Tipps für das Konfigurieren eines Arrays aus optischen Dehnungssensoren für eine erfolgreiche Installation

Einer der Vorteile der Faser-Bragg-Gitter (FBG) -Technologie ist ihre intrinsische Multiplexfähigkeit. Die Sensoren können sowohl spezifische als auch unterschiedliche Bragg-Wellenlängen haben und können in Reihe geschaltet werden, ohne das korrekte Ablesen der Messungen zu beeinträchtigen (solange sich die Sensorsignale nicht überlappen). 

Sensoren können einzeln, mit oder ohne Stecker, erfasst werden; oder als vormontierte Anordnungen von Sensoren, die durch Spleiße verbunden sind - eine permanente Verbindung zwischen zwei Fasern. Nach der Installation können Sensoren und / oder Arrays mit einem der optischen Kanäle des Interrators verbunden werden, wobei jedoch die Auswahl der Wellenlängen und die Leistungsverluste, die Kabellängen und Verbindungen den Signalen auferlegen, berücksichtigt werden müssen.

HBM bietet verschiedene Arten FBG-basierter Sensoren an, die alle auf demselben Kanal des Interrogators kombiniert werden können, vorausgesetzt, dass die Verluste durch Dämpfung begrenzt sind und die Wellenlängensignale sich nicht überlagern. Die unten stehenden Tipps gelten für Dehnungsmessungen, können jedoch einfach auf andere Sensorarten übertragen werden:

Um den am besten geeigneten Sensortyp auswählen zu können, sollten folgende Anforderungen berücksichtigt werden:

a) Messbereich

Unterschiedliche Sensorgehäuse können die Messbereiche begrenzen. Bei der Auswahl des richtigen Sensortyps kann der geforderte Messbereich ein Faktor sein, der zum Ausschluss einiger Sensoren führt.

b) Installationsart

HBM bietet Lösungen für das Kleben, Anschweißen, Einbetten oder  Anschrauben der Sensoren an das Prüfobjekt. Die Installationsart kann Geschwindigkeit und Kosten der Installation beeinträchtigen oder andere Optionen ausschließen. Anschweißbare Dehnungsmessstreifen können für die Installation von Sensoren an Metallkonstruktionen in Betracht gezogen werden. Das Schweißen ist ein schneller und wirtschaftlicher Weg, Sensoren an Konstruktionen zu befestigen, die direkt nach der Installation einsatzbereit sind, ohne dass auf das Aushärten eines Klebstoffs gewartet werden muss. Für Verbundwerkstoffe gibt es zwei Optionen: Kleben oder Einbetten. Schraubverbindungen werden normalerweise für Faserverbundwerkstoffe nicht empfohlen, da das Bohren die Fasern beschädigt; sie können jedoch eine gute Lösung für Konstruktionen aus Beton oder Metall sein.

c) Robustheit

Es gibt viele verschiedene Sensoren unterschiedlicher Robustheit. Einige Sensoren werden mit Laborkabeln konzipiert, andere mit Kabeln für den Innen- oder Außenbereich oder sogar mit dielektrischen Kabeln, was die Verwendung des Sensors einschränkt, ohne für weiteren Schutz in speziellen Umgebungen sorgen zu müssen.

d) Biegeradius und Länge des Kabels

Dehnungssensoren von HBM FiberSensing sind in zwei Produktlinien aufgeteilt, die sich hinsichtlich der Eigenschaften der verwendeten Glasfaser unterscheiden. Die Produktlinie OP verwendet eine Faser mit hoher Biegefähigkeit für Produkte und Faserverbindungen zum Einsatz auf sehr engem Raum und mit kleinem Biegeradius, sowohl im Kabelverlauf mit vernachlässigbaren Verlusten durch Dämpfung als auch im Sensorbereich zum Messen selbst auf gebogenen Oberflächen. Die Produktlinie FS weist eine geringere Flexibilität bei Sensoren und Kabeln auf, ermöglicht jedoch den Einsatz über mehrere Kilometer Faserlänge hinweg ohne größere Verluste durch Dämpfung.

e) Gebrauchstemperatur

Dehnungsmessungen können in sehr unterschiedlichen Umgebungen erfolgen. Für hohe oder tiefe Temperaturen sind nur einige der optischen Dehnungsmessstreifen geeignet.

f) Temperaturkompensation erforderlich

FBG-basierte Dehnungssensoren sind empfindlich gegenüber Temperaturänderungen, eine Korrektur ist daher angeraten.

HBM FiberSensing bietet eine einzigartige Lösung: den athermischen Dehnungssensor, der den inhärenten Einfluss von Temperaturänderungen auf die FBG-Wellenlänge eliminiert (jedoch nicht die Wärmeausdehnung des Werkstoffs des Prüfobjekts). Mit einem solchen Dehnungssensor ist kein weiterer Sensor für die Temperaturkompensation erforderlich. Für alle anderen Dehnungssensoren wird jedoch ein weiteres Sensorelement gebraucht. Beispiele:

• Temperatursensor bei derselben Temperatur wie der Dehnungssensor: Durch eine Temperaturmessung an derselben Stelle, an der der Dehnungssensor eingesetzt wird, den Temperaturkoeffizienten des Sensors (wie im Datenblatt und Kalibrierschein angegeben) und die Wärmeausdehnung des Basiswerkstoffs kann die Dehnungsmessung korrigiert werden.
• Optisches Kompensationselement: Für einige Dehnungssensoren kann ein speziell für die Temperaturkompensation entwickelter FBG-Sensor verwendet werden.
• Auf demselben Werkstoff installierter optischer DMS, der denselben Temperaturänderungen, jedoch keiner Dehnung unterliegt: Die mit diesem Sensor gemessene Dehnung ist die temperaturbedingte Dehnung.
• Optischer DMS, der auf der gegenüberliegenden Seite des Prüfobjekts installiert ist, wo die Dehnung den gleichen Wert, jedoch ein anderes Vorzeichen hat: Mit Sensoren, die in dieser Push-Pull-Konfiguration arbeiten, kann der Temperatureinfluss durch die Kombination beider Dehnungsmessungen eliminiert werden.

Die Anzahl der in einem Array benötigten Sensoren sollte die oben genannten Optionen in Betracht ziehen.

Die Bragg-Wellenlängen-Entfernung zwischen zwei Sensoren definiert den maximalen Messbereich beider Sensoren, denn, wenn die Signale sich überlappen, wird die Messung beeinträchtigt. Der verwendete Wellenlängenbereich jedes Sensors ist abhängig von seinem Messbereich, innerhalb seines Temperaturgebrauchsbereichs, zusammen mit der Sensorempfindlichkeit und der durch den Temperaturkoeffizienten des Sensors und die Wärmeausdehnung des Werkstoffs verursachten wärmebedingten Wellenlängenverschiebung.

Ausgehend von der Zentralwellenlänge des Sensors (λ0), reicht der vorzusehende Wellenlängenbereich von der kleinsten möglichen Wellenlänge des Sensors bis zur größten:

Zur Vereinfachung der Auswahl sind vorselektierte Wellenlängen erhältlich, die zum üblichen Sensormessbereich passen.

1. Sensoren der Produktlinie FS gibt es mit Wellenlängen mit Abständen von ca. 6,4 nm
2. Sensoren der Produktlinie OP gibt es mit Wellenlängen mit Abständen von ca. 5 nm

Die Zahl der Verbindungen, die pro optischem Kanal einer FBG-Sensorkette verwendet werden können, ist nicht nur abhängig von der Art der eingesetzten Verbindungen, sondern auch vom Interrogator, der Faserart und -länge und der Signaldämpfung, die durch den Installationsvorgang verursacht werden kann (Kabelverlauf, kleine Kurvenradien, etc.).

a) Steckverbinder vs. Spleiße

Optische Dehnungssensoren in Ketten können durch zwei Arten von Verbindungen miteinander verknüpft werden: Steckverbinder und Spleiße.

Steckverbinder sind vor Ort einfacher handhabbar, da sie buchstäblich „Plug and Play“ bieten. Sie führen jedoch zu mehr Verlusten durch Dämpfung des optischen Signals und neigen zu mehr Abnutzung über die Zeit.

Spleiße hingegen sind dauerhafte Verbindungen durch Verschmelzen zweier Fasern, die über die Zeit stabil sind und geringe Verluste durch Dämpfung aufweisen. Das Spleißen erfordert jedoch spezielle Werkzeuge, geschultes Personal und eine längere Installationszeit.

Zur Verkürzung der Installationszeit und gleichzeitigen Erhöhung der Anzahl zu einer Sensorkette verschaltbarer Sensoren bietet HBM FiberSensing vormontierte Sensor-Arrays. Die Sensoren sind dabei durch entsprechend der Anwendung geschützte Spleiße verbunden.

b) Faserart und -länge

Die in den beiden Produktlinien von HBM FiberSensing verwendeten Fasern unterscheiden sich: die in Sensoren der Produktlinie FS eingesetzte Faser hat einen 9-µm-Kern, die in Sensoren der Produktlinie OP einen 6-µm-Kern.

Sensoren und Kabel der Produktlinie FS können ohne Beeinträchtigung der Sensorsignale über Kilometer verlaufen, da die Faser mit dem 9-µm-Kern nur sehr geringe Verluste durch Dämpfung aufweist. Faser und Kabel der Produktlinie OP weisen höhere Verluste durch Dämpfung auf und  sollten daher nicht für Messungen über größere Entfernungen eingesetzt werden.

Werden die beiden Faserarten miteinander verbunden, selbst wenn dies durch Spleißen erfolgt, kommt es ebenfalls zu hohen Verlusten an der Verbindungsstelle, die die Anzahl der Wechsel zwischen unterschiedlichen Faserarten, die innerhalb einer Kette realisiert werden kann begrenzen.

c) Reflektivität des Sensors

Das Prinzip des Messens mit FBG-Sensoren basiert auf einem reflektierten Spektrum einfallenden Lichts. Das reflektierte Signal ist ein prozentualer Anteil des einfallenden Lichts. Sensoren der Produktlinie FS haben einen Reflexionsgrad von circa 65 %, bei Sensoren der Produktlinie OP ist das Reflexionsvermögen <15 %. Bei der Berechnung der Verluste durch Dämpfung sollte die Reflektivität des Sensors ebenfalls berücksichtigt werden.

d) Dynamikbereich der Interrogatoren

Die zulässigen Verluste durch Dämpfung einer optischen Sensorkette werden durch den verfügbaren Dynamikbereich des Interrogators bestimmt. Als Dynamikbereich kann man die Messung des Signal-Rausch-Verhältnisses des optischen Spektrums zum Erkennen von Spitzen bezeichnen. Signale mit hohen oder sehr nahe am Dynamikbereich liegenden Verlustwerten werden vom Interrogator nicht richtig erfasst.