DE3527678A1

DE3527678A1 - Dehnungsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE3527678A1
Application number: DE19853527678
Authority: DE
Inventors: James Richard Manchester Conn. Dunphy; Gerald Avon Conn. Meltz; Elias Wellesley Mass. Snitzer
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1984-08-13
Filing date: 1985-08-01
Publication date: 1986-02-20
Also published as: US4653906A; GB2164745A; IT1184813B; FR2569006A1; FR2569006B1; GB8519738D0; IT8521913A0; GB2164745B; JPS6148706A

Description

PATENTANWÄLTE
MENGES & PRAHL Ί5?7Β78

Zugelassene Vertreter vor dem Europäischen Patentamt Professional representatives before the European Patent Office

Erhardtstrasse 12, D-8000 München 5

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Patentanwälte Menges & Prahl, Erhardtstr. 12, D-8000 München 5 Dipl.-lng. Rolf Menges

Dipl.-Chem. Dr. Horst Prahl

Telefon (089) 201 5950 Telex 529581 BIPATd Telegramm BIPAT München

IhrZeichen/Yourref.

UnserZeichen/Ourref. U 884

Datum/Date 01.08.1985

United Technologies Corp. Hartford, Connecticut 06101 V. St. A.

Dehnungsmeßeinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf die optische Erfassung und ilessung von Dehnungs- oder Verformungsverteilungen (strain distributions) in mechanischen Gebilden, wie beispielweise Flugzeugzellen, die aus Verbundmaterialien bestehen und vielleicht hohen Temperaturen und einer rauhen Umgebung mit elektromagnetischer störung ausgesetzt sind.

Lichtleitfaser-Dehnungs-Sensoren einschließlich solchen mit gekoppelten Kernen sind bereits hergestellt und getestet worden. In solchen Sensoren sind durch mechanische Beanspruchung hervorgerufene Nebensprechänderungen aufgrund von longitudinalen Störungen gemäß Modenkopplungs- und Integraldarstellungstheorien festgestellt worden.

Diese Sensoren sind jedoch lediglich zum Messen der gesamten Dehnung oder Verformung (strain) über der gesamten Länge der Meßvorrichtung benutzt worden. Das eignet sich nicht zum Erzeugen von räumlich aufgelösten Dehnungs- oder Verformungsangaben.

Zum Messen einer Dehnung oder Verformung an einer Vielzahl von Stellen wird eine große Anzahl oder ein Netzwerk von kurzen Sensoren benötigt.

Weiter ergeben sich bei kurzen Sensoren, wie sie in Netzwerken verwendet werden, bei diesen Sensoren selbst schwierige Probleme bei der Implementierung, z.B. bei der Befestigung von Ein- und Auskoppelfasern.

Weitere Einzelheiten über Lichtleitfaser-Dehnungs-Sensoren mit Mehrfachkern finden sich in der US-PS 4 295 738, auf die ausdrücklich verwiesen wird. Diese US-Patentschrift enthält u.a. eine nützliche Erläuterung der Nebensprech-Erscheinung, bei der benachbarte Faserkerne in einer gemeinsamen Hülle sich beim Senden von Licht abwechseln, das anfänglich in beide Kerne geschickt worden ist.

Ein weiterer nützlicher Hintergrund ist das Prinzip der Schwebungs- oder Überlagerungslänge (beat length), die beispielsweise durch das Symbol λ, dargestellt wird. Dieser Begriff ist definitionsgemäß die Länge der Lichtleitfaser, die erforderlich ist, damit Nebensprechen vollständig von einem Kern zu einem benachbarten Kern und wieder zurück erfolgt. Bekanntlich ist die Schwebungs- oder Überlagerungslänge eine Punktion der Temperatur, der Wellenlänge, der Dehnung oder Verformung und des Druckes.

OMlHM. INSPECTED

•k.

Gemäß der Erfindung wird mehrwelliges Licht, das heißt Licht mit mehreren Wellenlängen, in ein Ende eines Mehrfachkernlichtwellenleiters geschickt, der in ein auf Dehnung oder Verformung zu überwachendes mechanisches Gebilde eingebettet oder mit diesem anderweitig gekoppelt ist. Am Ausgang des Wellenleiters wird das Licht aus den verschiedenen Kernen erfaßt und hinsichtlich des Kontrasts als Funktion der Wellenlänge analysiert, wodurch die Lage und die Intensität der Dehnung oder Verformung in dem mechanischen System längs des Wellenleiters angezeigt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer

Dehnungsmeßanordnung gemäß einer Version der Erfindung,

die Fig. 2A und 2B ein schematisches Diagramm des mechanischen Systems (d.h. eines einseitig eingespannten Trägers), das einer Dehnungs- oder Verformungsmessung gemäß der hier beschriebenen Erfindung unterworfen werden kann, beziehungsweise ein Momentendiagramm, das die Dehnungs- oder Verformungsfunktion als Funktion der Strecke längs des Trägers, welcher sich gleich? mäßig in seine tragende Wand erstreckt, veranschaulicht, und

Fig. 3 ein Diagramm des Nebensprechspektrums

gemäß dem Trägersystem, das mit der Detektoranordnung nach der Erfindung

·■ S-

optisch überwacht wird, welches insbesondere die Kontrastfunktion (Q) über einem Bereich von eingeleiteten oder hineingeschickten Lichtwellenlängen anzeigt.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein mechanisches Gebilde 13 oder ein Teil desselben einer Dehnungs- oder Verformungsanalyse, einer Messung und einer Erfassung längs des Weges eines Lichtwellenleiters 15 oder eines Lichtleitfasersensors, der in dieser Ausführungsform zwei Kerne 17' und 17'' hat, unterzogen wird.

Die Kerne sind von einem Umhüllungsmaterial umgeben, das typisch aus Glas oder Kunststoff besteht. Weitere Einzelheiten des Aufbaus finden sich in der oben erwähnten US-PS 4 295 738.

Der Lichtwellenleiter 15 kann gemäß jeder von wenigstens zwei bevorzugten Mehrwellenlängeausführungsformen der Erfindung betrieben werden, die ihrerseits zwei bevorzugte Wege des Hineinschickens von Licht in den Sensor beinhalten. Gemäß dem einen dieser bevorzugten Wege wird Licht in den Wellenleiter aus einer Lichtquelle 19 eingeleitet oder geschickt, die beispielsweise über einem ausgewählten Bereich von Wellenlängen abtastet und somit Licht bestimmter Wellenlänge in den Wellenleiter 15 zu einer besonderen Zeit und mit einer anderen Wellenlänge in einem nächsten Intervall oder einer nächsten Zeitspanne einleitet. In dieser Konfiguration analysiert das Detektorsystem sequentiell das Nebensprechen, wenn jede Wellenlänge übertragen wird. Stattdessen kann die Lichtquelle auch Licht, das einen ganzen gewählten Bereich von Wellenlängen aufweist, kontinuierlich über der Zeit erzeugen. In diesem Fall müßte jedoch das

weiter unten erläuterte Detektorsystem so modifiziert werden, daß es zwischen Informationen, die über die verschiedenen Wellenlängen empfangen werden, unterscheidet, was aus der folgenden Beschreibung deutlich werden wird.

Licht aus der Mehrwellenlängequelle 19 wird auf geeignete Weise in Wellenleiterkerne 27' und 27'' geleitet oder eingekoppelt. Das kann mit einer Standardlaboroptik oder mit speziellen Koppelfasern erfolgen. Der Hauptgesichtspunkt ist, daß die Kerne mit einer geeigneten Form von Beleuchtung wirksam angeregt werden, bei welcher es sich um Einmodenlicht für einen oder beide Kerne 27' und 27'' handelt. Eine Möglichkeit der Implementierung der gewünschten Lichteinkopplung besteht darin, einen konischen Abschnitt 25 des Wellenleiters vorzusehen, welcher die Kerne 27' und 27'' enthält, die im Durchmesser fortschreitend abnehmen, bis sie Abmessungen erreichen, welche den Durchmessern der Kerne 17' und 17'' entsprechen. Der konische Abschnitt wird durch bekannte mechanische Techniken geeignet angeordnet oder positioniert, damit er durch die Lichtquelle 19 oder durch einen Teil derselben erzeugtes Licht empfängt und dieses, nachdem es modal reduziert worden ist, in den Wellenleiter 15 einkoppelt, schickt oder einleitet.

Bei dem mechanischen Gebilde 13 kann es sich um irgendeine Art von mechanischer Vorrichtung oder Anordnung handeln, beipielsweise um die Tragflächen eines Flugzeuges oder um die Rotorblätter eines Hubschraubers. Das Ausgangssignal des Wellenleiters 15 in dem mechanischen Gebilde tritt in Form von zwei parallelen Lichtstrahlen 37' und 37'' aus.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden diese Lichtstrahlen zu einem schmalen Schlitz 51, der in einer Maske 53 gebildet ist, durch eine reflektierende Vorrichtung 59 gelenkt, bei der es sich beispielsweise um einen Drehspiegel handelt. Eine Linse 38 transformiert die Lichtstrahlen so, daß ein Bild des Sensorausgangs in der Ebene der Maske 53 erzeugt wird. Auf diese Weise kann erst der eine und dann der andere der beiden Lichtstrahlen 37', 37'¹ durch den Schlitz 51 hindurch zu einem Fotodetektor 61 geleitet werden, welcher ein elektrisches Signal über eine Leitung 66 an einen A/D-Wandler 69 abgibt, der seinerseits in einen Computer 71 Daten zur Analyse eingibt.

In dem Fall, in welchem die Lichtquelle 19 Licht über dem gesamten gewählten Bereich von Wellenlängen erzeugt, statt diesen abzutasten, können mehrere Fotodetektoren 61 und 61' radial außerhalb von einem Wellenlängeanalysator 88 angeordnet werden, der die Lichtstrahlen 37' und 37^lf zu den entsprechenden Detektoren 61, 61" lenkt, die in der Bildebene des Kerns angeordnet sind. Jedem Fotodetektor 61· ist eine Maske 53' vorgeschaltet, die einen schmalen Schlitz 51' begrenzt. Weiter steuert jeder Fotodetektor 61' einen A/D-Wandler 69' an, der seinerseits seine Information an den Computer 71 abgibt. In jeder der beiden Versionen (in denen die Wellenlängen einzeln abgetastet bzw. über dem gesamten gewählten Bereich insgesamt eingeleitet werden) der unmittelbar vorstehend erläuterten Erfindung empfängt der Computer Information über die Intensitäten der beiden Lichtstrahlen 37* und 37'' für einen Bereich von Wellenlängen des eingeleiteten Lichts. Das System mit abgetastetem Wellenlängeanalysator und Detektor kann durch einen unabgetasteten Analysator, welcher von einer integrierten Matrix von Detektoren begleitet ist, ersetzt werden. In diesem Fall mißt jedes Detektorelement der Matrix die Kernleistung bei einer Wellenlänge. Die benachbarten Detektoren in dieser Matrix

werden dann die relative Leistung bei anschließenden Wellenlängen messen. Jeder benachbarte"Detektor trägt zur Messung der Funktion der Leistung über der Wellenlänge bei. Bei jeder Wellenlänge wird ein Bild jedes Kerns an einem Element der Detektormatrix gebildet.

Bei den beiden bevorzugten Verfahren zum Einleiten von Licht in den Lichtwellenleiter 15 wird ein Kern oder werden beide Kerne mit Licht beleuchtet. In dem ersten Fall werden dadurch sowohl symmetrische als auch asymmetrische Moden niedrigster Ordnung eingeleitet, die bewirken, daß Nebensprechen über der gesamten Länge des Wellenleiters deutlich wird. Änderungen in diesem Beharrungsnebensprechwert werden durch Störungen in dem mechanischen Gebilde erzeugt.

Wenn beide Kerne mit Licht bei gleicher optischer Phase beleuchtet werden, wird jedoch Nebensprechen erst deutlich, wenn das mechanische Gebilde 13 den Lichtwellenleiter 15 stört. Wenn diese Störungen auftreten, werden die sich ergebenden Nebensprechänderungen analysiert.

Der Bereich von Wellenlängen eingeleiteten Lichts entspricht einem Bereich von Schwebungs- oder Überlagerungslängen A,, die eine eindeutige und monotone Beziehung zu der Wellenlänge an sich haben. Demgemäß wird ein Bereich von Signalen, der mehrere (in diesem Fall zwei) Lichtstrahlintensitäten (aus 37' und 37*') für einen Bereich von Überlagerungslängen anzeigt, während des Betriebes durch den Computer 71 empfangen.

Wenn beispielshalber gemäß Fig. 2A eine Dehnung oder Verformung durch eine gleichförmig verteilte Last 102 auf einem einseitig eingespannten Träger 103 verursacht wird, der in einer Wand 105 abgestützt ist, die zwei Drehpunkte 107 und 108 aufweist,· welche auf den Träger 103 einwirken,

—* Jo ™"

werden zwei Lichtsignale komplexer Amplitude, welche durch die Variablen a₁ und a~ dargestellt werden, die den Lichtstrahlen 37' und 37" entsprechen, an den Computer 71 für eine Vielfalt von Wellenlängen abgegeben.

Die Information, die demgemäß an den Computer 71 abgegeben wird, gehorcht der folgenden bekannten Beziehung

+K)

1-1/kCeMu.A i2K(L-ui)

^2K(L-U.)

wobei gilt:

L ist die Länge des Lichtleitfasersensors;

a₁(L) ist die komplexe Amplitude des Lichts bezogen auf die Feldintensität am Ende des ersten Kerns;

a₂(Ii) ist die komplexe Amplitude des Lichts bezogen auf die Feldintensität am Ende des zweiten Kerns;

B ist 2¹H dividiert durch die Wellenlänge von in die Kerne eingeleiteten oder geschickten Lichts;

K ist 2¹ST dividiert durch die Schwebungs- oder Überlagerungswellenlänge;

u. ist eine ausgewählte Stelle innerhalb des Intervalls "i", in welchem die Dehnung oder Verformung ausgewertet wird;

Etu.]ist die Dehnung oder Verformung in einem Punkt innerhalb des i-ten Intervalls;

• AO-

E¹ [u.] ist die zeitliche Änderung von E[u.] in bezug auf die Strecke an der Stelle u.; und

1. ist die Strecke ab dem Beginn der Wellenleiterfaser bis zu dem i-ten Intervall.

Jedes Element eines Streckeninkrements Δ1. längs des Wellenleiters trägt demgemäß zu dem Gesamtausmaß an Nebensprechen zwischen den beiden Kernen 17' und 17"' bei. Durch Wählen von infinitesimal kleinen Strecken Δ1. kann die Beziehung als eine Funktion des Konstrasts Q bezogen auf die Dehnung oder Verformung "E" geschrieben werden. Die Kontrastfunktion Q basiert auf der Lichtamplitude in den Lichtstrahlen 37' und 37"' über einem Bereich von Wellenlängen: Q(K) = E(l)/K cos[2K(L-l)

2 J E(l)sin[2K(L-n dl, Jo

wobei "1" die Strecke längs der Länge der Faser ist.

Fig. 3 zeigt die Kontrastfunktion Q (K) für einen gleichmäßig belasteten,einseitig eingespannten Träger. Diese Beziehung kann ihrerseits mit Bezug auf die gewünschte Dehnungsoder Verformungsverteilung durch Ausführen einer Fourier-Transformation invertiert werden, damit eine Anzeige des Verformungsbetrages E als Funktion der Länge längs der Faser erhalten wird, wie es in Fig. 2B für den Fall des gleichmäßig belasteten Trägers gezeigt ist.

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Claims

Patentansprüche :

1. Dehnungsmeßeinrichtung mit einem Lichtwellenleiter (15), der einen ersten und einen zweiten Lichtleitkern (17', 17'') zum Führen von wenigstens Einmodenlicht enthält -und in bezug auf ein mechanisches Gebilde (13) fest eingebaut ist, mit einer Lichtquelle (19) für mehrwelliges Licht zum Beleuchten der Kerne und mit einem Detektorsystem (61, 61') zum Erfassen von Nebensprechen zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtleitkern (17', 17¹¹), dadurch gekennzeichnet, daß Licht aus den Kernen (17*, T7¹¹) verglichen wird, um eine Kontrastbeziehung in bezug auf die Wellenlängen zu ermitteln, welche die Lage und den Grad von verteilten Spannungen in dem mechanischen Gebilde (13) längs des Wellenleiters (15) anzeigt.

2. Dehnungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrwellenlängelichtquelle (19) die Kerne (17*, 17'') mit den Wellenlängen über einer Zeitspanne einzeln beleuchtet.

BAD ORIGINAL