MODELL- UND FORMENBAU BLASIUS GERG GMBH (Im Grund 3, Hohenthann, 83104, DE)
RESCH, Manfred (Fürstenrieder Str. 279a, München, 81377, DE)
| Ansprüche Optische Messeinnchtung, welche zumindest einen Lichtwellenleiter (2) aufweist, welcher zumindest einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor (3, 3', 3", 3"') umfasst, wobei der zumindest eine Lichtwellenleiter (2) zumindest teilweise, insbesondere im Bereich des zumindest einen Faser-Bragg-Gitter-Sensors (3, 3', 3", 3"'), von einem Mantelelement (4) umgeben ist, wobei das Mantelelement (4) ein kapillarartig ausgebildetes Element (5) ist, und wobei eine elastische Masse (8) in dem kapillarartig ausgebildeten Element (5) vorgesehen ist, welche einen Zwischenraum zwischen dem äußeren Umfang des zumindest einen Lichtwellenleiters (6) und dem inneren Umfang (7) des kapillarartig ausgebildeten Elements (5) zumindest teilweise ausfüllt. Optische Messeinrichtung gemäß Anspruch 1 , wobei das Mantelelement (4) aus Glas hergestellt ist. Optische Messeinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Mantelelement (4) mit einer Polyimidbeschichtung versehen ist. Optische Messeinrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die elastische Masse Silikon, insbesondere temperaturfestes Silikon, ist. Optische Messeinrichtung gemäß Anspruch 1 , wobei das Mantelelement (4) aus einem Kunststoff, insbesondere aus PEEK, aus einer Keramik, oder aus Stahl, insbesondere aus Edelstahl, hergestellt ist. Optische Messeinnchtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der zumindest eine Lichtwellenleiter (2) eine Vielzahl von Faser-Bragg-Gitter- Sensoren (3, 3', 3", 3"') umfasst, wobei jeder der Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (3, 3', 3", 3"') von einem jeweiligen kapillarartig ausgebildeten Element (5) umgeben ist, oder wobei die Vielzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (3, 3', 3", 3"') von einem einzigen kapillarartig ausgebildeten Element (5) umgeben ist. Optische Messeinrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der zumindest eine Lichtwellenleiter (2) im Wesentlichen über seine gesamte Länge von dem kapillarartig ausgebildeten Element (5) aus Glas umgeben ist. Optische Messeinrichtung gemäß Anspruch 1 bis 7, wobei die elastische Masse (8) den Zwischenraum zwischen dem äußeren Umfang (6) des Lichtwellenleiters (2) und dem inneren Umfang (7) des kapillarartig ausgebildeten Elements (5) aus Glas im Wesentlichen vollständig ausfüllt. Optische Messeinrichtung gemäß Anspruch 1 bis 8, wobei die elastische Masse (8) eine Eintrittsöffnung (9) des kapillarartig ausgebildeten Elements (5), in welche der zumindest eine Lichtwellenleiter (2) eingeführt ist, und eine Austrittsöffnung (10) des kapillarartig ausgebildeten Elements (5), aus welcher der zumindest eine Lichtwellenleiter (2) aus dem kapillarartig ausgebildeten Element (5) austritt, verschließt, insbesondere abdichtet. 0. Optische Messeinrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der zumindest eine Lichtwellenleiter (2) in einem Kohlenstofffaser verstärkten Kunststofflaminat (1 , 1 ') oder in einem Glasfaser verstärkten Kunststofflaminat eingebettet ist. 1 1 . Optische Messeinnchtung gemäß Anspruch 10, wobei das Kohlenstofffaser verstärkte Kunststofflaminat (1 , 1 ') oder das Glasfaser verstärkte Kunststofflaminat mit dem darin eingebetteten zumindest einen Lichtwellenleiter (2) ein Modul (13) bildet, wobei das Modul (13) mittels eines Herstellungsverfahrens in einem Autoklav ausgebacken ist. 12. Optische Messeinrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei der zumindest eine Lichtwellenleiter (2) eine DTG-Faser, insbesondere mit einer Ormocer-Beschichtung, ist. 13. Lichtwellenleiter (2) mit zumindest einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor (3, 3', 3", 3"') für eine optische Messeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei der Lichtwellenleiter (2) an seinem äußeren Umfang (6) über zumindest einen Abschnitt, insbesondere im Bereich des zumindest einen Faser-Bragg- Gitter-Sensors (3, 3', 3", 3"'), von einem Mantelelement (4) umgeben ist, wobei das Mantelelement (4) ein kapillarartig ausgebildetes Element (5) ist, und wobei eine elastische Masse (8) in dem kapillarartig ausgebildeten Element (5) vorgesehen ist, welche einen Zwischenraum zwischen dem äußeren Umfang des zumindest einen Lichtwellenleiters (6) und dem inneren Umfang (7) des kapillarartig ausgebildeten Elements (5) zumindest teilweise ausfüllt. 14. Lichtwellenleiter nach Anspruch 13, wobei die elastische Masse (8) Silikon, insbesondere temperaturfestes Silikon, ist. 15. Lichtwellenleiter (2) nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Lichtwellenleiter (2) eine DTG-Faser, insbesondere mit einer Ormocer-Beschichtung, ist. |
Die Erfindung betrifft eine optische Messeinrichtung gemäß der Gattung des Anspruchs 1 sowie einen Wellenleiter gemäß der Gattung des Anspruchs 13.
Optische Messeinrichtungen, die Lichtwellenleiter mit Faser-Bragg-Gitter-Sensoren einsetzen, sind besonders wegen ihrer hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit über lange Zeiträume im Stand der Technik zur Messung von Temperatur und Dehnung geschätzt.
Faser-Bragg-Gitter sind als optisch wirksame Strukturen im Kern von Glasfasern zu verstehen, die durch eine im Wesentlichen periodische Modulation des Brechnungsindex entlang der Faser charakterisiert sind. Insbesondere sind Faser- Bragg-Gitter in den Kern von den Lichtwellenleitern beispielsweise mittels Laser eingebrachte Frequenzfilter. Sensoren mit Faser-Bragg-Gittern können jeweils unterschiedliche spezifische Schwerpunktswellenlängen - die so genannten Bragg- Wellenlängen - aufweisen, welche sich mit Temperatur und Dehnung ändern.
Das Faser-Bragg-Gitter ändert seine optischen Eigenschaften unter mechanischen und/oder Temperatureinflüssen wie folgt. Wirken äußere Kräfte/und oder Temperaturänderungen auf das Faser-Bragg-Gitter, so ändert sich die Reflexionswellenlänge des Gitters. Die Änderung der Reflexionswellenlänge stellt also ein Maß für Dehnungen und Temperaturen dar. Eine Temperaturänderung Δ T hat dementsprechend sowohl eine Brechzahländerung als auch eine Längenänderung eines Faser-Bragg-Gitters zur Folge, was einerseits eine Änderung der Wellenlänge des im Lichtwellenleiter geführten Lichts bewirkt und andererseits eine Änderung des Gitterabstandes mit sich bringt. Beide Effekte führen also zu einer Wellenlängenänderung des reflektierten Peaks.
In DE 10 2006 025 700 A1 ist eine optische Messeinrichtung zur Temperaturbestimmung in einer kryogenen Umgebung beschrieben, welche einen Lichtwellenleiter aufweist, der mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor versehen ist und über welchen der mindestens eine Faser-Bragg-Gitter-Sensor abfragbar ist. Weiterhin umfasst die Messeinrichtung Einspeisemittel zur Einspeisung eines Lichtsignals in den mindestens einen Lichtwellenleiter und Auswertemittel zur Bestimmung eines Temperaturmesswertes aus einem von dem mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor kommenden Lichtsignal. Die Faser-Bragg-Gitter- Sensoren werden dabei von einem Lichtsignal abgefragt, das von einer breitbandigen Lichtquelle erzeugt wird. Über einen Koppler und einen oder mehrere Lichtwellenleiter wird das Lichtsignal in die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren eingespeist. In jedem Faser-Bragg-Gitter-Sensor wird von dem eingespeisten Lichtsignal ein Anteil mit der jeweiligen Schwerpunktswellenlänge als Teil-Reflex-Signal zurückreflektiert. Der übrige Teil des Lichtsignals passiert dagegen den betreffenden Faser-Bragg-Gitter-Sensor und trifft gegebenenfalls auf den nächsten Faser-Bragg- Gitter-Sensor. Am Koppler steht dann ein von den Faser-Bragg-Gitter-Sensoren zurückreflektiertes Lichtsignal an, das sich aus den Teil-Reflex-Lichtsignalen der einzelnen Faser-Bragg-Gitter-Sensoren zusammensetzt. Erfährt der Faser-Bragg- Gitter-Sensor eine Temperaturänderung, ändert sich dessen Schwerpunktswellenlänge entsprechend dem Betrag der Temperaturänderung und damit der Wellenlängengehalt (= das Wellenlängenspektrum) des vom betreffenden Sensor reflektierten Teil-Reflex-Lichtsignals. Diese Veränderung im Wellenlängengehalt dient dann als Maß für die zu erfassende Temperaturänderung, wobei die Auswerteeinheit das empfangene Lichtsignal auswertet.
In einigen Anwendungen der Lichtwellenleiter mit Faser-Bragg-Gitter-Sensoren ist es erforderlich, diese in Laminatplatten beispielsweise aus Kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) oder Glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) einzubetten. Dies ist im Hinblick auf die sehr empfindlichen Lichtwellenleiter jedoch problematisch. Auf den im CFK- oder GFK-Laminat eingebetteten Lichtwellenleiter bzw. auf den/die darin vorgesehenen einen oder mehrere Faser-Bragg-Gitter-Sensor/Sensoren wirken unerwünschte Kräfte ein, die den Lichtwellenleiter schädigen oder das Messergebnis negativ beeinflussen bzw. verfälschen können. Insbesondere verursacht der durch den Epoxidharz nach dem Einbetten auf den/die Faser-Bragg-Gitter- Sensor/Sensoren verursachte Druck eine unerwünschte Doppelbrechung, was den/die Sensor/Sensoren für Messzwecke unbrauchbar macht.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Messeinrichtung zu schaffen, bei welcher ein einfacher und effektiver Schutz für einen Lichtwellenleiter bzw. den darin enthaltenen zumindest einen Faser-Bragg-Gitter- Sensor beim Einbetten in ein Laminat erzielt wird.
Diese Aufgabe wird durch eine optische Messeinrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch einen Lichtwellenleiter mit den Merkmalen gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen definiert.
Erfindungsgemäß wird eine optische Messeinrichtung, welche zumindest einen Lichtwellenleiter aufweist, bereitgestellt, welche zumindest einen Faser-Bragg-Gitter- Sensor umfasst, wobei der zumindest eine Lichtwellenleiter zumindest teilweise, insbesondere im Bereich des zumindest einen Faser-Bragg-Gitter-Sensors, von einem Mantelelement umgeben ist, wobei das Mantelelement ein kapillarartig ausgebildetes Element ist, und wobei eine elastische Masse in dem kapillarartig ausgebildeten Element vorgesehen ist, welche einen Zwischenraum zwischen dem äußeren Umfang des zumindest einen Lichtwellenleiters einem inneren Umfang des kapillarartig ausgebildeten Elements zumindest teilweise ausfüllt Die Kapillare bildet für den Faser-Bragg-Gitter-Sensor einen effektiven Schutz und verhindert effektiv eine von außen einwirkende negative Krafteinwirkung auf den zumindest einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor. Darüber hinaus ist vorteilhaft, dass, wenn das kapillarartig ausgebildete Element mit der elastischen Masse darin über die entsprechende Sensorstelle geschoben wird, einerseits ein Eindringen von anderen Materialien, wie beispielsweise Harz bzw. Kleber, in die Glaskapillare verhindert wird bzw. der Faser-Bragg-Gitter-Sensor vor dem Krafteinfluss des Klebers oder des Harzes abgeschirmt wird. Nach einem Aushärteprozess ist das elastische Material, wie beispielsweise Silikon, jedoch immer noch flexibel, um Zug- und Druckkräfte an den Faser-Bragg-Gitter-Sensor zuzulassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mantelelement aus Glas hergestellt. Dies hat den Vorteil, dass es sich hierbei einerseits um ein besonders hartes Material und andererseits um das gleiche Material wie das Material des zumindest einen Lichtwellenleiters handelt. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Mantelelement aus Glas darüber hinaus mit einer Polyimidbeschichtung versehen ist.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann das Mantelelement auch aus einem anderen Material wie beispielsweise aus einem Kunststoff wie PEEK, aus Keramik, Stahl oder Edelstahl hergestellt sein. Wichtig ist jedoch, dass das Material des Mantelelements eine ausreichende Härte aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der zumindest eine Lichtwellenleiter eine Vielzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren, wobei jeder der Faser-Bragg-Gitter-Sensoren von einem jeweiligen kapillarartig ausgebildeten Element umgeben ist, oder wobei die Vielzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren von einem einzigen kapillarartig ausgebildeten Element umgeben ist. So ist vorteilhafter Weise jeder der Faser-Bragg-Gitter-Sensoren vor von außen einwirkenden Kräften geschützt, und ein zuverlässiges Messergebnis sowie eine lange Lebensdauer der optischen Messeinrichtung kann auf kostengünstige Weise sichergestellt werden.
Vorzugsweise ist die elastische Masse Silikon, insbesondere temperaturfestes Silikon. Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine Lichtwellenleiter im Wesentlichen über seine gesamte Länge von dem kapillarartig ausgebildeten Element umgeben, wodurch ein kontinuierlicher Schutz geboten wird. Auch ist diese Ausführungsform besonders einfach herstellbar, da anstelle von mehreren kapillarartig ausgebildeten Elementen, die an vorbestimmten Positionen an dem zumindest einen Lichtwellenleiter anzuordnen sind, lediglich ein einziges kapillarartig ausgebildetes Element auf den zumindest einen Lichtwellenleiter aufgezogen wird.
Vorzugsweise füllt die elastische Masse den Zwischenraum zwischen dem äußeren Umfang des Lichtwellenleiters einem inneren Umfang des kapillarartig ausgebildeten Elements aus Glas im Wesentlichen vollständig aus.
Es ist darüber hinaus bevorzugt, wenn die elastische Masse eine Eintrittsöffnung des kapillarartig ausgebildeten Elements, in welche der Lichtwellenleiter eingeführt wird, und eine Austrittsöffnung des kapillarartig ausgebildeten Elements, aus welcher der Lichtwellenleiter aus dem kapillarartig ausgebildeten Element austritt, verschließt, insbesondere abdichtet. Hierdurch wird effektiv ein Eindringen von anderen Materialien in die Glaskapillare verhindert, die den Lichtwellenleiter bzw. die Faser- Bragg-Gitter-Sensoren beschädigen oder negativ beeinflussen könnten.
Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine Lichtwellenleiter in einem Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststofflaminat oder in einem Glasfaser-verstärkten Kunststofflaminat eingebettet.
Vorzugsweise bildet das Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststofflaminat oder das Glasfaser-verstärkte Kunststofflaminat mit dem darin eingebetteten Lichtwellenleiter ein Modul, wobei das Modul in einem Autoklaven ausgebacken wird. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Lichtwellenleiter eine DTG-(Draw Tower Grating)-Faser, insbesondere mit einer ORMOCER-Beschichtung, ist.
Erfindungsgemäß ist darüber hinaus ein Lichtwellenleiter mit zumindest einem Faser- Bragg-Gitter-Sensor vorgesehen, wobei der Lichtwellenleiter an seinem äußeren Umfang über zumindest einen Abschnitt, insbesondere in dem Bereich des zumindest einen Faser-Bragg-Gitter-Sensors, von einem kapillarartig ausgebildeten Element umgeben ist, und wobei der Lichtwellenleiter in dem kapillarförmig ausgebildeten Element zumindest teilweise von einer elastischen Masse umgeben ist, was die oben bereits dargestellten Vorteilen mit sich bringt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die elastischen Masse Silikon, insbesondere temperaturfestes Silikon.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig.l A eine seitliche Schnittansicht durch einen in einem CFK-Laminat eingebetteten Lichtwellenleiter gemäß einer Ausführungsform; und
Fig. 1 B ein Querschnitt durch das in Fig. 1 A dargestellte CFK-Laminat.
Fig.l A ist eine seitliche Schnittansicht durch einen in einem CFK-Laminat 1 , 1 ' eingebetteten Lichtwellenleiter 2 vor dem Ausbacken. Alternativ kann der Lichtwellenleiter 2 ebenso beispielsweise in einem GFK-Laminat eingebettet sein. Der Lichtwellenleiter 2 ist aus einer Glasfaser mit einem hier nicht im Einzelnen dargestellten Faserkern und Fasermantel aufgebaut. In dem Lichtwellenleiter 2 ist eine Vielzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 3, deren Anordnung hier schematisch durch die Bezugszeichen 3, 3', 3", 3"' angedeutet ist, über einen Längenabschnitt des Lichtwellenleiters 2 hintereinander angeordnet vorgesehen, welche zur Temperatur- oder Dehnungsmessung auf die oben bereits beschriebene Art und Weise arbeiten. An dem Längenabschnitt des Lichtwellenleiters 2, in welchem die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 3, 3', 3", 3"' angeordnet sind, ist ein Mantelelement 4 vorgesehen, welches den Längenabschnitt des Lichtwellenleiters 2 mit den Faser- Bragg-Gitter-Sensoren 3, 3', 3", 3"' umgibt. Das Mantelelement 4 ist ein kapillarartig ausgebildetes Element 5 aus Glas, welches mit einer Polyimidbeschichtung versehen ist. Zwischen einem äußeren Umfang 6 des Lichtwellenleiters 2 und dem inneren Umfang 7 des kapillarartig ausgebildeten Elements 5 ist eine elastische Masse 8 vorgesehen, die in der Ausführungsform aus Silikon besteht. Das kapillarartig ausgebildete Element 5 aus Glas bildet zusammen mit der elastischen Masse 8 aus Silikon einen wirksamen Schutz für den Lichtwellenleiter 2 bzw. die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 3, 3', 3", 3"'. Insbesondere dichtet die elastische Masse 8 eine Eintrittsöffnung 9, durch welche der Lichtwellenleiter 2 in das kapillarartig ausgebildete Element 5 eingeführt wird, und eine Austrittsöffnung 10, durch welche der Lichtwellenleiter 2 aus dem kapillarartig ausgebildeten Element 5 austritt, ab, so dass hier keine anderen Materialien, wie beispielsweise Kleber bzw. Harz, der beim Laminieren ansonsten in die Eintrittsöffnung 9 und die Austrittsöffnung 10 eintreten würde, eindringen können.
Fig. 1 B ist ein Querschnitt durch das in Fig . 1 A dargestellte CFK-Laminat 1 , 1 ' nach dem Ausbacken, wobei die beiden Platten des CFK-Laminats 1 , 1 ' zu einer Einheit verschmolzen sind. In der Ausführungsform ist das CFK-Modul 13 mittels eines Herstellungsverfahrens im Autoklaven bei einem Unterdruck von 6 bar, einer Temperatur von 135 °C mit einer Ausbackzeit von 2 Stunden laminiert worden. Die Prozessbedingungen sind jedoch je nach verwendeten Materialien variabel. Der Lichtwellenleiter 2 ist, wie bereits beschrieben, von dem kapillarartig ausgebildeten Element 5 und von der elastischen Masse 8 umgeben, wodurch ein wirksamer Schutz für die in dem Lichtwellenleiter 2 vorgesehenen Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 3, 3', 3", 3"' geboten wird. Bezugszeichenliste
1 , r CFK-Laminat
2 Lichtwellenleiter
3, 3', 3", 3"' Faser-Bragg-Gitter-Sensoren
4 Mantelelement
5 kapillarartig ausgebildetes Element
6 äußerer Umfang des Lichtwellenleiters
7 innerer Umfang des kapillarartig ausgebildeten Elements
8 elastische Masse
9 Eintrittsöffnung
10 Austrittsöffnung
1 1 erste Platte
12 zweite Platte
13 CFK-Modul
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