DE3415855A1

DE3415855A1 - Faseroptische messeinrichtung zur erfassung einer an einem bauelement auftretenden zugspannung oder biegung

Info

Publication number: DE3415855A1
Application number: DE19843415855
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl.-Phys. 6072 Dreieich Winterhoff
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1984-04-28
Filing date: 1984-04-28
Publication date: 1985-11-07
Also published as: DE3415855C2

Description

Faseroptische Meßeinrichtung zur Erfassung einer
an einem Bauelement auftretenden Zugspannung oder Biegung Die Erfindung bezieht sich auf eine faseroptische Meßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE-OS 29 36 875 ist bereits eine faseroptische Einrichtung zur Messung der an gestreckten Bauelementen auftretenden Dehnung bekannt, bei der zwei Monomode-Lichtleitfasern an verschiedenen Teilen des Bauelementes, beispielsweise an gegenüberliegenden Seiten, angeordnet sind. Bei dieser Einrichtung wird vom Prinzip der Interferenzmessung Gebrauch gemacht, bei welchem die aus den Fasern austretenden, phasenverschobenen Lichtstrahlen interferieren und deren von der Belastung des Bauelementes abhängige Anzahl der Interferenzen mittels eines elektronischen Vorwärts-Rückwärts-Zählers gezählt werden müssen. Wenn nicht besondere technische Maßnahmen getroffen sind, geht bei einem Netzspannungsausfall das Zählergebnis verloren und bei Wiederauftritt der Netzspannung zählt der Zähler vom Zählstand Null an.
Interferometeranordnungen der beschriebenen Art sind aufgrund ihres komplizierten Aufbaus und ihres relativ hohen technischen Aufwandes im allgemeinen nur als Laborgeräte verwendbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine faseroptische Meßeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die insbesondere vor Ort ohne großen technischen Aufwand an zu überprüfenden oder überwachenden Großbauteilen einsetzbar und bedienbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erzielt.
Mit einer einzigen Lichtleitfaser beliebiger Länge können große zu überprüfende Flächenbereiche von Bauelementen, wie Eisenbetonkonstruktionen, überdeckt werden; es werden keine Zähleinrichtungen zur Auswertung benötigt, so daß auch Meßergebnisse aufgrund von Netzapannungsausfällen nicht verloren gehen können.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 die faseroptische Meßeinrichtung, Fig. 2 eine Darstellung der durch die Torsion der Lichtleitfaser hervorgerufene Drehung der Polarisationsebene des die Faser durchlaufenden Lichtes, Fig. 3 ein Diagramm einer tordierten Monomode-Lichtleitfaser, das die Drehung der Polarisationsebene in Abhängigkeit von der an der Faser wirkenden Zugkraft zeigt, Fig. 4 ein Diagramm einer tordierten Monomode-Lichtleitfaser, das die Änderung der Empfindlichkeit der Faser in Abhängigkeit von der der Faser erteilten Torsion zeigt, Fig. 5 eine Anwendung der Meßeinrichtung bei einem auf Biegung beanspruchten Bauelement, Fig. 6 eine Anwendung der Meßeinrichtung bei einem auf Zugspannung beanspruchten Bauelement.
Die faseroptische Meßeinrichtung nach der Fig. 1 umfaßt eine Strahlungsquelle 1 (beispielsweise Halbleiter-Laserdiode), der ein Polarisator 2 nachgeordnet ist, eine folgende, um ihre Längsachse tordierte Monomode-Lichtleitfaser 3, in deren Eingangsende 4 der Lichtstrahl 5 der Strahlungsquelle 1 eingekoppelt wird, einen dem Licht-Ausgangsende 6 der Lichtleitfaser 3 zugeordneten Analysator 7 und einen diesem nachgeordneten lichtempfindlichen Detektor 8. Die Torsion der Faser 3 ist durch den Pfeil r angedeutet.
Wie in der Fig. 2 angedeutet, ergibt sich ohne Zugkraftwirkung an der Lichtleitfaser 3 durch die ihr erteilte Torsion über die Länge L eine Drehung der Polarisationsebene des die Lichtleitfaser 3 durchstrahlenden linear polarisierten Lichtes von beispielsweise 0° am Eingangsende 4 der Faser 3 bis 2700 am Ausgangsende 6 der Faser 3; die mit der erteilten Torsion verknüpfte Drehung der Polarisationsebene ist durch die Richtungsfahnen e, en angedeutet.
Wirkt nun an der Lichtleitfaser 3 nach Fig. 1 in Richtung des Pfeils 9 eine Zugspannung p, so ändert sich, wie in Fig. 2 angedeutet, die bisher am Ausgangsende 6 der Lichtleitfaser 3 bestehende Polarisationsebene en mit einer Ausgangslage von 2700 um einen Winkelb 9R, wie durch die Strichelung angedeutet ist.
Diese von einer Zugspannungsänderung p abhängige Winkeländerung L'S der Polarisationsebene wird zur Messung herangezogen. Es gilt = a . . p wobei a eine Konstante und r der Grad der der Lichtleitfaser erteilten Torsion ist.
Das Diagramm nach der Fig. 3 zeigt den sich ergebenden linearen Zusammenhang von Drehwinkel at der Polarisationsebene und der an der Lichtleitfaser wirkenden Zugkraft p, wobei der Lichtleitfaser eine bestimmte Torsion, beispielsweise mehr als 15 Drehungen/Meter um die Längsachse, erteilt ist. Eine Drehung der Polarisationsebene wird bereits im Bereich von Winkelminuten erzielt.
Das Diagramm nach der Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit der Empfindlichkeit A/p der Lichtleitfaser vom Grad der der Lichtleitfaser erteilten Torsion r; wie aus dem Kurven zug a ersichtlich, steigt die Empfindlichkeit /p im Falle nicht zu kleiner Torsion mit der Größe dieser Torsion an.
Die Fig. 5 zeigt die Anwendung der erfindungsgemäßen MeB-einrichtung in Verbindung mit einem Bauelement 11, beispielsweise einem Träger mit relativ großen Längsabmessungen einer Eisenbetonkonstruktion, das auf zwei Stützen 12, 13 gelagert ist und dessen Durchbiegung p8 erfaßt werden soll.
Die Meßeinrichtung besteht entsprechend der Ausbildung nach Fig. 1 aus einer Strahlungsquelle 1, einem Polarisator 2, einer auf einer Fläche 14 des Bauelementes 11 angeordneten tordierten Monomode-Lichtleitfaser 3, einem Analysator 7 und einem lichtempfindlichen Detektor 8; in die Lichtleitfaser 3 wird an ihrem Eingangsende 4 ein linear polarisierter Lichtstrahl 5 eingekoppelt.
Die wirksame Gesamtlänge der Faser 3 liegt zwischen den Punkten 15, 16. Die Faserabschnitte zwischen den Punkten 15, 17 und 16, 18 sind beispielsweise im Uhrzeigersinn tordiert, wie durch die Pfeile qRa tb angedeutet ist.
Wirkt auf das Bauelement 11 eine Biegekraft PB ein, so erfährt der zwischen den Punkten 15, 17 liegende Abschnitt der Faser 3 eine Stauchung, wie durch den Doppelpfeil s angedeutet, während der zwischen den Punkten 16, 18 liegende Abschnitt der Faser 3 eine Dehnung erfährt, wie durch den Doppelpfeil d angedeutet. Aufgrund der gleichen Torsionsrichtungen Ta, tb Tt' in den beiden Faserabschnitten 15, 17 und 16, 18 und der unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen des Lichtes in den Faserabschnitten 15, 17 und 16, 18 kompensieren sich die in den beiden Faserabschnitten erfolgenden Drehungen der Polarisationsebene im Falle gleicher Spannungszustände. Bei Einwirkung einer Biegekraft PB sind die in den Faserabschnitten 15, 17 und 16, 18 erfolgenden Drehungsänderungen der Polarisationsebene unterschiedlich und man erhält einen der Biegekraft proportionalen Meßeffekt.
Ist das Bauelement 11 in seiner Längsrichtung Temperaturänderungen ausgesetzt, so wirkt auf beiden Faserabschnitte 15, 17 und 16, 18 eine gleichmäßige Dehnung, so daß sich in den Faserabschnitten entgegensetzt gerichtete gleiche Änderungen der Polarisationsebene des eingestrahlten Lichts ergeben, die sich damit kompensieren; Ausdehnungen des Bauelementes 11 durch Temperatureinfluß gehen damit nicht in die Messung der Biegekraft ein.
Im Prinzip läßt sich eine Biegemessung auch nur mit einem der Faserabschnitte 15, 17 oder 16, 18 durchführen.
Die Fig. 6 zeigt die Zugspannungsmessung an einem großen Bauelement 11'. In diesem Fall werden den beiden Abschnitten 15', 17' und 16', 18' der Lichtleitfaser 3' Torsionen unterschiedlicher Richtung erteilt, wie durch die Pfeile und tb angedeutet ist.
Wirkt an dem Bauelement 11' eine Zugkraft pz, so werden die Abschnitte 15', 17' und 16', 18' der Lichtleitfaser 3' nleichmäBig gedehnt, wie durch die Doppelpfeile d' angedeutet, und in jedem Abschnitt erfolgen Drehungen der Polarisationsebene in umgekehrter Richtung, die sich wegen der umgekehrten Durchlaufrichtung des Lichtes addieren.
Etwa auftretende Biegungen des Bauelementes 11' gehen nicht in die Zugspannungsmessung mit ein, da Biegungen in den Faserabschnitten 15', 17' und 16', 18' gleichgerichtete Drehungen der Polarisationsebene des eingestrahlten Lichtes ergeben, die sich wegen der umgekehrten Durchlaufrichtung des Lichtes kompensieren.
Eine Dehnungsmessung läßt sich im Prinzip auch unter Verwendung nur eines der beiden Faserabschnitte 15', 17' oder 16', 18' durchführen.
Ist die nach Fig. 4 von der Torsion t abhängige Empfindlichkeit9'/p der Faserabschnitte nicht gleich, so kann dies durch Änderung der Zahl der Torsionen eines der Faserabschnitte erreicht werden.
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Claims

Faseroptische MeBeinrichtung zur Erfassung einer an einem Bauelement auftretenden Zugspannung oder Biegung Patentansprüche 1. /Faseroptische MeBeinrichtung zur Erfassung einer an einem Bauelement auftretenden Zugspannung oder Biegung, bestehend aus einer am Bauelement angebrachten Lichtleitfaser, in deren eines Ende ein Lichtstrahl eingekoppelt wird und an deren anderem Ende ein lichtempfindlicher Detektor angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (3) eine tordierte Monomode-Lichtleitfaser ist, welche die Zugspannung oder Biegung des Bauelementes (11, 11') aufnimmt und daß die durch die Zugspannung oder Biegung bewirkte Drehung (ist) der Polarisationsebene (en) des in die Faser (3) eingekoppelten Lichtstrahls (5) in Lichtausbreitungsrichtung zur Auswertung herangezogen ist.
2. Faseroptische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung einer am Bauelement (11) auftretenden Biegung eine in gleicher Richtung ( = b tordierte Monomode-Lichtleitfaser (3) auf der Oberfläche (14) des Bauelementes (11) derart angeordnet ist, daß bei Einwirkung einer Biegekraft (p8) auf das Bauelement (11) ein Abschnitt (15, 17) der Faser (3) eine Stauchung und ein weiterer Abschnitt (16, 18) der Faser (3) eine Dehnung erfährt (Fig. 5).
3. Faseroptische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung einer am Bauelement (11') auftretenden Zugspannung eine in zwei Abschnitten (15', 17'; 16', 18') in entgegengesetzter Richtung tordierte Monomode-Lichtleitfaser (3') auf der Oberfläche (14') des Bauelementes derart angeordnet ist, daß bei Einwirkung einer Zugspannung (PZ) auf das Bauelement (11') beide in unterschiedlicher Richtung tordierte Abschnitte (15', 17'; 16', 18') eine Dehnung erfahren (Fig. 6).