Einleitung
Den faseroptischen Sensoren wird bereits seit einiger Zeit große Aufmerksamkeit zuteil. Unter dem Leitwort „Materialprüfung“ sind in diesem Zusammenhang eine kaum überschaubare Anzahl an Forschungsberichten und Fachartikeln entstanden. Diese Aufmerksamkeit ist begründet, denn die Prüfung von Bauteilen im Bauwesen auf ihre Integrität und Tragfähigkeit hat heute einen hohen Stellenwert erreicht. Darüber hinaus werden Fasersensoren zusehends in Überwachungs- und Diagnosesystemen für die Industrie- und die Verkehrstechnik integriert. Im Mittelpunkt steht die Echtzeit-Zustandsüberwachung und Schadensfrüherkennung.
Insbesondere die mechanische Beanspruchung (Materialdehnung) und die Temperaturentwicklung an kritischen Stellen sind hierbei von Interesse. In Folge dessen können Rückschlüsse auf die Belastung und somit die Lebensdauer von z. B. Anlagen getätigt werden [1]. Entsprechend ist die mechanische Dehnung wesentliches Ziel messtechnischer Anwendungen. Der Vorteil optischer Sensoren liegt in ihrem hohen Auflösungsvermögen. Die Kopplung von Mechanik und Optik bedeutet im Prinzip die Beeinflussung eines gegebenen optischen Strahlengangs mit einer Längenänderung der Laufstrecke. Je nach Art des Sensors werden unterschiedliche optische Effekte genutzt. Die messbaren Eigenschaften einer Lichtwelle sind Intensität, Wellenlänge, Laufzeit, Phasenlage oder Polarisationszustand.
Im Fokus dieser Arbeit stehen Fabry-Pérot-Interferometer und Faser-Bragg-Gitter als optische Dehnungssensoren. Zu Beginn der Arbeit werden sie im Aufbau und ihrer Funktion erläutert. Innerhalb der praxisnahen Ausführungen sind dann die erforderlichen Messtechnologien und die Ausgabedaten beschrieben. Größte Aufmerksamkeit wird z. Z. den eingebetteten Fasersensoren zu Teil. Sie sind integriert in Verbundwerkstoffe oder Betonbauteile. Faser-Bragg-Gitter Sensoren (FBG) werden vielfach für die statische bzw. quasistatische Überwachung von baustofftechnischen Veränderungen im Fertigungsprozess [2], oder während struktureller Belastung über einen großen Zeitraum hinweg verwendet. Dynamische Untersuchungen mit größeren Abtastraten der Messsignale lassen sich, gerätetechnisch bedingt, dagegen nur bis zu einigen zehn Kilohertz realisieren. FBG Sensoren basieren auf dem Effekt der Interferenz-Reflexion phasengleicher Teilreflexe einer bestimmten Wellenlänge [3]. Die Teilreflexe einer breitbandigen Strahlung entstehen an periodisch variierenden Brechzahlbereichen im Faserkern.
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Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Theoretische Grundlagen
2.1. Faseroptische Sensoren
2.1.1. Applikationen
2.1.2. Interferometrische Fabry-Pérot Sensoren
2.1.3. Faser-Bragg-Gitter Sensoren
2.2. Oberflächenapplizierung faseroptischer Sensoren
2.3. Analytische Untersuchungen
2.4. Klebstoffauswahl
2.4.1. Klebstofftypen
2.4.2. Kriterien für die Klebstoffauswahl
3. Experimentelle Untersuchungen
3.1. Zugbänder, Sensoranordnung, Versuchsgestaltung
3.2. Präparation der FBG-Sensoren
3.3. Referenzwertbestimmung mit Dehnungsmessstreifen
3.4. Dehnungsmessungen
3.4.1. FBG-Sensoren
3.4.2. EFPI-Sensoren
4. Ergebnisse und Schlussfolgerungen
4.1. Klebstoffe im Vergleich
4.2. Sensorverhalten fester EFPI-Sensoren
4.3. Prüfung des Analytischen Modells
4.4. Zusammenfassung
4.5. Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht das Dehnungsübertragungsverhalten von geklebten faseroptischen Sensoren (FBG und EFPI) auf Stahloberflächen, um deren Eignung für präzise Strukturmessungen unter verschiedenen Klebebedingungen zu evaluieren.
- Grundlagen der Faser-Bragg-Gitter und Fabry-Pérot-Interferometer.
- Einfluss der Klebstoffwahl und der Klebetechnik auf die Dehnungsübertragung.
- Analytische Modellierung der Scherspannungen in der Klebschicht.
- Experimentelle Validierung mittels Zugversuchen und Vergleich mit Dehnungsmessstreifen.
- Analyse von Hystereseverhalten und Reproduzierbarkeit der Messsignale.
Auszug aus dem Buch
2.3. Analytische Untersuchungen
Analog zu der Beschreibung des Übertragungskoeffizienten („sensitivity coefficient“) von YUAN und ZHOU [6] wird in diesem Kapitel ein analytisches Modell erstellt, um die Dehnungsübertragung durch eine Klebung zu beschreiben.
Dem physikalischen Problem sind folgenden Annahmen vorangestellt:
- Alle Materialien verhalten sich linear elastisch.
- Es liegen ideale Stoffverbindungen an den Kontaktflächen vor.
- Der Faserkern und der Fasermantel sind in ihren Eigenschaften gleich, können also als eine Glasfaser angesehen werden.
- Es wird vorausgesetzt, dass die Klebschicht nur Scherung erfährt.
Modellbeschreibung
Für die analytische Untersuchung soll im Folgenden ein idealisiertes Modell der Problematik angenommen werden. Eine optische Faser mit dem äußeren Radius rf ist mit Klebstoff parallel zur planen Oberfläche auf dem Sensorträger befestigt. Der Koordinatenursprung befindet sich auf der Faserachse und genau auf der halben Klebelänge (l). Die Unterseite der Faser ist von der Oberfläche um den Betrag hk entfernt. Für die späteren Untersuchungen wird hier die effektive Schichtdicke dk eingeführt. Sie ist erforderlich, da hier die gekrümmte Faseroberfläche der planen Trägerfläche gegenübersteht. Nachfolgend werden die Scherspannungen parallel zur Faserachse betrachtet. Die Effekte über den Radius der Faser sollen hier lediglich näherungsweise berücksichtigt werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Einführung in die Relevanz der faseroptischen Sensorik für die Materialprüfung und Definition der zentralen Fragestellung zur Dehnungsübertragung.
2. Theoretische Grundlagen: Erläuterung der physikalischen Funktionsweisen von FBG- und EFPI-Sensoren sowie der theoretischen Anforderungen an die Klebetechnik.
3. Experimentelle Untersuchungen: Beschreibung des Versuchsaufbaus, der verwendeten Prüfmaschinen und der Probenvorbereitung zur Datenerfassung.
4. Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Auswertung der gemessenen Dehnungskurven, Vergleich verschiedener Klebstofftypen und Verifikation durch das analytische Modell.
Schlüsselwörter
faseroptische Sensoren, Dehnungsübertragung, Faser-Bragg-Gitter, EFPI-Sensoren, Klebetechnik, Materialprüfung, Dehnungsmessstreifen, Epoxidharz, Strukturüberwachung, Sensorklebung, analytisches Modell, Dehnungsverhalten, Scherspannung, Messtechnik, Zugversuch
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit?
Die Arbeit untersucht, wie faseroptische Sensoren auf Bauteiloberflächen aus Stahl geklebt werden müssen, damit Dehnungen präzise übertragen und gemessen werden können.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Im Fokus stehen die Funktionsweise von FBG- und EFPI-Sensoren, die physikalischen Anforderungen an Klebverbindungen und die experimentelle Validierung der Dehnungsmessung.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, den Einfluss verschiedener Klebstoffe und Gestaltungsvarianten (offen vs. umschlossen) auf das Sensorverhalten und die Genauigkeit der Dehnungsmessung zu bestimmen.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Die Arbeit kombiniert theoretische analytische Modellbildungen zur Scherspannung mit experimentellen Zugversuchen an einer Prüfmaschine sowie numerischen Vergleichen mit Dehnungsmessstreifen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Es werden mathematische Modelle für die Dehnungsübertragung entwickelt, eine Auswahl geeigneter Klebstoffe begründet und die experimentell ermittelten Dehnungskennlinien analysiert.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Faser-Bragg-Gitter, EFPI-Interferometrie, Dehnungsübertragung, Klebetechnik und experimentelle Strukturmessung.
Wie unterscheidet sich die "offene" von der "umschlossenen" Klebung?
Bei der offenen Klebung wird der Sensor auf eine definierte Klebschicht gebettet, während er bei der umschlossenen Klebung vollständig mit Klebstoff umhüllt wird, um eine Haftung über die gesamte Oberfläche zu erzielen.
Welchen Einfluss hat die Klebstoffwahl auf die Messdaten?
Unterschiedliche Klebstoffe beeinflussen das Hystereseverhalten und die Dämpfung der Messsignale; Füllstoffe im Klebstoff können zudem die Stabilität der Dehnungsübertragung positiv beeinflussen.
Warum werden Dehnungsmessstreifen (DMS) als Referenz genutzt?
DMS dienen als etablierte elektrische Vergleichsmethode, um die Messdaten der optischen Fasersensoren unter identischen Belastungsbedingungen zu verifizieren.
- Quote paper
- Marcus Stelter (Author), 2005, Untersuchung des Dehnungsübertragungsverhaltens geklebter faseroptischer Sensoren, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/46255
