Verteilte Dehnungs- u. Temperaturmessung Optische Faser ersetzt 2000 Sensoren

Über die gesamte Länge eines Flugzeugflügels liefert die Fasersensorik verteilte Spannungs- bzw. Verformungsdaten – mit bis zu 100 kHz.

Faseroptische Sensorik erlaubt die lückenlose Messung von Dehnung oder Temperatur an mehr als 2000 Punkten entlang einer optischen Faser.

Mit geringem Aufwand lassen sich damit auch komplexe Strukturen vermessen, bei denen punktuell angebrachte DMS- oder Thermosensoren keine verlässlichen Aussagen liefern können.

Wenn es um die Erfassung und das Monitoring von Dehnungs- oder Temperaturwerten an Strukturen z.B. aus Verbundwerkstoffen geht, gelten Punktsensorlösungen wie Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Thermoelemente seit Jahrzehnten als erste Wahl. Bei der Entwicklung, Erprobung oder Analyse von Werkstoffen oder Strukturen können an nur wenigen Punkten platzierte Sensoren allerdings dazu führen, dass ein eigentlich kritischer struktureller Defekt außerhalb des überwachten Bereichs liegt und somit nicht erfasst wird. Ein Risiko, das zum Beispiel bei lokalen Inhomogenitäten in modernen Verbundwerkstoffen oder Hot Spots in Traktionsbatterien fatale Folgen haben kann. Weil also verteilte Messungen mit engen Sensorabständen zunehmend gefordert sind, erhöhen die Entwickler die Dichte der Messpunkte – und stoßen damit schnell an Grenzen, was den Montage- und Anschlussaufwand der vielen Sensoren sowie Komplexität, Umfang und Gewicht des resultierenden Kabelbaums angeht.

AMS Technologies bietet hier mit der faseroptischen Sensorik von Sensuron für die verteilte Dehnungs- und Temperaturmessung eine aufwandsarme Lösung: Eine spezielle optische Faser wird auf die zu untersuchende Struktur aufgebracht oder sogar direkt mit einlaminiert, stellt über ihre gesamte Länge bis zu 2048 intrinsische Einzelsensoren bereit und kann dadurch Größen wie Dehnung und Temperatur, aber auch Auslenkung oder dreidimensionale Verformung messen – und das mit einer Ortsauflösung bis hinunter zu beinahe einem Millimeter.

Wie funktioniert das?

In die Sensorfaser eingebettete Bragg-Gitterstrukturen reflektieren das Licht zur Laserquelle hin, wo Änderungen in der Lichtintensität demoduliert werden. Eine clevere Signalverarbeitung in der Instrumentierungseinheit ermöglicht es dann, Dehnungs- oder Temperaturwerte an jeder Stelle entlang der Faser zu berechnen. Mit einer einzigen optischen Faser sind so 2048 Messstellen gleichzeitig zugänglich, die Messwerte mit einer Datenrate von bis zu 100 Hz liefern können. Übliche Sensorfasern mit Längen von 13 m ermöglichen so Ortsauflösungen von bis zu 6,3 mm. Bei verringerter Faserlänge (z.B. 3,25 m) stehen Sensoren sogar alle 1,6 mm zur Verfügung und bieten so Messungen mit einer sehr feinen Granularität.

Die Abfrage- und Auswerteeinheiten verfügen über vier (Modell Summit) bzw. acht Faserkanäle (Modell RTS125+) und ermöglichen damit kombinierte Sensorlängen von bis 104 m mit bis zu 16.384 Einzel-Sensorpunkten.

Als maximale Messbereiche gibt Sensuron ±17.000 µε (Dehnung) und –270 °C bis +1200 °C (Temperatur, faserabhängig) an. Dabei liegt die Wiederholgenauigkeit für die Dehnungsmessung bei bis zu ±2,0 µε und für die Temperaturmessung bei bis zu ±0,20 °C.

Für viele Applikationen geeignet

Typische Anwendungsgebiete für die verteilte Dehnungs- und Temperaturmessung mittels optischer Fasern:

  • Medizin: Erfassen des dreidimensionalen Verlaufs und der Orientierung medizinischer Instrumente in invasiven bzw. minimalinvasiven chirurgischen Anwendungen.
  • Automotive: Dehnungsüberwachung an Fahrzeugkarosserien mit dem Ziel, die Sicherheit zu erhöhen, Entwürfe zu validieren oder Handling-Feedback zu liefern. Vollständige Überwachung von Traktionsbatterien, um gefährliche Hot Spots zu erkennen.
  • Luft- und Raumfahrt: von der Struktur-Zustandsüberwachung bis zur Verbesserung des Flugbetriebs; Überwachung von Veränderungen der Flügellastverteilung, Form, Füllstand und mehr in Echtzeit
  • Energie: von der Struktur-Zustandsüberwachung an Turbinenschaufeln oder Kraftwerksteilen bis zur Integrität von Bohrinseln und Unterwasser-Steigleitungen
  • Infrastruktur: Überwachung des Gesamtzustands von Bauwerken, die ständigen Belastungen ausgesetzt sind, wie Brücken, Dämme und Gebäude.