Dehnungssensorkonstruktion mit Faser-Bragg-Gittern

  • 22. February 2012

Neuer Sensor ermöglicht hochempfindliche und hochfrequente, nichtelektrische Dehnungsmessung kombiniert mit schneller Montage.

Am Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung (ifw) in Jena wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes eine Dehnungssensorkonstruktion entwickelt, bei der Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (FBGS) ohne Herabsetzung ihrer Empfindlichkeit so fixiert werden können, dass eine mehrfache Verwendung der Sensoren möglich ist.

Abb.: Der Prototyp des Dehnungssensors. (Bild: ifw Jena)

Abb.: Der Prototyp des Dehnungssensors. (Bild: ifw Jena)

FBGS sind Sensoren, bei denen mit Hilfe eines UV-Lasers ein Interferenzfilter in einen Glasfaserabschnitt eingeschrieben wurde. Werden diese Faserabschnitte minimal gedehnt oder gestaucht, so verändert sich die reflektierte Wellenlänge innerhalb der Faser, da die Gitterabstände sich entsprechend vergrößern oder verkleinern. Der Effekt kann auch durch eine Änderung der Temperatur hervorgerufen werden. Die kleinen Dehnungsunterschiede können mit opto-elektrischen Messgeräten, den Interrogatoren, erfasst und ausgewertet werden. Der Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass die zu messenden Größen wie Dehnung und Temperatur nicht-elektrisch erfasst und weiter geleitet werden. Das macht den Einsatz in elektromagnetischen Feldern, an Starkstromleitungen und in explosionsgeschützten Bereichen möglich.

Bislang werden Faser-Bragg-Gitter-Sensoren üblicherweise am Messobjekt aufgeklebt, was eine Wiederverwendung unmöglich macht, da der Sensor bei der Demontage unweigerlich zerstört wird. Ein Sensor gilt somit nach seiner Messaufgabe als „verlorener Sensor“. Es gibt zwar auch Sensorträgerkonstruktionen, bei denen der gesamte Sensorträger, der die nötige Vorspannung gewährleistet, zerstörungsfrei wieder entfernt werden kann. Diese haben jedoch den Nachteil, dass der Sensorträger Einfluss auf die Empfindlichkeit hat und Schwingungen mit hohen Frequenzen dämpft. Die einfache Wiederverwendbarkeit und Handhabung von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren sind aber wichtige Voraussetzungen für eine weitere Verbreitung und eine Senkung der Kosten dieser noch eher teuren Technologie.

Nun ist es gelungen, die Überlegenheit des Faser-Bragg-Gitter-Sensors hinsichtlich seiner hohen Empfindlichkeit mit den Vorteilen einer montagefreundlichen Sensorbaugruppe zu vereinen. Dazu wurde eine Baugruppe konstruiert, die aus zwei Teilen besteht, welche jeweils ein Festlager bilden. Beide Teile sind lediglich durch den empfindlichen Bereich des Faser-Bragg-Gitters miteinander verbunden, was eine Dämpfung durch die Baugruppe vermeidet. Um nach einer Demontage die nötige Vorspannung zu erhalten, wird eine Transportsicherung angebracht, die zusätzlich vor einer versehentlichen Überlastung der Faser schützt.

Zum Funktionsnachweis testeten die Ingenieure einen Prototyp unter anderem an einer Punktschweißzange zur Kraftmessung. Hierbei ist die detaillierte Auflösung des Punktschweißprozesses wichtig. Die Vorhaltekraft und auch minimale Kraftschwankungen während der Stromzeit lassen sich erfassen. Sowohl Schweißspritzer als auch eine unterschiedliche Ausbildung der Schweißlinsendurchmesser sind am Signal eindeutig zu erkennen, so dass die Anwendung des Sensors im Rahmen eines Qualitätssicherungssystems denkbar ist.

Eine hundertprozentige und zerstörungsfreie Qualitätserfassung von Punktschweißungen ist der Wunsch vieler metallverarbeitender Unternehmen. Die am neu entwickelte Sensorbaugruppe kann zukünftig unter anderem dazu beitragen, Fahrzeugkarosserien effizienter und sicherer zu fertigen.

FH Jena / PH

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