Die häufigsten Fragen zu optischen Dehnungsmessstreifen kompakt beantwortet

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
ε_OF   Dehnung auf Bauteiloberfläche
ε_Anz   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.

Ein optischer Dehnungsmessstreifen besteht aus einem Faser-Bragg-Gitter und einer diese Faser umgebenden Konstruktion. Die optischen Dehnungsmessstreifen von HBM sind so konstruiert, dass sie wie normale DMS aufgeklebt werden können. Für den Anwender entfällt somit die schwierige Handhabung der optischen Faser. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auch negative Dehnungen problemlos gemessen werden können, ohne dass eine Vorspannung des Bragg-Gitters erforderlich wäre – eine Eigenschaft, die nur die von HBM patentierten Bragg-Gitter aufweisen. Alle optischen DMS von HBM sind für die Merkmale Dauerschwingverhalten, k-Faktor und maximale Dehnbarkeit nach dem Standard für elektrische Dehnungsmessstreifen VDI/VDE2635 getestet worden.

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Dämpfende Bauteile, wie Stecker und Kupplungen, die die Auswertegeräte miteinander verbinden, aber auch unterschiedliche optische Fasern können optische Verluste verursachen. Durch Anpassung von Gain (Verstärkung) und Noise Threshold (Rauschschwelle) im catman^®Easy Optik-Modul kann das Spektrum der Sensoren in den Toleranzbereich der auswertbaren Signalstärken justiert werden.

Mit Gain wird die Signalstärke vergrößert. Mit Noise Threshold wird der Rauschpegel eingestellt, um Rauschen zu unterdrücken. Dabei muss sichergestellt sein, dass die Intensität der Reflexionspeaks auf etwa gleicher Höhe wie der Rauschpegel liegt. Optische DMS von HBM, die zu Ketten montiert worden sind, weisen Pegelunterschiede von maximal 4dB auf – ein Wert, der keine Probleme bei der Messung verursacht. Weitere Hinweise zur richtigen Einstellung von Gain und Threshold erhalten Sie in den entsprechenden Bedienungsanleitungen.

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.

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.

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.

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

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.

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.