Dehnung beeinflusst wird verrechnet Damit erh lt man die gew nschten Dehnungswerte des FBG Dehnungssensors Die Alternative w re ein temperaturkompensierter FBG Dehnungssensor wie es auch bei DMS blich ist Diese sind zwar auf verschiedenste Weisen bereits an Universit ten und For schungseinrichtungen entwickelt Hua03 Tan03 Har98 aber bisher kaum kommerzialisiert oder standardisiert worden Dem Anwender dieser Technik bleibt bisher nur brig selbst f r die jeweiligen Messstellen eine entsprechende Temperaturkompensation vorzusehen
138. nterlegten mathematischen Algorithmus zur Berech nung der Bragg Wellenl nge sind bisher nicht ber cksichtigt worden Die Kalib rierung des Messger ts erfolgte durch den Hersteller Die Erweiterung und Ver besserung des Fitalgorithmus insbesondere bei durch Querkr fte deformierten Spektren muss f r eine pr zise Bestimmung der Bragg Wellenl nge entschei dend weiterentwickelt werden 2 Das Temperierverhalten der Temperaturkammer kann mit einem kalibrierten Temperaturmesssystem ausgemessen werden um die Abweichung der Soll von der Ist Temperatur innerhalb der Kammer zu bestimmen 3 Eine Reihe von Belastungsmessungen an Standardzugproben bei der stets eine bestimmte Kraft ein bestimmter Weg oder eine bestimmte Dehnung vorgegeben wird ist zur Bestimmung der Wiederholbarkeit der Messungen durchzuf hren Die Anzahl der zu testenden Proben sollte mindestens 10 betragen Dabei sollten je Probe einige hundert Belastungszyklen durchgef hrt werden um eine statistische Aussage ber die Wiederholbarkeit zu erlangen Diese Untersuchungen sollten mit einer Vielzahl unterschiedlicher Probengr en durchgef hrt werden um den Verschlei der Spindel an bestimmten Stellen bei immer gleicher Probengr e und immer gleichem Weg aus der Errechnung der Messunsicherheit zu ermitteln 4 Generell muss die Beeinflussung des Messobjekts auf die Pr feinrichtung be stimmt bzw durch geeignete Ma nahmen ausgeschlossen werden 96 BAM Dissertatio
139. offe mit F llstoffen hatten sehr hohe Messunsicherheiten da hier zum Teil die Indenterspitze auf den F llstoff z B Stahl und bei der n chsten Messung in das umgebende Epoxidharz dr ckt Bei den Versuchen musste die Oberfl che der Klebstoffe jeweils abgeschlif fen werden da bei der Aush rtung der Klebstoffproben das Harz an die Oberfl che steigt und eine Art Haut bildet w hrend der F llstoff absinkt Eine abgeschliffene Oberfl che kann Mikro risse die das Verhalten des Materials beeintr chtigen aufweisen In der Klebstoffprobe einge schlossene Luftbl schen die nicht immer vollst ndig aus der Probe zu entfernen sind ndern ebenfalls die Materialeigenschaften so dass bei den Mikroindentation und Indentation Versuchen starke Streuungen der Messwerte an den einzelnen Proben entstehen 46 BAM Dissertationsreihe Il Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung GroBe Streuungen wie sie auch bei den Indentation Versuchen an den Klebstoffproben festzustellen waren ergaben sich ebenfalls bei Zugversuchen an miniaturisierten Zugproben aus Klebstoff Die Messunsicherheiten durch die Herstellung der Probek rper und dem Einspannen der Probek rper in die Pr fmaschine f hrten auch hier zu keinem verwertbaren Ergebnis Aufgrund dieser Erkenntnisse kann zur rechnerischen Ermittlung der Dehnungs bertra gung aus dem dargestellten Modell in Abschnitt I Kapitel 2 3 nur auf Klebstoffe mit vom Her st
140. on Ormocer gecoateten FBG Sensoren bei Anderung der relativen Luftfeuchte 240u444440snnnnnnnnnnnnnennnnnnennnnnnnnnnnnnnnnannnnnnnnnnnnnnnnn 67 Abb 34 Darstellung und Vergleich der gemittelten Dehnungen aus dem Messsignal des FBG Dehnungssensors dem DMS und der 3D Stereokorrelation bei dem die Dehnung des Messobjekts Substrat und der Oberfl che der Glasfaser gemessen worden ist 72 Abb 35 Bestimmung des Dehnungs bertragungskoeffizienten bei Bezug der Wellenl ngen nderung des FBG Dehnungssensors aus Abb 34 entcoatetes FBG appliziert mit Loctite 147 auf die Dehnung des DMS und auf die Dehnung des Messobjekts Dargestellt sind die Ausgleichsgeraden der Messwerte nach Ermittlung mit der 3D Stereok rrelation nnn een eaevseete never denned 73 Abb 36 Darstellung der mit der 3D Stereokorrelation ermittelten mittleren Dehnungen des Messobjekts des Klebstoffs Loctite 147 und der optischen Faser f r unterschiedliche Belastungsstufen Es ist zu erkennen dass die optische Faser bei erh hter Belastung eine geringere Dehnung erf hrt 44440u44Hnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnne 74 Abb 37 Falschfarbendarstellung der Verschiebungen in der opt Faser im Klebstoff und im Messobjekt bei einer Dehnung von 1400 um M unsssssensssnnnenssnnnnnnsnnnnnnnnnnannnnnnannn nn 75 122 BAM Dissertationsreihe VIII Abbildungsverzeichnis Abb 38 Bestimmung des Dehnungs be
141. on in den Verschiebungen sofort deutlich werden ohne eine Deh nungsberechnung durchf hren zu m ssen Da f r die Validierung und Kalibrierung von oberfl chenapplizierten FBG Dehnungs sensoren sehr geringe Dehnungen im Bereich von 1000 um m bis 2000 um m aufgebracht werden die mit dem Referenzverfahren erfasst werden m ssen ist das sehr empfindliche ESPI System aufgrund der h heren Aufl sung als Referenzverfahren besser geeignet als die 3D Stereokorrelation Die Begr ndung f r den kleinen Dehnungsbereich mit dem die applizier ten Sensoren belastet werden liegt in der notwendigen Wiederholbarkeit der Messungen mit einem Messobjekt und damit in der Reproduzierbarkeit der Versuche Die Messobjekte h ufig aus Metall m ssen dabei im elastischen Bereich belastet werden 83 Ill Validierungsmessplatz KALFOS 1 1 2 Anforderungen an die Pr feinrichtung In Abschnitt II konnte gezeigt werden dass die Dehnungs bertragung vom Messobjekt auf den FBG Dehnungssensor durch mehrere Parameter Belastung des Messobjekts Temperatur Luftfeuchte beeinflusst wird Die Wahl eines geeigneten Referenzierungsverfahrens um die Dehnungs bertragung vom Messobjekt zum FBG Dehnungssensor bewerten zu k nnen fiel auf das 3D ESPI Verfahren Neben dem 3D ESPI Verfahren soll jedoch auch die 3D Stereokorrelation an der Pr feinrichtung zur Bewertung der Dehnungs bertragung eingesetzt werden Die Anforderungen an die Pr feinrichtung ergeben sich dahe
142. oren k nnen durch Integration in Faserverbundwerkstoff Bauteilen bereits zur berwachung des Herstellungsprozesses eingesetzt werden z B zur Temperatur Druck oder Epoxidharz Durchflussmessung w hrend der komplex ablaufenden Vorg nge bei der Aush rtung dieser Bauteile Von der Herstellung ber die Qualifikationsphase des Bauteils bis zur Struktur berwachung komplexer Bauteilgruppen k nnen somit wertvolle Informationen ber das Material und dessen Verhalten unter Beanspruchung gewonnen werden Anhand der ge wonnenen Erkenntnisse ber das Materialdesign dessen Qualit t und das Strukturverhalten k nnen wichtige Aussagen ber die Wieder und Weiterverwendbarkeit des Materials getroffen werden Im Gegensatz zur Integration von FBG Sensoren bieten oberfl chenapplizierte FBG Sensoren wesentliche Vorteile Oberfl chenapplizierte FBG Sensoren werden hnlich Deh nungsmessstreifen DMS zur Struktur berwachung auf die Oberfl che von Luftfahrtkompo nenten appliziert Das schon fertige und qualifizierte Faserverbundwerkstoff Bauteil muss nicht konstruktiv durch die Einbettung von Sensoren modifiziert werden Auch im Herstellungspro zess m ssen keine neuen Techniken zur Einbindung und zum Schutz der Sensoren in das Bauteil vorgesehen werden Dies bedeutet dass dem Hersteller von Luftfahrtkomponenten im Gegensatz zur integrierten Sensorik durch oberfl chenapplizierte Sensoren ein erheblich ge ringerer zus tzlicher Arbeitsaufwand und entspr
143. oren wurden von den Projektpartnern des IMO Wind Projekts zur Spannungsanalyse des Rotorblatts unter Wechselbiegung ge nutzt Die hier entwickelte Integrationstechnik f r die FBG Dehnungssensoren in den Arrays erm glichte das st ckweise Aufbringen der hohen Vorspannungen auf jeden einzelnen Sensor Die kritische Dicke der zu integrierenden Sensoren wurde mit 0 8 mm nicht berschritten Die se Anforderung wurde an die einzubettenden Sensoren gestellt da es sonst zu Delaminationen oder Fehlstellen innerhalb des Laminats durch die Einbettung dicker Sensoren kommen k nn te W hrend der Herstellung des Rotorblattes wurde nach Vorgabe der Konstrukteure jeweils auf der Saug und auf der Druckseite des Blattes in den Gurtkan len der beiden Stege je eine Sensorkette mit vier FBG Dehnungssensoren integriert Der Abstand zwischen den FBG Dehnungssensoren betrug 2 m wobei die Position der Sensoren durch die Konstrukteure vor gegeben wurde W hrend der Integration wurden die Arrays noch durch eine zus tzliche Epo xidharzschicht gesch tzt so dass die Arrays durch das folgende Auftragen weiterer GFK Schichten nicht besch digt wurden Die Anschl sse der Sensoren wurden gesch tzt aus dem 108 BAM Dissertationsreihe IV FBG Dehnungssensoren als Patches Faserverbundwerkstoff zu zwei Anschlussboxen heraus gef hrt die nach der Fertigstellung des Rotorblattes auf die Innenseite von Druck und Saugseite laminiert wurden Nach der Fer tigst
144. pplizierter FBG Dehn ngssens ren 2 4 2 2 us dadeacd cansveee dit a ae aaae dee dened 2 1 1 3 Untersuchungsgegenstand und Zielsetzung urs2uu4rsnner nenn nennen nennen nme 4 1 1 4 Aufbau der Arbeit 4 42 eigiktielibnlehn 4 1 2 Messtechnische Grundlagen esceesceeseeceeeeeeeeeeeaeeseeeseeeeeeneeseeeseneeeeeees 5 1 2 1 Dehnuingsmessstreiten istirata ia a aa 5 1 2 1 1 Dehnungs bertragungsmodell DMS 1 0 0 eee eee eeeeeeeeneeeeneeeeeeeeeeneeseeeeeneees 6 1 2 1 2 Grenzen von DMS und DMS Messtechinik 0 ce eeeceeeseeeeeeeeeeeeeeeeeeeneeeeaeees 8 1 2 2 Funktionsweise von Faser Bragg Gitter Sensoren uuzuunessnnersnnensnnnnnnnnnn nenn 9 1 2 2 1 Aufbau und Eigenschaften von Lichtwellenleitern uu 4u4 ne 9 1 2 2 2 Prinzip Faser Bragg Gitter 2ornnsonsnnnnnnenonnenonnnnnennonnnennnnnnonernonennnnn nn 11 1 2 2 3 Spektral optische Ph nomene uuusssnessnnnesnnnennnnennnnnnnnnnnnnnnen nenn nennen nn 15 1 2 2 4 Coating in der Funktion des Dehnungs bertragers uuu22u4r sense 18 1 2 2 5 FBG Messtechnik und Signalauswertung 2u4 24444Hnnn nenn nenne nennen 21 1 2 2 6 Dehnungssensoren basierend auf Faser Bragg Gitter 224r 444 nen 25 1 2 3 Dehnungs bertragungsmodell FBG 224u44s4nnnnnnennnnnnnnnen nenne namen nn 26 1 2 3 1 Einfluss nehmende Parameter auf die Dehnungs bertragung nach dem Dehnungs bertragungsmodell 444444404n Hann
145. r aus der Kombination der auf die Dehnungs bertragung Einfluss nehmenden Parameter und den Messbedingungen f r das 3D ESPI System Vor allem bei den hochgenauen fl chengest tzen Verschiebungs und Dehnungsmessungen mit dem 3D ESPI System muss das Messobjekt w hrend der Bildauf nahme absolut schwingungsfrei sein Daher wurde hier zur Aufbringung der Dehnungen auf das Messobjekt auch keine Standardzugpr fmaschine ausgew hlt sondern es wurden einige Modifikationen durchgef hrt Eine dynamische Belastungseinrichtung beispielsweise eine hyd raulische Zugpr fmaschine konnte nicht gew hlt werden da dieses Referenzverfahren f r dynamische Messungen nicht geeignet ist Als Belastungseinrichtung f r Messobjekte auf die FBG Dehnungssensoren appliziert worden sind wurde daher eine elektromechanische Zug pr fmaschine gew hlt An dieser k nnen Zugproben mit applizierten FBG Dehnungssensoren mit einer statischen Belastung von bis zu 20 KN beansprucht werden Neben einer Kraftmess dose f r 20 kN kann auch eine Kraftmessdose f r 2 kN f r kleinere Belastungen eingesetzt werden Die maximale Einspannl nge der Proben betr gt 500 mm so dass neben Standard zugproben auch andersartige gr ere Messobjekte untersucht werden k nnen Pneumatische Spannbackenhalter mit Anschl gen erm glichen ein einfaches Positionieren der Messobjekte Die Belastungseinrichtung kann sowohl kraft weg als auch dehnungsgeregelt betrieben wer den Alle Steuer und
146. r das Kriechen und die Hysterese von DMS machen Das von ihnen entwickelte Modell wurde durch Experimente best tigt Roh89 Um die Messunsicherheiten bei DMS m glichst klein zu halten sind in der Literatur aus dem langj hrigen Umgang mit dieser Messtechnik viele Ma nahmen zur Kompensation oder Korrektur von Fehlern beschrieben Hof87 Roh89 Kei95 Die Messunsicherheit der DMS liegt f r die Dehnungsmessung im Prozentbereich Dies ist abh ngig von den aufgetretenen Messfehlern die von elektrischen Unsymmetrien in der Br ckenschaltung ber mechanische Unsymmetrien im Messobjekt z B durch Fertigungstoleranzen bis hin zu Richtungsfehlern des DMS und Fehlern des Anwenders reichen k nnen Eine genaue Fehlerbetrachtung kann daher jeweils nur f r die einzelne Messung und die jeweiligen Messbedingungen durchgef hrt werden Beim DMS wird die mittlere Dehnung ber die L nge des Messgitters bestimmt die na t rlich unterhalb der maximalen Dehnungsspitze liegt die der Anwender gegebenenfalls ermit teln m chte F r diese Art von Fehler bei der Ermittlung von Dehnungsspitzen gibt es keine Korrekturfaktoren Der Anwender kann nur sehr kleine Messgitter ausw hlen und muss die erh hte Messunsicherheit nach Per84 mit in die Messwertanalyse einbeziehen Verst rkungseffekte von DMS auf sehr d nnen Materialien oder Materialien mit sehr ge ringem E Modul z B Gummi werden oft vernachl ssigt k nnen aber auch zu signifikanten Messfehler
147. rei FBG Dehnungssensoren appliziert Im Hintergrund ist ein Teil der Temperaturkammer zu erkennen rare rer Maden nd amon einen AES 87 Abb 49 Zugprobe mit appliziertem FBG und DMS 220nssesnnnsnsnsnnnnennnnnnnnennnnennnnen 90 Abb 50 Praparierte Zugprobe fir Dehnungsmessung mit 3D Stereokorrelation Im hinteren Bereich des Bildes ist der DMS zu erkennen vorn ist der FBG Sensor appliziert Aue ait inate he ea ee 90 Abb 51 Vergleich zwischen der mit der 3D Stereokorrelation ermittelten Probendehnung und der Dehnung der DMS Dargestellt sind die Messergebnisse aller drei Proben za u woe ee ei ee tie ae ten ee es 91 Abb 52 Verschiebungsfeld des DMS und der Probe Auf den DMS wird bei erh hter Last in der linken oberen Ecke nicht die vollst ndige Dehnung bertragen Vermutlich l st sich der DMS von der Probe urnnssrseernennnnnnnnnnonnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnennnnnnnnnen ran 92 123 VIII Abbildungsverzeichnis Abb 53 Vergleich der Dehnungen zwischen Probe Klebstoff und FBG 93 Abb 54 GFK Patch mit integriertem FBG Dehnungssensor appliziert auf einer ZUQPVODGE Aae EAE EA E du seceeesudiice de decededevniuegduuuenbenyta da deceeese 102 Abb 55 Schematische Darstellung der Dichteanderung eines Epoxidharzes bei der Aushartung Wen 2 240 area ne 103 Abb 56 Aush rtungsvorgang eines Patches Die Bragg Wellenl nge des FBG ist als Funktion der Zeit und d
148. ren Untersuchungen mit KALFOS bestimmt werden Eine weitere Herausforderung ist der Einsatz von Patches bei Bauteilen mit nicht bekann ten Hauptspannungsrichtungen Daf r m ssen die FBG Sensoren in Form von Rosetten in ein Patch integriert werden Der Fokus der Entwicklung liegt hierbei auf der kompakten Bauform des Rosetten Patchs um auch d nne und kleine GFK Strukturen berwachen zu k nnen 111 V Empfehlung zur Applizierung mit optimaler Dehnungs bertragung V Empfehlung zur Applizierung mit optimaler Dehnungs bertragung Um eine optimale Dehnungs bertragung zwischen dem FBG Dehnungssensor in Form eines Patches oder als optische Faser und dem Messobjekt zu erzielen ist eine gr ndliche Oberfl chenvorbehandlung zwingend erforderlich Die Auswahl des richtigen Klebstoffs angepasst an die Temperatur und Umgebungsbedingungen und ausgelegt f r die geforderte Lebensdauer des FBG Dehnungssensors ist von prinzipieller Bedeutung f r eine gute Dehnungs bertra gung An dieser Stelle kann keine globale Empfehlung f r eine bestimmte Applizierungsart bzw einen bestimmten Klebstoff gegeben werden da dies individuell von der Messstelle und den Anforderungen an das Sensorsystem abh ngig ist Dementsprechend muss der Deh nungs bertragungskoeffizient individuell f r die einzelne Messstellenkonfiguration bestimmt werden Dies kann anhand von Kalibrierdiagrammen wie sie in dieser Arbeit beschrieben wor den sind durchgef hrt oder an
149. richtung f r faseroptische Sensoren durchgef hrt werden sollen wird daher ein anderes Verfahren gew hlt das 3D ESPI Verfahren 1 1 1 2 Referenzverfahren 3D ESPI Aus den viel versprechenden Versuchen mit der 3D Stereokorrelation wurde ein 3D ESPI System elektronische Specklemuster Interferometrie engl electronic speckle pattern interfe rometry zur Referenzierung von FBG Dehnungssensoren ausgew hlt Dieses System arbeitet auf Basis der Speckle Interferometrie und erzielt bei optimalen Verh ltnissen eine extrem hohe Messempfindlichkeit und eine Aufl sung von bis zu 30 nm In plane was eine wesentliche Verbesserung in der Aufl sung im Vergleich zur 3D Stereokorrelation darstellt Sehr kleine Dehnungsbereiche von bis zu 3000 um m in denen die FBG Dehnungssensoren eingesetzt 77 Ill Validierungsmessplatz KALFOS werden k nnen dementsprechend interferometrisch hochaufl send analysiert werden Mit dem 3D ESPI Verfahren kann wie mit der 3D Stereokorrelation eine differenzierte Verformungs messung und Beurteilung der an der Dehnungs bertragung beteiligten unterschiedlichen Mate rialbereiche Messobjekt Klebstoff und Sensor durchgef hrt werden Mit dem ESPI Verfahren ist eine optische und damit anschauliche Ergebnisinterpretation zur Aufdeckung unerw nschter relativer Starrk rperbewegungen des faseroptischen Dehnungssensors zum Messobjekt m g lich Das ESPI Verfahren ist ein optisches Messverfahren zur Erfassung von V
150. rreicht ist Danach wird ein Referenzbild mit dem ESPI System aufgenommen wobei die Temperaturregelung und die Ventilation w hrend der Bildaufnahme ca 6 Sekunden ber eine Triggerschaltung aus und danach wieder eingeschaltet werden Dies dient dazu dass sich durch Abschalten der Ventilation keine Luftverwirbelungen und damit unerw nschte Verzerrungen des Bildes zwi schen dem Messobjekt und der Kamera des ESPI Systems bilden Ist die Temperaturregelung wieder eingeschaltet wird die n chste Belastungsstufe angefahren und dann das n chste Bild aufgenommen 88 BAM Dissertationsreihe Ill Validierungsmessplatz KALFOS lll 1 4 Nutzungsprofil des Messplatzes KALFOS Die hier vorgestellte Pr feinrichtung KALFOS ist modular bez glich der Soft als auch Hard ware derart aufgebaut dass sie f r ganz unterschiedliche Pr faufgaben eingesetzt werden kann Im Zusammenhang mit dieser Arbeit beinhaltet die Pr faufgabe die Bewertung des Deh nungs bertragungskoeffizienten von unterschiedlich gecoateten FBG Dehnungssensoren in Abh ngigkeit von Klebstoff Applizierung und Vorspannung unter Temperaturbeanspruchung und mechanischer Belastung der Messobjekte Weitere m gliche durchf hrbare Pr faufgaben k nnen sein Vergleichende Bestimmung des Dehnungs bertragungskoeffizienten von FBG Dehnungssensoren in Form von Patches verschiedener kommerzieller Hersteller Bewertung von in der Entwicklung befindlichen Patches Untersuchung des
151. rrichtung erkennbar in die das Rotorblatt eingespannt wurde Abb 61 Gesamtansicht auf das Rotorblatt das bereits f r die Belastungsversuche in einer Pr fvorrichtung eingespannt wurde Standort Testlabor der BAM Abteilung Bauwerkssicherheit 110 BAM Dissertationsreihe IV FBG Dehnungssensoren als Patches IV A Weiterf hrende Untersuchungen Die Optimierung der hier vorgestellten Patches zur Minimierung der Messunsicherheiten ist aufbauend auf den hier erlangten Erkenntnissen weiter zu verfolgen F r eine reproduzierbare Herstellung der Patches muss von der zurzeit manuellen Fertigung zu einer halbautomatisier ten Fertigung bergegangen werden Dies beinhaltet auch eine Weiterentwicklung der f r die Patchherstellung notwendigen Werkzeuge Die Langzeitstabilit t und die Dehnungsgrenzen der Patches m ssen in weiteren Studien untersucht und experimentell ermittelt werden Neben der Weiterentwicklung der hier beschriebenen Patches und der KALFOS Anlage ist durch Validierung ein experimenteller Vergleich mit kommerziell erh ltlichen Patches m g lich Neben einem Vergleich von Temperatur und Dehnungs bertragungskoeffizienten ist auch eine Untersuchung des spektralen Antwortsignals der hier beschriebenen Patches und der kommerziell erh ltlichen Patches im Vergleich wichtig Durch geeignete Modifikationen von Probek rpern und Belastungseinrichtungen w re auch der Einfluss von Querkr ften auf die Patches messbar und kann in sp te
152. rt die sowohl erhitzt als auch mit fl ssigem Stickstoff gek hlt werden konnte Der Aufbau des ge nutzten Messplatzes der Firma Dantec Dynamics ist in Abb 22 dargestellt Heizplatte mit Klebstoffproben Stereo Kamera Anordnung Abb 22 Messplatz der Firma Dantec Dynamics zur Bestimmung des CTE mittels digitaler 3D Bildkorrelation Alle Klebstoffproben wurden nach Herstellerangaben hergestellt ausgeh rtet und innerhalb des vorgeschriebenen Temperatureinsatzbereichs getestet Von den untersuchten Klebstoffen zeigte neben Araldite 2022 lediglich der Klebstoff Epotek 353 ND ber den untersuchten Be reich von 20 C bis 80 C einen konstanten CTE von 53 2 ppm K Alle weiteren unter suchten Klebstoffe zeigten ber diesen Temperaturbereich keine konstante Steigung wie bei spielhaft am Klebstoff Loctite Hysol 3450 in Abb 23 dargestellt 48 BAM Dissertationsreihe II Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung io 04 Klebstoff Epotek 353ND 2 Dehnung e in x Richtung in um mm Klebstoff Loctite Hysol 3450 9 III 40 20 0 20 40 60 80 Temperatur Tin C Abb 23 Gemessener Dehnungs Temperatur Verlauf in L ngsrichtung x der Proben von zwei verschieden Klebstofftypen Dar gestellt ist sowohl die Aufheiz als auch Abk hlphase Von den Klebstoffen Epotek 353 ND und Loctite Hysol 3450 ist jeweils das Verhalten von zwei Proben graphisch dargestellt Es wurden f r di
153. rtragungskoeffizienten in Abh ngigkeit der Bragg Wellenlange von der Dehnung des Messobjekts also der Aluminiumoberflache ermittelt mit der 3D Stereokorrelation Der Dehnungs bertragungskoeffizient betr gt LOK S EA E AA TES EEA AA O adds faa a tes bcthe E 75 Abb 39 Vergleich zwischen der Dehnung des DMS und der Dehnung aus der 3D Stereokorrelation Die Schwankungen in den Dehnungswerten des 3D Stereokorrelations Verfahrens resultieren aus dem starken Koordinatenrauschen 76 Abb 40 In plane Messung mit dem ESPI Verfahren an einem verformten Messobjekt Der Empfindlichkeitsvektor 5 steht parallel zur Messoberfl che Der Verschiebungsvektor v zeigt in Richtung der Deformation des Messobjekts Bildquelle Firma Dantec Dynamics Inc 4440444444B0nnnnnnonnnnnnnnnnnnnnnnnannnnnnannnnnnnnnnnnnnnnnnnannnnnnnnnnnnnnen 79 Abb 41 Out of plane Beleuchtung eines Messobjekts ist die Wellenfront des Objektstrahls der mit dem internen Referenzstrahl verglichen wird Der Empfindlichkeitsvektor s steht senkrecht auf der Messobjektoberfl che w hrend der Verschiebungsvektor v die Richtung der Deformation anzeigt Bildquelle Firma Dantec Dynamics INC ra eier Saa ae aaaea a a aaa ea aeiaai aa iAd 80 Abb 42 Darstellung der einzelnen Datenverarbeitungsschritte auf dem Weg von einem Specklemuster zur Berechnung der Verformung eines Messobjekts Bildquelle Firma Dantec Dynamics INe reied 2 Reese a hate
154. rung von FBG Dehnungssensoren auf verschiedene Materialien insbesondere Aluminium und CFK bzw GFK angewendet und analysiert wurden Bei der Bewertung und der Auswahl der Klebstoffe sind sowohl mechanische Parameter E Modul als auch das thermische Verhalten und die Abh ngigkeit der mechanischen Parameter von der Temperatur von Interesse Der E Modul wird f r die Berechnung der Dehnungs bertragungsrate im Modell ben tigt Der thermische Ausdehnungskoeffizient die Glas bergangstemperatur und das Verhalten des Klebstoffs au Berhalb des spezifizierten Temperaturbereichs bestimmen die Einsetzbarkeit des Klebstoffs Neben diesen Auswahlkriterien f r Klebstoffe sind auch die Aush rtungsparameter des Klebstoffs ein wichtiges Kriterium Vor allem die Topfzeit und die Viskosit t spielen bei Applizie rungen von FBG Dehnungssensoren an schwer zug nglichen Stellen oder bei ber Kopf Applizierung eine praktische Rolle Ebenfalls ist bei der Auswahl des Klebstoffs die chemische Best ndigkeit des Coatings gegen ber den Inhaltsstoffen des Klebstoffs zu beachten In Tabelle 1 sind alle hier genutzten Klebstoffe mit ihrem Einsatzgebiet aufgef hrt Gene rell gilt bei allen Klebstoffen dass die Spezifikationen der Klebstoffe und Verarbeitungsanwei sungen des Herstellers zu beachten sind 42 BAM Dissertationsreihe Il Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung Klebstoff Kategorie Einsatzart Vitralit
155. ruppe VIII 14 Faseroptische Sensorik Schulische und berufliche Ausbildung Juni 2003 Juni 2004 Pontificia Universidade Cat lica do Rio de Janeiro Brasilien Maschinenbau Oktober 2000 M rz 2006 Technische Universitat Braunschweig Maschinenbau Abschluss Diplom August 1997 Juni 1998 South Haven High School Michigan USA August 1991 Juni 2000 Konrad Heresbach Gymnasium Mettmann Abschluss Abitur August 1987 Juni 1991 Katholische Grundschule Neanderstra e Mettmann 137
156. s messungen unter spezifischen Bedingungen an einem Rotorblatt einer Windkraftanlage FBG Patches entwickelt worden Die Funktionsf higkeit der Patches konnte durch Weiterentwick lung des konstruktiven Aufbaus stetig verbessert werden Untersuchungen der Patches im Vergleich zu kommerziell erh ltlichen Patches stehen noch aus Entsprechend der Untersu chungsergebnisse k nnen die hier entwickelten Patches auch an spezifische Messbedingun gen angepasst und weiter verbessert werden In diesem Zusammenhang konnte eine beispiel hafte Integration von FBG Dehnungssensoren gezeigt und deren Funktionsf higkeit nachge wiesen werden Die ausstehenden Belastungsversuche zur Beurteilung des Materialverhaltens auf Basis der gewonnen Sensordaten werden zurzeit durchgef hrt Tiefergehende Fragestel lungen zur Integration von faseroptischen Dehnungsensoren m ssen in weiteren Forschungs projekten behandelt werden Um einen gr eren Anwenderkreis zu erreichen ist eine Standardisierung der FBG Dehnungssensoren nach bestimmten Kriterien notwendig Die hier entwickelte Messmethodik und der hier aufgebaute Messplatz bilden die experimentelle Grundlage zur Bewertung der Funktionsf higkeit der FBG Dehnungssensoren und ihrer Einsetzbarkeit f r bestimmte Mess aufgaben Durch diese Bewertung ist eine Basis f r die Vergleichbarkeit von kommerziell er h ltlichen wie auch in der Entwicklung befindlichen FBG Dehnungssensoren m glich Die Ent wicklung neuer Appliz
157. s bertragungsverhaltens geklebter faserop tischer Sensoren Diplomarbeit FHTW Berlin 2005 Stehlin P Strain distribution in and around strain gauges Journal of Strain Analy sis Vol 7 3 pp 228 235 1972 Steenkiste R Springer G Strain and Temperature Measurement with Fiber Optic Sensors Technomic Publishing Basel 1997 Stockmann M Mikromechanische Analyse der Wirkungsmechanismen elektrischer Dehnungsmessstreifen Habilitationsschrift TU Chemnitz 2000 Takeda S Aoki Y Ishikawa T Takeda N Kikukawa H Structural health moni toring of composite wing structure during durability test Composites Science and Technology Vol 67 pp 286 295 2007 Tanaka N Okabe Y Takeda N Temperature compensated strain measurement using fiber Bragg grating sensors embedded in composite laminates Journal of Smart Materials and Structures Vol 12 pp 940 946 2003 Trutzel M N Dehnungsermittlung mit faseroptischen Bragg Gitter Sensoren Dis sertation TU Berlin 2001 United States Patent US 2002 0092976 A1 119 VII Literaturverzeichnis Ven08 VDI35 VDI60 Wen05 Wu82 Xie07 Yeo2 Zha04 Zeh04 120 Venugopalan T Sun T Grattan K T V Long period grating based humidity sen sor for potential structural health monitoring Journal of Sensors and Actuators A Physical Vol 148 pp 57 62 2008 VDI VDE GESA 2635 Blatt 1 Dehnungsmessstreifen mit metallischem Messgit
158. s Loctite 147 und der optischen Faser f r unterschiedliche Belastungsstufen Es ist zu erkennen dass die optische Faser bei erh hter Belastung eine geringere Dehnung erf hrt F r die auf das Messobjekt aufgebrachte h chste Belastung 4 kN bzw 1400 um m ist in Abb 37 die Falschfarbendarstellung des Messobjekts aus Abb 36 dargestellt Die Lage der optischen Faser ist zwischen den gestrichelten Linien markiert In dieser Darstellung ist zu er kennen rot eingekreist dass die Dehnung der optischen Faser im Verh ltnis zur Dehnung des Messobjekts und des Klebstoffs bei h herer Belastung geringer ist Die Faser widersetzt sich der Dehnung des Klebstoffs und des Messobjekts In Abb 36 wird in der Darstellung der Deh nungsstufen bei h heren Belastungen ebenfalls deutlich dass die optische Faser die Dehnung des Messobjekts und des Klebstoffs nicht erreicht Dieser Klebstoff verh lt sich also bei h he ren Dehnungen gummiartig und bertr gt die Dehnungen daher nur unzureichend auf die opti sche Faser 74 BAM Dissertationsreihe Ill Validierungsmessplatz KALFOS opt Faser Messobjekt um 18 16 14 12 Seins 10 8 Klebstoff 6 4 2 o Verschiebung Messobjekt Abb 37 Falschfarbendarstellung der Verschiebungen in der opt Faser im Klebstoff und im Messobjekt bei einer Dehnung von 1400 um m ARAMIS Messobjektoberfl che oO oo l D l 2 gt 1 to 1 oO Oo L 1 02 0
159. s ct ak aaa eaea a aE ao iaaa ia 81 Abb 43 Auf dem Foto des applizierten FBG Dehnungssensors ist berlagernd die gemessene Verschiebung bei maximaler Belastung der optischen Faser relativ zum Messobjekt in Falschfarben dargestellt Am Rand des Bildes sind die Koordinaten des Messfeldes x und y in mm aufgetragen Die maximale Verschiebung der optischen Faser betragt 389 IT E EEEE TTT T EET E EEE 82 Abb 44 Ermittelte Dehnung des ESPI Systems in Bezug auf die auf das Messobjekt aufgebrachte Kraft Der Klebstoff wird gut vom Messobjekt mitgenommen und erf hrt dieselbe Dehnung w hrend die optische Faser weniger Dehnung erf hrt 82 Abb 45 Falschfarbendarstellung der Relativbewegung von optischer Faser Klebstoff und Messobjekt Die Gr e des Messfeldes ist in x und y Richtung in mm angegeben Zu erkennen ist dass die Faser im oberen Messfeldbereich um 1 2 um weniger Verformung erf hrt als das Messobjekt 444s444440044nnnnonnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnen 83 Abb 46 KALFOS Anlage Der Sensorkopf ESPI beleuchtet die eingespannte Probe Im Hintergrund ist die verschiebbare Temperaturkammer zu erkennen 220u44444r nennen 86 Abb 47 KALFOS Aufbau mit 3D Stereokorrelation als Referenzverfahren 87 Abb 48 Eingespanntes Messobjekt in KALFOS Zu erkennen ist das schwarz wei e fleckenartige Muster das das Messfeld markiert Auf dem Messobjekt sind d
160. s der Ausgleichsgeraden ist zu erkennen dass die mit der 3D Stereokorrelation gemessene Deh nung an der Stelle des applizierten FBG Sensors um bis zu 3 5 h her liegt als die Dehnung des DMS auf der R ckseite des Messobjekts Diese Abweichung liegt jedoch innerhalb der Messunsicherheiten der beiden Messverfahren und somit korrelieren die ermittelten Dehnun gen gut e ARAMIS 0 059 mm m 0 2 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 Dehnung des DMS in mm m Dehnung der Messobjektoberfl che aus ARAMIS in mm m Abb 39 Vergleich zwischen der Dehnung des DMS und der Dehnung aus der 3D Stereokorrelation Die Schwankungen in den Dehnungswerten des 3D Stereokorrelations Verfahrens resultieren aus dem starken Koordinatenrauschen 76 BAM Dissertationsreihe Ill Validierungsmessplatz KALFOS Die maximale Abweichung der Dehnung der 3D Stereokorrelation von der in Abb 39 einge zeichneten roten Ausgleichsgeraden betr gt bei drei durchgef hrten Pr fzyklen 59 um m Diese sichtbaren Schwankungen in der Dehnung sind durch das Koordinatenrauschen der 3D Stereokorrelation bedingt Das Rauschen h ngt dabei von der hier gew hlten Facettengr e ab Je gr er die Facette gew hlt wird desto flacher liegt diese auf der Oberfl che auf und desto genauer kann deren Koordinate bestimmt werden In diesem Falle mussten sehr kleine Facetten gew hlt werden um die Verschiebung der optischen Faser erfassen zu k nnen da die opti
161. sche Faser nur als d nner Streifen aus dem Klebstoff heraus ragt Dieses Verfahren zur Ermittlung von Verschiebungen bzw Dehnungen ist daher f r wesentlich gr ere Dehnungen ausgelegt Bei den hier auftretenden kleinen Dehnungen gelangt das Verfahren an die Aufl sungsgrenze Die 3D Stereokorrelation eignet sich sehr gut zur visuellen Darstellung und Bestimmung der Dehnungen in den einzelnen Schichten und Werkstoffen Messobjekt Klebstoff optische Faser an der Messstelle Durch die Visualisierung k nnen schnell fehlerhafte Verklebungen und fehlerhafte Referenzsensoren erkannt werden Die Eignung zu einem messtechnologisch unabh ngigen ber hrungslosen Qualifizierungsverfahren f r FBG Dehnungssensoren bei dem gezielt die Dehnung des Messobjekts des FBG Sensors und des Klebstoffs an der kon kreten Messstelle ermittelt wird hat dieses Verfahren erf llt Im Anhang Kapitel A 2 sind die mit der 3D Stereokorrelation ermittelten Dehnungs bertragungskoeffizienten dargestellt Der Nachteil dieses Verfahrens ist allerdings die hohe Messunsicherheit Diese liegt im Bereich von bis zu einigen zehn um bezogen auf die Verschiebung und ergibt sich aus der Gr e der gew hlten Facetten der Genauigkeit mit der die 3D Koordinaten der einzelnen Fa cetten bestimmt werden k nnen der Anzahl der Mittelungen ber die Facetten und der G te des genutzten Auswertealgorithmus Fur hochpr zise und hochaufl sende Messungen wie sie in einer Validierungsein
162. schichtdicke mit d g und die Dicke des Substrats mit d bezeichnet Zun chst muss die effektive Klebstoffschichtdicke d bestimmt werden denn diese ist ber den Querschnitt der Faser nicht konstant Bei diesem Modell im Folgenden hier Modell A ge nannt in Abgrenzung zum erweiterten Modell B ergibt sich die effektive Klebstoffschichtdicke aus der Klebstoffh he h unter der Faser und dem Radius r der Faser nach Abb 12 zu d h 1 4 19 K F 26 BAM Dissertationsreihe I Einleitung und Grundlagen a N Abb 12 Darstellung von Modell A zur Berechnung der effektiven Klebstoffschichtdicke F r Modell B bei dem zus tzlich noch der Klebstoff berhang a eingef hrt wurde ergibt sich die effektive Klebstoffschichtdicke d in Gl 20 nach Abb 13 y Abb 13 Berechnung der effektiven Klebstoffschichtdicke nach Modell B mit Klebstoff berhang a d 2 12 z2 i aln rer a 20 27 I Einleitung und Grundlagen Der Zusammenhang zwischen den Verschiebungen der Faser u und des Substrats u bei Dehnung ist vereinfacht in Abb 14 dargestellt UF 2 Faser Klebstoff IN Substrat Abb 14 Schematische stark vereinfachte Darstellung der Verschiebungen zwischen Substrat Klebstoff und Faser du elas mit u u x 21 du e x ae mit up u x 22 ee 23 Greift am Substrat eine Kraft F an die das Substrat homogen gleichm ig dehnt so
163. so ist es dem An wender dieser Messtechnik berlassen wie er aus dem Messsignal des Messger ts das Messergebnis bestimmt Zu dessen Implementierung in der Software geh rt beispielsweise die Ermittlung eines Dehnungs bertragungskoeffizienten f r die gegebene Applizierung unter den gegebenen Messbedingungen Mittlerweile gibt es auch kommerzielle Anbieter von Interrogato ren die eine Softwareoberfl che entwickelt haben mit der hnlich wie bei der DMS Messtechnik der Anwender bestimmte Parameter z B Dehnungs bertragungsfaktor Ver st rkung etc in die Software eingeben kann und diese dann dem Anwender das fertige Mess 23 I Einleitung und Grundlagen ergebnis ausgibt ohne dass er eine spezifizierte Kenntnis ber die Funktion der Bragg Gitter Technik haben muss Muss der Anwender dieser Technik jedoch selbst das Messsignal soweit mathematisch auswerten um das gew nschte Messergebnis zu erhalten so muss dieser das mit dem Mess ger t eingesetzte Messverfahren kennen Im Allgemeinen haben sich f r FBG Messger te fol gende Messverfahren durchgesetzt Bestimmung des Antwortsignals eines FBG a durch Er mittlung der Mittenwellenl nge z B bei nicht symmetrischen FBG Antwortsignalen b durch Ermittlung der Schwerpunktswellenl nge Centroid Wellenlange und c durch Ermittlung des Maximums des Antwortsignals durch Gauss Fit Hof08 Die Bragg Wellenl nge in ihrer eigent lichen Definition A 27 4 wird von keinem
164. ss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung 1 2 m Entcoatet K 0 72 e Ormocer K 0 71 a Acrylat K 0 54 08 0 6 Be ceeded ee ee ne Ge as 0 2 0 0 02 00 02 04 06 08 10 12 14 41 6 Dehnung des DMS in mm m relative Bragg Wellenl ngen nderung AA A in mm m Abb 28 Verhalten von FBG Sensoren mit verschiedenen Coatings ber einen Dehnungsbereich von 1 4 mm m bei einer Temperatur von 23 Die FBG Sensoren wurden mit Loctite 147 appliziert Bei der Dehnungs bertragung mit dem Klebstoff Loctite 147 ist aus der Steigung der Aus gleichsgeraden zu erkennen dass das FBG mit Acrylat Coating einen sehr schlechten Deh nungs bertragungskoeffizient von 0 54 aufweist Das FBG mit Ormocer Coating und das ent coatete FBG dagegen zeigen eine sehr gute Haftung mit einem guten Dehnungs bertragungs koeffizienten von 0 71 bzw 0 72 Unabh ngig von der Wahl des Klebstoffs wird mit einem rela tiv dicken und vergleichsweise weichen Coating wie dem Acrylat eine schlechte Dehnungs bertragung erzielt FBG Sensoren ohne Coating oder mit einem d nnen und spr den Coating wie dem Ormocer erreichen dagegen eine gute Dehnungs bertragung Einfluss der Temperatur Betrachtet man den Dehnungs bertragungskoeffizienten f r die FBG Sensoren ber den ge samten Temperaturbereich so stellt man bei Applizierung mit dem Klebstoff Loctite 147 fest dass dieser sich mit der Temperatur ver ndert Der K
165. stand diesen Feuch tezyklen ausgesetzt Damit konnte qualifiziert werden ob nicht nur der Klebstoff Feuchtigkeit aufnimmt sondern auch das Coating F r das FBG mit Ormocer Coating wurde eine deutli che nderung der Bragg Wellenl nge von bis zu 60 pm bei 90 Luftfeuchte festgestellt F r FBG Dehnungssensoren mit Acrylat bzw ohne Coating konnten diese Effekte nicht festgestellt werden Insgesamt wurden 12 FBG Dehnungssensoren mit Ormocer Coating die in einer einzigen optischen Faser eingeschrieben wurden mehreren Feuchtezyklen ausgesetzt In Abb 33 ist die Abh ngigkeit der Wellenl ngen nderung von der Feuchte f r die 12 untersuch ten FBG Sensoren zu erkennen 30 40 50 60 70 80 90 100 relative Feuchte in relative Bragg Wellenl ngen nderung AA A in mm m Abb 33 nderung der Wellenl nge von Ormocer gecoateten FBG Sensoren bei nderung der relativen Luftfeuchte Eine eindeutige nderung der Bragg Wellenl nge bei variierender Feuchte ist in Abb 33 nicht zu erkennen lediglich die Tendenz zu h heren Wellenl ngen bei erh hter Feuchte Die Abwei chung in der Bragg Wellenl nge von einem polynomialen Ausgleichsfit 2 Ordnung liegt bei 0 029 mm m Es wird vermutet dass die Wassermolek le bei erh hter Feuchte in die Poly merketten des Ormocer eindringen und somit zu einem Quellen des Coatings f hren Dieser 67 II Untersuchung Einfluss nehmender Parameter auf die Dehnungs bertragung Prozess sc
166. stoffe angepasst Deswegen reicht die Vielfalt der Tr germaterialien f r Patches von CFK oder GFK ber Edelstahl bis hin zu Folien Je nach Konstruktion der Patches sind die maximale Dehnbarkeit und der Temperatureinsatzbereich sehr unterschiedlich Von den einzelnen Herstellern k nnen die Datenbl tter im Einzelnen an gefordert werden viele der Patches sind von den Anbietern patentiert worden DE51 EP97 Eine Vergleichbarkeit der Patches ist oft schwierig da die Datenbl tter wichtige Kenngr en oft unterschiedlich ausweisen und z T nur unvollst ndige Angaben enthalten sind 100 BAM Dissertationsreihe IV FBG Dehnungssensoren als Patches IV 2 Patches zur Oberfl chenapplizierung Im Verbundprojekt IMO Wind Integrales Monitoring und Bewertungssystem f r Offshore Windenergieanlagen der BAM waren faseroptische Sensoren zur Zustands berwachung von Rotorbl ttern von Windenergieanlagen zu installieren IMO F r die Oberfl chenapplizierung der FBG Dehnungssensoren auf die Rotorbl tter wurden Patches entwickelt Hierbei waren spezielle Anforderungen an die FBG Dehnungssensoren hinsichtlich Deh nungs und Temperaturbereich zu beachten Die Sensoren mussten aufgrund des erwarteten gro en Dehnungsbereichs von 2 mm m in Zug und in Druckrichtung belastbar sein und da her um mindestens 1000 um m vorgespannt werden Die Sensorpatches mussten stabil ge gen ber Kriecheffekten und Nullpunktsdrift der Bragg Wellenl nge se
167. stoffs Eindringtiefe Klebstoffh he BAM Dissertationsreihe IX Abktirzungen und Formelzeichen BT TM Dehnungs bertragungskoeffizient Temperaturkoeffizient k Faktor Wellenzahl im Vakuum Wellenvektor des einstrahlenden Lichts L nge Brechungsindex Mittlerer effektiver Brechungsindex Wellenvektor des Objektstrahls Photoelastische Konstante Photoelastische Matrix Elektrischer Widerstand Dehngrenze Radius der optischen Faser mit Cladding Empfindlichkeitsvektor Temperatur Glas bergangstemperatur Verschiebung Verschiebung der optischen Faser Verschiebung des Messobjekts bergangsl nge zwischen Bauteil und Tr germaterial beim DMS bergangsl nge zwischen Tr germaterial und Messgitter beim DMS Verschiebungsvektor W rmeausdehnungskoeffizient CTE Absorptionskoeffzient Thermo optischer Koeffizient W rmeausdehnungskoeffizient des Messobjekts 127 IX Abk rzungen und Formelzeichen M 4 N Ss gt w BO BG Avy HL 128 Ausbreitungskonstante Gleitwinkel Phasenverschiebung Dehnung Bauteildehnung Dehnung der optischen Faser Dehnung des Messgitters des DMS Dehnung des Tragermaterials des DMS Dehnung des Messobjekts Dielektrizit tszahl Winkel Periode der Brechzahlmodulation Wellenl nge im Vakuum Bragg Wellenl nge Bezugs Bragg Wellenl nge Grund Bragg Wellenl nge Wellenl nge der UV Strahlung Permeabilitatszahl Querkontraktionszahl Spannung Spannu
168. t lung der aufgebrachten Beanspruchungen F r unterschiedliche Beanspruchungszust nde der Probe wird das Antwortsignal des FBG Dehnungssensors mit den ermittelten Dehnungsmess werten des Referenzverfahrens verglichen und der Dehnungs bertragungskoeffizient aus die sem Verh ltnis berechnet Das Referenzverfahren muss die Dehnung des Messobjekts und gleichzeitig auch die Dehnung des FBG Sensors erfassen und diese Messergebnisse mitein ander und mit den Messergebnissen der FBG Sensoren korrelieren k nnen DMS wurden in Abschnitt Il Kapitel 7 zur Referenzierung der FBG Sensoren herangezo gen Diese haben jedoch den entscheidenden Nachteil dass sie meist auf die R ckseite der Proben oder neben den FBG Sensoren appliziert werden m ssen und somit nicht exakt den Dehnungszustand der FBG Sensoren an der Messstelle ermitteln k nnen Zudem sind die DMS wie schon zuvor erw hnt zur Ermittlung von sehr hohen Dehnungen auf bestimmten Werkstoffen wegen ihres begrenzten Dehnungsbereichs nicht geeignet Eine differenzierte Be 69 Ill Validierungsmessplatz KALFOS urteilung der durch den Klebstoff aufgenommenen Dehnung im Vergleich zur auf den FBG Sensor bertragenen Dehnung und der Dehnung des Messobjekts ist mit DMS nicht m glich Mechanische Extensometer k nnen dagegen auch bei gr eren Dehnungen eingesetzt werden Allerdings liegt die Problematik von mechanischen Extensometern in der korrekten Befestigung der Extensometer Diese k nne
169. t stattgefunden FBG Dehnungssensoren k nnen beispielsweise nach der Art ihrer Einschreibung und Anwendung in Familien unterteilt werden Allgemein unterscheidet man jedoch zwischen den FBG die eingeschrieben in eine optische Faser direkt auf ein Messobjekt appliziert werden und den Sensor Patches Zu den FBG Dehnungssensoren die direkt auf einem Messobjekt appliziert werden geh ren neben den in Standard Fasern eingeschriebenen FBG auch die in Spezialfasern eingeschriebenen Dazu z hlen die sogenannten small diameter Fasern mit ei nem wesentlich geringeren Cladding Durchmesser z B 40 um Diese eignen sich bei An wendungen bei denen selbst der Cladding Durchmesser von 125 um von Standardfasern zu gro ist NTak07 Des Weiteren k nnen FBG Sensoren in polarisationserhaltende Fasern ein geschrieben werden so dass beispielsweise Effekte durch Querbelastung gemessen werden k nnen Fau77 In den letzten Jahren sind auch FBG in PCF Fasern photonic crystal fiber eingeschrieben worden Rin08 Diese Fasern haben ein mikrostrukturiertes Cladding und be sitzen besondere Merkmale die besonders gezielt f r Spezialanwendungen in der Messtechnik zur Detektion von biologischen oder chemischen Substanzen eingesetzt werden k nnen Rin08 Eine besondere Bauart von FBG Dehnungssensoren sind die sogenannten Patches DE51 US76 Dabei wird die optische Faser mit dem FBG auf bzw in einem Sensortr ger appliziert bzw integriert der besondere Eig
170. tae aeia Eiaa 101 FunktlonSnachwelS aaa ae nee EEn 102 Integrationsbeispiel f r FBG Dehnungssensoren seernes 108 Weiterf hrende Untersuchungen escceesseeseeeseneeeeeeseaeeeeeeseseeeeeneeneaes 111 Empfehlung zur Applizierung mit optimaler Dehnungs bertragung 112 Zusammenfassung und Ausblick unssusssnnnssnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nenn 113 LiteraturverZeiChniis csssccsssecssseesesesseeesseeeseeeeseceeseneessceeeneeeeseneeseneeeees 116 Abbildungsverzeichnis cssecsssnsececseseessseeseseeeseeeeneeeeneneeseneesseneneees 121 Abk rzungen und Formelzeichen uurssussssnnsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnn 125 AbK rz ngen 4 2 3 2 20 seien 125 E rmelzeichen z 2 2 5 52 0 te sh rss Sr a A ee eR eS see 126 Inhaltsverzeichnis A A 1 A 1 1 A 1 2 A 1 3 A 2 A 3 Anhang HE 129 Experimentell ermittelte Dehnungs bertragungskoeffizienten aus kombinierten Last Temperatur Versuchen vgl Abschnitt 11 4 129 Verklebungsart Vollfl chig ur44444 nennen nnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnennnnnn nenn 129 Verklebungsart Punktuell u 20 4220444B0Rn Bonn nnnnennnnnnenennenonernnnerenen non 130 Vergleich der Dehnungs bertragungskoeffizienten ermittelt mit DMS und 3D Stereokorrelation vgl Abschnitt 111 1 1 1 gt 131 Mathematische Darstellung des Brechungsindexes 222422444r nn nen
171. ten nderung der Ausgangsgr e also der Bragg Wellenl nge Im Falle eines FBG Dehnungssensors beschreibt jedoch der Temperaturgang das Ver h ltnis der Bragg Wellenl nge zu einer St rgr e der Temperatur Um aus der Bragg Wellenl nge die f r die Beschreibung der Dehnungs bertragung notwendige Information ber die mechanische Dehnung zu erhalten ist zun chst die Kenntnis des Temperaturgangs des FBG Sensors erforderlich Mit dieser Information kann dann die mechanische Dehnung aus der Bragg Wellenl nge berechnet werden Gem VDI60 ist der Temperaturgang eines FBG Dehnungssensors als nderung der Bragg Wellenl nge bezogen auf eine Temperatur nde rung ohne einen Dehnungseintrag definiert Soll ein FBG Sensor als Dehnungssensor auf der Oberfl che eines Messobjekts eingesetzt werden so erfahren Sensor und Messobjekt eine Dehnung die sich aus der mechanischen Dehnung amp und der Warmedehnung p des Messobjekts zusammensetzt E En HEr 49 Die Warmedehnung des Messobjekts wird mit dem W rmeausdehnungskoeffizienten a zu amp AT berechnet F r den FBG Dehnungssensor ergibt sich mit GI 6 und GI 17 A2 d K K AT so dass gilt Kre Arkle aa aT ERAT 50 Aso Zur Bestimmung der mechanischen Dehnung muss also zunachst der Warmeausdehnungsko effizient des Messobjekts bestimmt und die Anderung des Brechungsindexes in Abhangigkeit von der Temperatur ermittelt werden Der Warmeausdehnungskoeffizie
172. ten von FBG Sensoren mit verschiedenen Coatings ber einen Dehnungsbereich von 1 4 mm m Die FBG Sensoren wurden mit Kyowa CC 33A appliziert nee an hrsg 59 Abb 28 Verhalten von FBG Sensoren mit verschiedenen Coatings ber einen Dehnungsbereich von 1 4 mm m bei einer Temperatur von 23 C Die FBG Sensoren wurden mit Loctite 147 appliziert uusun4n4nsnrnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnannnnnnnnnnnnnnnnnnannnnan 60 Abb 29 FBG mit Acrylat Coating mittels Loctite 147 appliziert Bei T 20 C ist ein deutlicher Anstieg des Dehnungs bertragungskoeffizienten zu erkennen urmernnnn 61 Abb 30 Kalibrierdiagramm eines mit Ormocer gecoateten FBG Dargestellt ist die Anderung der Bragg Wellenl nge ber der Dehnungs nderung des DMS Es ist die Abh ngigkeit der Grund Bragg Wellenlange von der scheinbaren Dehnung s des Messobjekts bedingt durch die Temperatur zu erkennen 4 4440snnnnnnennnnnnennnnnnennnnnnnnn 62 Abb 31 Ausgleichsgerade durch die Messwerte aus 6 Pr fzyklen bei 23 C f r einen FBG Dehnungssensor mit Ormocer Coating der mit Loctite 147 appliziert wurde 64 Abb 32 FBG Dehnungssensoren mit Acrylat Coating appliziert auf Aluminium mit Loctite 147 Schwarz Vollfl chige Verklebung des FBG Rot Punktuell links und rechts VOMEBG Verklebts 2 2 284222 rs nal Ragas Haren aes toe dea aed BE ov Hess Fer idee SRD 65 Abb 33 nderung der Wellenl nge v
173. ter Kenngr en und Pr fbedingungen VDI VDE GESA 2660 Optischer Dehnungssensor basierend auf Faser Bragg Gitter Wenzel M Spannungsbildung und Relaxationsverhalten bei der Aush rtung von Epoxidharzen TU Darmstadt 2005 Wu S Polymer Interface and Adhesion Marcel Dekker Inc New York 1982 Xie J Zhang H Zhu Z Xu J Hu R Song L A study of the temperature sen sitivity of fiber Bragg gratings after metallization Journal of Smart Materials and Structures Vol 16 pp 1837 1842 2007 Ye C Staines S James S W Tatam R P A polarization maintaining fibre Bragg grating interrogation system for multi axis strain sensing Measurement Science and Technology Vol 13 pp 1446 1449 2002 Zhao J Zhang X Huang Y Ren X Experimental analysis of birefringence ef fects on fiber Bragg gratings induced by lateral compression Journal of Optics Communications Vol 229 pp 203 207 2004 Zeh T Optical Fiber Bragg Sensors Measurement Systems and Signal Process ing Dissertation TU M nchen 2004 BAM Dissertationsreihe VIII Abbildungsverzeichnis Vill Abbildungsverzeichnis Abb 1 Dehnungs bertragungsmodell nach Rohrbach und Czaika Roh59 Im oberen Teil der Abbildung ist ein aufgeklebter DMS mit seiner aktiven Gitterl nge im Schnitt A A dargestellt Darunter sind schematisch die Verh ltnisse der Dehnungen zwischen Bauteil und Tragermaterial lt und Bauteil und Messgitt
174. the sensitivity of fibre Bragg grating sensors at cryo genic temperature Journal of Smart Materials and Structures Vol 14 pp N71 N76 2005 Michel M Adh sion und Klebtechnik Carl Hanser Verlag M nchen 1969 Takeda N Okabe Y Mizutani T Damage detection in composites using optical fibre sensors Proceedings IMechE Vol 221 Part G pp 497 508 2007 Oh S T Han W T Paek U C Chung Y Discrimination of temperature and strain with a single FBG based on the birefringence effect Optics Express Vol 12 4 pp 724 729 2004 Okabe Y Tanaka N Takeda N Effect of fiber coating on crack detection in car bon fiber reinforced plastic composites using fiber Bragg grating sensors Journal of Smart Materials and Structures Vol 11 pp 892 898 2002 Othonos A Kalli K Fiber Bragg Gratings Fundamentals and Application in Tele communications and Sensing Artech House Boston 1999 Perry C C The Resistance Strain Gage Revisited Experimental Mechanics Vol 24 4 pp 286 299 1984 Richter D Oberflachencharakterisierung von aliaphatischen Polyamiden zur Be wertung adh siver Wechselwirkungen in Carbonfaserverbunden Dissertation TU Berlin 2004 Rindorf L Band O Sensitivity of photonic crystal fiber grating sensors biosens ing refractive index strain and temperature sensing Journal of Optical Society of America B Vol 25 3 pp 310 324 2008 Rohrbach C Czaika N Deutung des Mechanismus der
175. tr gt 3 89 um 1 20 1 00 0 80 0 60 0 40 Dehnung sin mm m 0 20 0 00 a optische Faser e Messobjekt 4 Klebstoff 0 1000 2000 3000 4000 Kraft FinN Abb 44 Ermittelte Dehnung des ESPI Systems in Bezug auf die auf das Messobjekt aufgebrachte Kraft Der Klebstoff wird gut vom Messobjekt mitgenommen und erf hrt dieselbe Dehnung w hrend die optische Faser weniger Dehnung erf hrt 82 BAM Dissertationsreihe Ill Validierungsmessplatz KALFOS Mit dem ESPI Verfahren kann im Gegensatz zu den herk mmlichen elektrischen Verfahren visuell die relative Bewegung zwischen Messobjekt und Sensor bestimmt werden In Abb 45 ist f r den hier aufgezeigten Versuch eine Starrk rperkompensation durchgef hrt worden Verschiebung um Klebstoff Optische Faser Messobjekt 0 490 0 291 0 093 0 106 0 305 0 702 0 900 1 099 ea a a z 0 503 MM 0 451 SS E 1 297 3 655 2 991 2 299 1 636 0 949 0 286 0 406 1 070 1 756 2419 3 112 X Abb 45 Falschfarbendarstellung der Relativbewegung von optischer Faser Klebstoff und Messobjekt Die Gr e des Messfeldes ist in x und y Richtung in mm angegeben Zu erkennen ist dass die Faser im oberen Messfeldbereich um 1 2 um weniger Ver formung erf hrt als das Messobjekt Der entscheidende Vorteil des ESPI Verfahrens ist also dass relative Bewegungen zwischen Sensor und Messobjekt sch
176. tt 3 Das L sen des DMS von der Probe und somit die unzureichende Dehnungs bertra gung ist in den Messwerten in Abb 51 nicht zu erkennen weil die dehnungsempfindlichen Ma anderdrahte des DMS nicht bis in den linken oberen Teil des DMS hineinreichen Damit wird deutlich dass der enorme Vorteil dieses Referenzverfahrens in der visuellen Dehnungserfas sung an derselben Messstelle wie der zu referenzierenden Sensoren liegt Eine fr hzeitige Er kennung von Abl sevorg ngen noch bevor das sensitive Element des Sensors betroffen ist und falsche Messwerte liefert ist nur mit dieser Art der Referenzierung m glich Somit kann gezielt die zuverl ssige Funktionsweise der Sensoren sichergestellt werden und diese k nnen bevor sie falsche Messwerte liefern ausgetauscht werden Mit der 3D Stereokorrelation konnte ein Vergleich zwischen der Dehnung des FBG des Klebstoffs und der Probe durchgef hrt werden Dabei zeigte sich f r alle drei Proben dass die FBG Sensoren eine gute Haftung aufweisen und die ermittelten Messergebnisse gut mit den Dehnungen der Proben bereinstimmen Beispielhaft f r alle durchgef hrten Versuche ist die Dehnung von FBG Klebstoff und Probe f r einen Probek rper in Abb 53 dargestellt 92 BAM Dissertationsreihe Ill Validierungsmessplatz KALFOS Probendehnung l 1 24 Klebstoffdehnung m PETINI AES FBG Dehnung E H H T D j oO 0 0 4 0 2000 4000 6000 8000 100
177. tt V werden Empfehlungen zur Erlangung einer optimalen Dehnungs bertragung bei oberfl chen applizierten FBG Dehnungssensoren ausgesprochen und in Abschnitt VI sind die erzielten Er gebnisse und prinzipiell erreichten Ziele zusammenfassend dargestellt Abschlie end sind ein Anhang und Verzeichnisse beigef gt 4 BAM Dissertationsreihe I Einleitung und Grundlagen 1 2 Messtechnische Grundlagen Dieses Kapitel erl utert Grundlagen der etablierten Dehnungsmessstreifentechnik die als kon ventionelle Messtechnik immer wieder f r Vergleichsmessungen mit FBG Dehnungssensoren herangezogen oder als Referenzverfahren genutzt wird Anschlie end wird auf die allgemeine Funktionsweise von Faser Bragg Gitter Sensoren und deren Eigenschaften eingegangen Das daran anschlie end in diesem Kapitel vorgestellte Dehnungs bertragungsmodell bei geklebten Faser Bragg Gitter Dehnungssensoren bildet die Grundlage zu den in Abschnitt II durchgef hr ten experimentellen Untersuchungen Zum allgemeinen Verst ndnis wird abschlie end auf in dieser Arbeit relevante Klebstoffe deren Eigenschaften und die Mechanismen der Adh sion eingegangen welche bei der Sensoranbindung durch Klebung an die Messobjektoberfl che eine Rolle spielen 1 2 1 Dehnungsmessstreifen Dehnungsmessstreifen DMS haben sich in sehr vielen Anwendungsgebieten aufgrund lang j hriger Erfahrung bew hrt und etabliert E E Simmons und A C Ruge entwickelten die ers ten DMS basiere
178. u des Pr f platzes verzichtet um eine Verkomplizierung der Anlage im Zusammenspiel mit dem optischen Referenzverfahren zu vermeiden Die weiterf hrenden Untersuchungen zum Einfluss der Feuchte auf FBG Dehnungssensoren wie in Kapitel II 5 erw hnt werden in weiteren Studien durch Belastung der Messobjekte in Klimakammern mit definierten Pr fzyklen durchgef hrt Dabei soll jeweils vor und nach der Belastung die Dehnungs bertragung in Abh ngigkeit von den durchgef hrten Feuchtezyklen an der hier erl uterten Pr feinrichtung bewertet werden F r das ESPI System ist eine spezielle Aufh ngung an der Belastungseinrichtung einge baut worden Diese soll schwingungsfrei eine optimale Positionierung des Sensorkopfs in Be zug auf das Messfeld der Probe erm glichen und den Sensorkopf mit dem halben Traversen weg der Belastungseinrichtung mitf hren Eine Mitf hrung des Sensorkopfs ist unbedingt not wendig da bei einer starken Deformation des Messobjekts die Anzahl der Interferenzstreifen zu gro und damit eine Auswertung erschwert wird In einer komplexen Ablaufsteuerung erfolgt die Steuerung f r die einzelnen Komponen ten Temperaturkammer Belastungseinrichtung und ESPI System durch ein Programm basie rend auf der Programmiersprache testXpert Il Dieses Programm ist modular aufgebaut siehe Kapitel I11 1 2 Neben Kraft Weg Diagrammen k nnen auch eine Bestimmung des E Moduls von Werkstoffen Spannungs Dehnungs Diagramme etc programmiert wer
179. ung Abkiihl schwindung 3 Gesamtvolumen durch Mel schwindung gt gt Expansion Dichte p in g cm ow i Raumtemp i H rtungstemp pa a Temperatur T in C Abb 55 Schematische Darstellung der Dichte nderung eines Epoxidharzes bei der Aushartung Wen05 Zunachst wird das Epoxidharzsystem von Raumtemperatur auf Hartungstemperatur gebracht was zu einer Abnahme der Dichte des Materials f hrt da sich dieses mit steigender Tempera tur verfl ssigt Ist die Aush rtetemperatur erreicht nimmt durch die chemischen Vernetzungs reaktionen die dann eintreten die Dichte zu und das Volumen des Materials entsprechend ab Diesen Prozess bezeichnet man als Reaktionsschwinden Beim Abk hlprozess kommt es be dingt durch die thermische L ngen nderung des Materials zu einer Dichterh hung bzw einem W rmeschrumpfen Dabei wird auch die Glas bergangstemperatur T durchlaufen Aus Abb 55 ist ersichtlich dass der CTE unter und oberhalb der Glas bergangstemperatur ver schieden ist Je nach eingesetztem Epoxidharzsystem betr gt die Volumenkontraktion und damit das Schrumpfen ca 1 bis 5 des Volumens Beim Aush rtungsprozess der Patches l sst sich dieses Verhalten des Epoxidharzes anhand der nderung der Bragg Wellenl nge und damit der Vorspannung sehr gut zeigen Beispielhaft ist in Abb 56 eine Temperung eines Patches als nderung der Bragg Wellenl nge ber der Zeit in Abh ngigkeit von der Tempera
180. ung der Kosten vorangebracht werden Zum anderen m ssen f r die Anwendung der faseroptischen Messtechnik verbindlich Handhabungsvorschriften Richtlinien und Pr fmethodiken geschaffen werden F r den Einsatz dieser Messtechnik in sicherheitsrelevanten Industriezweigen z B der Luftfahrt oder Medizintechnik ist es von grundlegender Bedeutung die faseroptischen Sensoren und deren Messtechnik nach vergleichbaren Kriterien mit einer physikalisch unab h ngigen Pr fmethodik zu bewerten 1 1 Motivation und Zugang zur Problemstellung 1 1 1 Faser Bragg Gitter in der Luftfahrtindustrie Die Bedeutung von faseroptischen Sensoren und Netzwerken in der Luftfahrt ist in den letzten Jahren sehr stark gestiegen Diese Sensoren und Systeme sollen ahnlich einem menschlichen Nervensystem eine Online Diagnose eine Prognose und damit ein gezieltes Management des Flugzeugzustands erm glichen Durch die autonome Detektion Beurteilung und berwachung der Struktur bis hin zur Ereignismeldung des Messsystems sollen damit Wartungsintervalle eingespart und Inspektionskosten gesenkt werden Eine besondere Rolle unter den faseroptischen Sensoren spielen die Faser Bragg Gitter Sensoren FBG Sensoren Mehrfach sind in der Literatur bereits Ergebnisse vorgestellt wor den bei denen FBG Sensoren sowohl in Luftfahrtkomponenten integriert als auch auf ihrer Oberfl che appliziert wurden Keh03 NTak07 Stak07 Tru01 I Einleitung und Grundlagen FBG Sens
181. ung des Deh nungs bertragungsverhaltens von oberfl chenapplizierten FBG Sensoren beschrieben Es wurde ein physikalisch unabh ngiges Referenzverfahren zur Ermittlung der Dehnung des Messobjekts im Vergleich zur Wellenl ngen nderung der FBG Sensoren ausgew hlt Mit die sem Referenzverfahren wurde aufbauend auf die in Abschnitt II experimentell ermittelten Ein flussparameter ein Messplatz konzipiert mit dem das Dehnungs bertragungsverhalten zuver l ssig und mit hinreichender Genauigkeit ermittelt werden kann Dieser Messplatz im weiteren als KALFOS Kalibrierung faseroptischer Sensoren bezeichnet musste zun chst charakteri siert werden bevor dieser zur Validierung von oberfl chenapplizierten FBG Sensoren einge setzt werden kann 11 1 Konzipierung und Entwicklung eines Pr fverfahrens Als Ergebnis der in Abschnitt Il Kapitel 4 bis 8 gewonnenen Erkenntnisse werden in diesem Kapitel die Anforderungen an den Messplatz und das Referenzverfahren dargelegt Die Mess methodik und die zugeh rige Datenverarbeitung werden erl utert 11 1 1 Messmethodik und Auswahl des Referenzverfahrens Die hier gew hlte Messmethode mit der die Dehnungs bertragung vom Messobjekt auf den Dehnungssensor bestimmt werden soll besteht aus einer Pr feinrichtung mit der gezielte und kombinierte Belastungs und Temperaturbeanspruchungen auf das Messobjekt aufgebracht werden k nnen sowie einem messtechnologisch unabh ngigen Referenzverfahren zur Ermit
182. ungen zu diesem Themengebiet sind notwendig und stehen noch aus Mit diesen hier dargestellten Erkenntnissen wurde zur Bewertung der Dehnungstbertra gung schlie lich eine Messmethodik entwickelt die ein messtechnologisch unabh ngiges opti sches Referenzverfahren nutzt Dieses erlaubt die Verformung des Dehnungssensors des Klebstoffs und des Messobjekts unter kombinierten Temperatur und Belastungsbedingungen zu erfassen Diese Messdaten werden dann in Relation zur nderung der Bragg Wellenl nge des Dehnungssensors gesetzt und daraus der Dehnungs bertragungskoeffizient bestimmt Die Funktionsf higkeit des Messplatzes mit dem ESPI System als Referenzverfahren konnte nach gewiesen werden Mit der 3D Stereokorrelation konnten ebenfalls alle notwendigen Untersu chungen zur Referenzierung der Dehnungen durchgef hrt werden Der wesentliche Vorteil die ser beiden Methoden liegt in der hochaufl senden Messtechnik und der Bewertung von relati ven Bewegungen zwischen Sensor und Messobjekt Verluste in der Dehnungs bertragung k nnen direkt den einzelnen beteiligten Elementen Sensor Klebstoff Messobjekt zugeordnet werden Nur ein optisches Referenzverfahren bietet diese M glichkeit schnell visuell eine Be wertung der Dehnungs bertragung an der Messstelle selbst vornehmen zu k nnen Zur Vali dierung der faseroptischen Sensoren k nnen jedoch nicht beliebige Bauteile in die Belastungs einrichtung eingespannt werden Eine Entwicklung eines trag
183. versuch durchgef hrt bei dem das ESPI System als Referenz verfahren eingesetzt wurde Mit dem ESPI wurde gezeigt dass die mittlere Dehnung der optischen Faser wesentlich unterhalb der mittleren Dehnung von Messobjekt und Klebstoff liegt wie in Abb 43 quantitativ wei eingekreist und in Abb 44 qualitativ durch die Ausgleichsgeraden der Messwerte darge stellt Dies wurde schon in Abb 37 mit der 3D Stereokorrelation gezeigt Der gro e Vorteil des ESPI Verfahrens wird in Abb 43 deutlich das Messverfahren ist wesentlich empfindlicher als die 3D Stereokorrelation Die hier ermittelten Verschiebungen k nnen mit einer Aufl sung im nm Bereich dargestellt werden Das hier definierte Messfeld hat eine Gr e von 3 mm x 3 7 mm w hrend das Messfeld aus Abb 37 durch die eingesetzten Objektive und die Entfernung zum Messobjekt eine Gr e von 10 mm x 10 mm hatte 81 Ill Validierungsmessplatz KALFOS Deformation um 5 88 5 22 4 56 3 89 3 23 2 57 1 90 1 24 0 58 0 09 x Klebstoff Optische Faser Messobjekt 3 655 2 991 2 299 1 636 0 949 0 286 0 406 1 070 1 756 2 419 3 112 Abb 43 Auf dem Foto des applizierten FBG Dehnungssensors ist berlagernd die gemessene Verschiebung bei maximaler Belastung der optischen Faser relativ zum Messobjekt in Falschfarben dargestellt Am Rand des Bildes sind die Koordinaten des Messfeldes x und y in mm aufgetragen Die maximale Verschiebung der optischen Faser be
184. wohl das Transmissions als auch das Reflexionsspektrum des FBG analysiert werden Der OSA detek tiert das reflektierte optische Spektrum der angeschlossenen optischen Faser Die Bestimmung der Bragg Wellenlange erfolgt in der Regel durch einen mathematischen Algorithmus Fur den Einsatz als Feld und Labormesstechnik bei der der Fokus auf hohen Abtastra ten Robustheit und Kosteng nstigkeit liegt sind von verschiedenen Herstellern FBG Messger te sogenannte Interrogatoren entwickelt worden Im Gegensatz zu einem OSA bei dem optische Koppler und eine externe Lichtquelle als zus tzliche Komponenten in den Mess aufbau integriert werden m ssen sind bei Interrogatoren bereits die Lichtquelle ein System zum Auslesen des FBG Signals und z T Signalverarbeitungseinheiten im Ger t implementiert Das Messprinzip der meisten auf dem Markt angebotenen Interrogatoren ist das WDM Verfahren Dabei ist wie in Abb 10 dargestellt ein durchstimmbarer Laser im Ger t integriert der kontinuierlich einen bestimmten Wellenl ngenbereich in dem die zu detektierenden Bragg Wellenl ngen liegen durchf hrt z B 1510 nm bis 1590 nm Das vom FBG reflektierte Signal wird dann mit einem Referenzsystem picoWave analysiert und nach geeigneten Signalver arbeitungsschritten an einen PC bermittelt Der Vorteil eines durchstimmbaren Lasers in sol chen Ger ten gegen ber beispielsweise einer Breitbandlichtquelle liegt in der h heren Leistung des Lasers und

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