Alleinstellungsmerkmale faseroptischer Sensorik für die Bauteilprüfung

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1 Alleinstellungsmerkmale faseroptischer Sensorik für die Bauteilprüfung Zwick-Hausmesse 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik 15. Oktober 2015 Dr. Karl-Heinz Haase Business Development Manager Optical Solutions Hottinger Baldwin Messetchnik GmbH Darmstadt

2 Faseroptik Vorzüge der neue Technologie Kostengünstige Netzwerke, übersprechsicher und ökonomisch über lange Strecken ausführbar Einprägen von Gitterstrukturen (NanoTechnologie Sensortechnik) 2

3 Wirkprinzip eines Faser-Bragg Gitters (FBG) 3

4 Komplett faseroptische Lösungen Sensoren Dienstleistungen Software Projekte Kalibrierung Messelektroniken Verbesserung HBM Leistungsangebot: Mittels Akquise des Photonik Spezialisten Fibersensing, Portugal

5 HBM Portfolio FBG-Dehnungsmessung Ausgerichtet auf die Kernkompetenz Dehnungsmessung linearer FBG-basierter DMS applizierte Fasergitter OptiMet PKF FBG-basierte Rosette zur Ermittlung des ebenen Spannungszustandes Element zur Temperaturkompensation 5

6 HBM Portfolio FBG-Sensorik Neue Technologie! - vielfältige Herausforderungen bzgl. des Aufbau und Verbindungs-Systems der Messkette (Biegeradien, Dämpfungen, Unterschiede in Peakhöhe)! NEU! + optische Sensorik (HBM-Fibersensing) + kundenspezifische Sensorlösungen und Zubehör + Auswertetechnik und kundenspezifische OEM Lösungen

7 Worin besteht das Potenzial der FBG-Messtechnik? 1. Frequenzanaloge Codierung der Messinformation (nahes UV-Licht- Spektrum, Wellenlängenbereich um 1550nm) praktischer Vorteil: Rückführbarkeit durchgestimmter Laserverfahren auf Zeitbasis Gaszelle kalibriert bei jedem Zyklus Auch nach Jahren kann Bezug zum Ur-Nullpunkt des Sensorgitters wieder hergestellt werden! 7

8 Aussteuerung des Signals bei Dehnung Zur Erinnerung: Für den elektrischen DMS gilt näherungsweise R R = k ε k ~ 2

9 Aussteuerung des Signals bei Dehnung λb λ B B λ λ B = 0,79 ε = λ 0,79 ε B = 1550nm; ε z z z = 800 µm m λ B = m 0, = m = 980 pm ~1nm d.h. bei Messungen an metallischen Strukturen mit typischen Aussteuerungen ca. ± 1000 µm/m können in einer Sensorkette ca. 20 Sensorgitter untergebracht werden.

10 Anwendungsreife Lösung für Ihre Applikation Statischer oder dynamischer Interrogator Mit 1, 4 oder 8 optischen Eingangsbuchsen Faseropische Sensorketten: OptiMet -OMF OptiMet -PKF Zum Vergleich: Vielkanal-Lösung mit elektrischen DMS

11 Messdynamik FBG-Messung Unterschiede zwischen statischen und dynamischen Interrogatoren Sampling rate Auflösung des Messsignals Bandbreite der Messung dynam. Interrogatormessung 1000S/s dynam. Messung 1000S/s, gefiltert 11

12 Worin besteht das Potenzial der FBG-Messtechnik? 2. Qualität des Messsignals praktischer Vorteil: einfache Filtermöglichkeit bei statischer Interrogator-Messung und sehr hohe Auflösung erreichbar bei Kantenfilter-Interrogator-Verfahren 12

13 Krux der FBG Dehnungsmessung: Störeinfluß infolge Temperatur Kompensierbar trotzdem Aufmerksamkeit geboten, denn 1. Störeinfluß durch Temperatur auf das Sensorgitter ist von beachtlichem Ausmaß! (insbesondere bei statschen Messungen. Beispiel Brückenbauwerke mit ungünstigem Signal-Stör- Nutzverhältnis) 2. Aber beachtliches Potenzial für Sensorik mit vergleichsweise weitem kompensierten Einsatztemperaturbereich z.b. HBM OptiMet OMF: C) 13

14 Frage nach Langzeitstabilität der FBG-Dehnungssensorik Langzeit-Observation zweier ordnungsgemäß applizierter und kompensierter Messstellen unter Freiluftbedingungen (je 2x HBM-DMS OL und OTC; kein Lasteintrag, kein Nullsetzen) 14

15 Messung an einer Verrohrung im Untergrund - Geotechnik Faseroptische Gitter (HBM-OptiMet PKF) ermitteln Belastungszustände infolge Bodenbewegungen. im Dezember

16 Messung an einer Verrohrung im Untergrund Beispiel: Messung im September 2012: 4 temperaturkompensierte Längsdehnungen; 1 Dehnungsmessung in Umfangsrichtung Pulsation des Gasdruck 16

17 Worin besteht das Potenzial der FBG-Messtechnik? Aspekt: Elektromagnetische Immunität absolute Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Umgebungseinflüssen, Hochspannung oder Blitzschlag, auch Probleme infolge Potentialdifferenzen sind obsolet. Quelle: Fraunhofer LBF, Darmstadt

18 Worin besteht das Potenzial der FBG-Messtechnik? Aspekt: aussergewöhnlich hohe Wechsellastfestigkeit der optischen DMS Praktische Relevanz: Schwingungsreduktion mit nachgiebigen Materialien. Passive Stoßfederung durch spezielle systemische Eigenschaften.

19 Beispiel: elektr. und optischer DMS auf Verbundbauteil Quelle: LBF Darmstadt

20 Elektr. DMS vs. opt. DMS realer Test Verbundbauteil

21 Aspekt: Festigkeit der Fasergitter Untersuchungen zur Wechsellastfestigkeit der FBG s 100 cycles / load 1 Hz Quelle: 21

22 Dehnungsgeregelter Test - Vergleich verschiedener Fasern HBM Fasergitter Hochdehnungsfaser Polyimid Fiber Grating (Wettbewerbsprodukt) Quelle:

23 Einbettbare Faser Grid / sensor Applikationen: Tankbereiche, FV-Kunststoffe, Strukturbauteile z.b. Aerospace-Bereich HBM Datenblatt: (nach Norm für opt. DMS - VDI/VDE 2660) kriechfestes Coating exzellente Verklebung höchste Dehnungen Vorteile bei Mikrobiegungen Lösung qualifiziert durch HBM (Methoden nach VDI/VDE 2660 und 2635) Gebrauchstemperaturbereich : ( 268,9 +200) C Querdehnungsdempfindlichkeit (VDI/VDE 2635) = 0 d.h. bei Rosettenrechung wird keine Korrektur des Quereinflusses nötig! Außendurchmesser mit Beschichtung, ca. 195µm 23

24 hohe Wechsellastfestigkeit der optischen DMS Dehnung in Konstruktionslage (statisch): 8000μm/m; Dehnung während des Prüfl aufs der Achse (Spitzenwert dynamisch): μm/m Elektr. DMS versagen nach 1 Kollektivdurchlauf Faseropt. DMS nach 25 Kollektivdurchläufen keine Signalstörung Quelle: A. Laatz, F. Frieling, F. Walther: Kunststoffe neue Herausforderung für die Messtechnik. In Mess- und Prüftechnik Leichtbau. ATZ extra, Mai 2014, Springer Verlag

25 hohe Wechsellastfestigkeit der optischen DMS Quelle: A. Laatz, F. Frieling, F. Walther: Kunststoffe neue Herausforderung für die Messtechnik. In Mess- und Prüftechnik Leichtbau. ATZ extra, Mai 2014, Springer Verlag

26 Zusammenfassung Faseroptische Technologie bietet neuen Lösungsansatz für spezifische Aufgabenstellungen. FBG-Sensorik ist EMV-Immun, geeignet über lange Distanzen, Wechsellastfest in Hochdehnungsanwendungen, Zugriff auf absoluten Messwert (frequenzcodiert) Multiplexität der intrinsischen Sensorgitter-Anordnung Langzeitstabilität Messwertstabilität im weiten Temperaturbereich - bei beherrschter Temperaturkompensation 26

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Karl-Heinz Haase Business Development Manager Optical Solutions Tel.: measure and predict with confidence