Die häufigsten Fragen zu optischen Dehnungsmessstreifen kompakt beantwortet

Optische Dehnungsmessstreifen (DMS) werden immer beliebter. Sie lassen sich so einfach wie klassische DMS installieren, sind unempfindlich gegen elektromagnetische Felder und können auch unter hochexplosiven Bedingungen verwendet werden.

Aber wie funktioniert eigentlich ein Faser-Bragg-Gitter? Gibt es weitere Vorteile? Was muss ich bei der Installation beachten? Wie kann ich optische Verluste ausgleichen? Wie viele Sensoren dürfen in eine Faser integriert werden?

Diese und weitere Fragen zum Messen mit Licht beantworten unsere Experten:

Wie funktioniert ein Faser-Bragg-Gitter?

Ein Faser-Bragg-Gitter besteht aus zahlreichen Reflexionsstellen, die Teile des einfallenden Lichtes zurückwerfen. Eine solche Stelle wird durch starkes UV-Licht, das auf den Faserkern wirkt, hervorgerufen. Dieser Vorgang wird auch als "einschreiben" bezeichnet. Wenn sehr viele Reflexionsstellen in einem konstanten Abstand in die Faser eingeschrieben werden, entsteht ein Gitter.

Prinzipieller Aufbau eines Faser-Bragg-Gitters


Der Abstand zwischen den Reflexionsstellen ist bei einem Faser-Bragg-Gitter immer gleich. Eine Wellenlänge, die exakt zwischen zwei Reflexionsstellen passt, wird an dem Gitter reflektiert. Alle anderen Wellenlängen passieren das Gitter, ohne reflektiert oder geschwächt zu werden.

Da sich das Licht der einzelnen Reflexionsstellen überlagert, entsteht ein Reflexionspeak, der vom Abstand der Gitterstellen zueinander bestimmt wird. Liegen alle Reflexionen phasengleich – in diesem Fall entspricht die Wellenlänge dem Abstand der Reflexionsstellen –, entsteht an dieser Stelle konstruktive Interferenz. Die Wellenlänge eines solchen Reflexionspeaks wird in der Auswerteeinheit (Interrogator) bestimmt.



Sobald Dehnung auf ein Faser-Bragg-Gitter wirkt, ändert sich der Abstand der Reflexionsstellen und es wird eine andere Wellenlänge reflektiert. Somit kann die Änderung der Bragg-Wellenlänge bestimmt werden. Analog zu der Beziehung für den metallischen DMS gilt:


Mit

λ  Basiswellenlänge des Faser-Bragg-Gitters (Wellenlänge bei Start der Messung)
Δλ  Wellenlängenänderung bei in das Gitter eingeprägter Dehnung
k    k-Faktor
ε   Dehnung

Faser-Bragg-Sensoren weisen eine größere Schichtdicke als elektrische Dehnungsmessstreifen auf. Hierdurch ergibt sich bei der Messung von Biegedehnungen auf dünnen Bauteilen ein nicht zu vernachlässigender Messfehler, der jedoch sehr einfach korrigiert werden kann:


Mit
εOF   Dehnung auf Bauteiloberfläche
εAnz   von der Faser gemessene Dehnung
h    Bauteilstärke
d    Abstand der Faser von der Bauteilstärke

Bei den optischen DMS von HBM ist der Abstand d 0,5 mm.

Von welcher aktiven Gitterlänge kann ausgegangen werden?

Ein optischer DMS hat keine aktive Gitterlänge in dem Sinne, wie sie bei den elektrischen DMS definiert ist. Bei HBM haben optische DMS aber generell eine Länge von 30mm.

Das Faser-Bragg-Gitter ist in der Mitte des DMS in einen Spezialkunststoff eingebettet (im Bild der helle Bereich). Die Dehnungseinleitung in das Faser-Bragg-Gitter erfolgt über die "Endpunkte" des optischen DMS (im Bild die beiden dunkleren Bereiche). Diese Endpunkte haben eine Länge von jeweils 5mm. Der optische DMS muss über seine gesamte Länge flächig verklebt werden. Der helle Spezialkunststoff dient der Führung der Faser, insbesondere bei Stauchung. Das Dehnungssignal des optischen DMS, das an den Interrogator geliefert wird, ist der Mittelwert aller Dehnungen im Bereich des hellen Spezialkunststoffes.

Wie viele Sensoren dürfen in eine Faser integriert werden?

Ein großer Vorteil der optischen Faser-Bragg-Messtechnik besteht darin, dass mehrere Sensoren in ein und dieselbe Faser integriert werden können.

Voraussetzung ist, dass diese Sensoren unterschiedliche Bragg-Wellenlängen aufweisen. Wie unter dem Punkt „Wie funktioniert ein Faser-Bragg-Gitter?“ beschrieben, ändert sich die Bragg-Wellenlänge, wenn auf den Sensor Temperatur oder Dehnung wirken.

Peaks dürfen sich dabei nicht überlagern. In Abhängigkeit von der mechanischen Belastung des Sensors wird eine mehr oder weniger starke Wellenlängenänderung durch die Sensoren verursacht. In der Summe dürfen diese Änderungen die Wellenlängen-Bandbreite des Interrogators nicht überschreiten.

Dabei ist zu beachten, dass zwischen den Wellenlängen-Peaks der Sensoren Sicherheitsabstände einkalkuliert werden. Diese sind notwendig, damit der Interrogator die Sensoren anhand der reflektierten Wellenlängen zuordnen kann. Als Richtwert gelten 13 Sensoren pro Faser. Bei einem vierkanaligen Interrogator können folglich bis zu 52 Sensoren angeschlossen werden.

Welchen Einfluss hat Feuchtigkeit/Wasser auf die Haftfestigkeit von Klebstoffen?

Optische DMS werden im Allgemeinen mit kalt härtenden Klebstoffen installiert, die bei höherer Luftfeuchtigkeit nicht langzeitstabil sind. Dies gilt insbesondere für Cyanacrylatkleber (Z70).

Stabil gegenüber Feuchteeinfluss sind hingegen Epoxydharzsysteme (X280). Beachten Sie bitte, dass die auf optische DMS wirkende Feuchtigkeit dazu führt, dass die verwendeten Materialien in sehr geringem Maße aufquellen.

Hierdurch entstehen im Inneren des optischen DMS Kräfte, die auf das Bragg-Gitter wirken. Dies hat einen ungünstigen Einfluss auf die Nullpunktsstabilität der Messstelle. Wir empfehlen in jedem Fall die Verwendung eines Abdeckmittels, wie sie auch für elektrische Dehnungsmessstreifen zur Anwendung kommen. Alle Abdeckmittel aus dem HBM-Produktprogramm (mit Ausnahme des SL450) sind für optische DMS verwendbar.

Worin besteht der Unterschied zwischen statischen und dynamischen Interrogatoren?

Statische und dynamische Interrogatoren unterscheiden sich durch ihre Messrate. Statische Interrogatoren arbeiten mit einer Messrate von 1 bis 10Hz. Dynamische Interrogatoren arbeiten mit einer Messrate von 100 bis 1000Hz.

  • HBM Modellnummern statische Interrogatoren: SIxxx
  • HBM-Modellnummern dynamische Interrogatoren: DIxxx

 

 

Was ist ein Multiplexer?

Optische Multiplexer können an 4-kanalige Interrogatoren angeschlossen werden. Sie vervielfältigen die Anzahl der optischen Messketten auf acht bzw. 16. Auf diese Weise können Messsysteme mit bis zu 320 optischen Sensoren aufgebaut werden.

Wie werden Dehnungen erfasst?

Die vom Interrogator gemessenen Werte sind die Wellenlängen der von den Sensoren reflektierten Signale. Wenn sich durch eine Dehnung am optischen Dehnungsmessstreifen die Wellenlänge ändert, ist diese Änderung proportional zur Dehnung. Um die entsprechenden Dehnungswerte zu erhalten, müssen die Wellenlängen in Dehnungen umgerechnet werden.

Als Proportionalitätsfaktor dient der k-Faktor, der auf der Verpackung der Sensoren angegeben ist. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz einer für optische Messtechnik geeigneten Datenerfassungs- und Auswertesoftware.

Notwendige Einstellungen, wie die Parameter zur Spektrumsanzeige und Dehnungsermittlung sowie die Nullabgleichswerte, können in der Software dauerhaft abgespeichert werden. Temperaturänderungen haben einen großen Einfluss auf die Messergebnisse. Die Messdaten-Erfassungssoftware bietet Möglichkeiten, Temperatureinflüsse zu kompensieren. Dies kann auch zusätzlich mit Hilfe eines Kompensations-Sensors oder über Korrektur mit einem Temperaturkanal erfolgen.