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DE102007048817A1 - Sensor for measuring voltages in a substrate - Google Patents

Sensor for measuring voltages in a substrate Download PDF

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DE102007048817A1
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Abstract

Die Erfindung befasst sich mit einem Sensor (1) zum Messen von Spannungen in einem Substrat (4), mit zumindest einer optischen Glasfaser (2), die zumindest ein Bragg Gitter im Faserkern (3) aufweist, wobei die optische Glasfaser (2) von einem Primärcoating (7) umgeben ist, wobei der Sensor (1) an der dem Substrat (4) abgewandten Seite eine Folie (5) aufweist und die optische Glasfaser (2) ohne zusätzliche Kontaktschicht direkt auf dem Substrat (4) aufgeklebt ist. Der beschriebene Sensor (1) hat zum einen den Vorteil, dass hierbei, im Gegensatz zum bekannten Sensor, keine Folie benötigt wird, um eine Verklebung der Haut zu vermeiden. Zum anderen berührt, nach einem Klebeprozess, die optische Glasfaser (2) das Substrat (4). Somit werden fehlerhafte Messungen minimiert.The invention relates to a sensor (1) for measuring stresses in a substrate (4), comprising at least one optical glass fiber (2) having at least one Bragg grating in the fiber core (3), wherein the optical glass fiber (2) of a primary coating (7) is surrounded, wherein the sensor (1) on the side facing away from the substrate (4) has a foil (5) and the optical glass fiber (2) without additional contact layer directly on the substrate (4) is glued. The described sensor (1) on the one hand has the advantage that, in contrast to the known sensor, no film is required in this case in order to avoid sticking of the skin. On the other hand, after an adhesive process, the optical glass fiber (2) touches the substrate (4). Thus, erroneous measurements are minimized.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Messen von Spannungen in einem Substrat, mit zumindest einer optischen Glasfaser, die zumindest ein Bragg Gitter im Faserkern aufweist, wobei die optische Glasfaser von einem Primärcoating umgeben ist.The The invention relates to a sensor for measuring voltages in a Substrate, with at least one optical fiber, at least a Bragg grating in the fiber core, wherein the optical fiber from a primary coating is surrounded.

Bekannt ist, die Dehnung eines Substrats mittels so genannter Dehnungsmessstreifen (DMS) zu messen. Diese Technik ist jedoch sehr anfällig gegenüber elektromagnetischen Störungen. Außerdem sind diese DMS für eine Integration in Verbundwerkstoffen zum so genannten structural health monitoring ungeeignet. Um hier Abhilfe zu schaffen, wurden Sensoren auf Basis optischer Glasfasern entworfen.Known is the stretching of a substrate by means of so-called strain gauges To measure (DMS). However, this technique is very vulnerable to electromagnetic Disorders. Besides, they are these strain gauges for an integration in composite materials to the so-called structural health monitoring unsuitable. To remedy this, were sensors designed on the basis of optical glass fibers.

Ein derartiger Sensor ist aus dem Stand der Technik bekannt. Dieser ist in 2 beispielhaft schematisch dargestellt. Danach besteht die Vorrichtung aus einer optischen Glasfaser 2 mit eingebrannten Bragg Gittern im Faserkern 3, einer Folie 5 und einem Kleber 8. Die Folie 5 besteht in der Regel aus verschiedenen organischen Materialien und bedeckt die optische Glasfaser 2. Der Sensor ist auf einem Substrat 4 befestigt.Such a sensor is known from the prior art. This one is in 2 illustrated schematically by way of example. Thereafter, the device consists of an optical fiber 2 with burned Bragg grids in the fiber core 3 , a slide 5 and a glue 8th , The foil 5 usually consists of various organic materials and covers the optical fiber 2 , The sensor is on a substrate 4 attached.

Die optische Glasfaser 2 wird mit dem Kleber 8 auf das Substrat 4 geklebt, um somit Spannungen in Substrat 4 zu messen. Die Vorgehensweise ist hier wie folgt. Zuerst wird der Kleber 8 auf das Substrat 4 aufgetragen. Als nächstes wird die optische Glasfaser 2 mit Hilfe der Folie 5 auf das Substrat 4 gepresst. Nachdem nach einigen Minuten der Kleber 8 ausgehärtet ist, wird die Folie 5 entfernt.The optical fiber 2 is with the glue 8th on the substrate 4 glued to stress in substrate 4 to eat. The procedure is as follows. First, the glue 8th on the substrate 4 applied. Next is the optical fiber 2 with the help of the foil 5 on the substrate 4 pressed. After a few minutes the glue 8th is cured, the film is 5 away.

Wie eingangs bereits ausgeführt worden ist, sieht man anhand von 2, dass die Vorrichtung nach dem Entfernen der Folie 5 aus einer optischen Glasfaser 2 mit Bragg Gittern im Faserkern 3 besteht, einem Substrat 4 und einem Kleber 8.As already stated, you can see from 2 in that the device after removing the film 5 from an optical fiber 2 with Bragg grids in the fiber core 3 consists of a substrate 4 and a glue 8th ,

Es wird in der Regel eine Teflonfolie als Folie 5 bei der Herstellung des Sensors verwendet, um eine Verklebung mit der menschlichen Haut zu vermeiden und damit bei Verwendung eines dünnflüssigen Klebers 8, die optische Glasfaser 2 nicht gänzlich benetzt wird.It is usually a teflon film as a film 5 used in the manufacture of the sensor, to avoid sticking to the human skin and thus when using a thin adhesive 8th , the optical fiber 2 not completely wetted.

In vielen Fällen kann bei dieser Vorgehensweise das im Faserkern 3 eingeschriebene Bragg Gitter nicht genau in der Mitte des Klebers 8 justiert werden.In many cases, in this procedure, in the fiber core 3 inscribed Bragg grille is not exactly in the middle of the glue 8th to be adjusted.

Bei einem weiteren bekannten Sensor wird die Glasfaser mit dem Bragg Gitter zwischen zwei Folien sandwichartig eingeklebt und anschließend wir die Anordnung auf einen Substrat aufgeklebt.at Another known sensor is the glass fiber with the Bragg Grid glued sandwiched between two slides and then we the assembly adhered to a substrate.

Ein Nachteil dieser Stand der Technik besteht darin, dass beim Kleben der Folien die optische Glasfaser nicht an dem Substrat anliegt, da sich die untere Folie zwischen den beiden Elementen befindet. Diese Anordnung hat zur Folge, dass eine Übertragung einer Spannung aus dem Substrat in die optische Glasfaser über die untere Folie erfolgen muss. Das führt in der Regel zu fehlerhaften Messungen.One Disadvantage of this prior art is that when gluing the foils do not bear the optical glass fiber against the substrate, because the lower foil is between the two elements. This arrangement has the consequence that a transmission of a voltage the substrate into the optical glass fiber via the lower film got to. Leading usually to erroneous measurements.

In der Regel ist die Folie als „Patch" ausgebildet. Der „Patch-Sensor-Verbindungs"-Prozess beinhaltet folgende Schritte:

  • 1, Markieren der Position des Sensors.
  • 2, Reinigen von zurückbleibenden Verschmutzungen mit einem weichen Putzmittel.
  • 3, Mechanische Abrasion des Verbinde-Bereichs.
  • 4, Reinigen von Verschmutzung mit zusammengepresster Luft oder mit Pinsel.
  • 5, Gründliches Reinigen des Verbinde-Bereichs mit Hilfe von Azeton oder gleichwertigen Reinigungsagenten.
  • 6, Volles Lufttrocknen des Verbinde-Bereichs.
  • 7, Anfängliche adhäsive Vorbereitung durch das Vermischen von Zutaten (Resin-Catalyst).
  • 8, Anwenden einer dünnen adhäsiven Schicht über dem Verbinde-Bereich und dem Patch-Sensor.
  • 9, Anordnen des Patch-Sensors über dem Verbinde-Bereich.
  • 10, Andrücken des Sensors.
Typically, the film is a "patch." The "patch sensor connection" process involves the following steps:
  • 1, marking the position of the sensor.
  • 2, Clean remaining dirt with a soft detergent.
  • 3, Mechanical abrasion of the bonding area.
  • 4, cleaning pollution with compressed air or brush.
  • 5, Thorough cleaning of the joint area using acetone or equivalent cleaning agent.
  • 6, Full air drying of the bonding area.
  • 7, Initial adhesive preparation by mixing ingredients (Resin Catalyst).
  • Figure 8, Applying a thin adhesive layer over the bonding area and the patch sensor.
  • 9, placing the patch sensor over the connect area.
  • 10, pressing the sensor.

Die Wellenlänge eines handelsüblichen „Optischen Interrogators", welcher aus maximal 128 Sensoren je Kanal besteht, liegt im Nanometerbereich. Dieser „Optische Interrogator" wird zum Datensammeln verwendet. Er kann eine 100 Hz-Beispiel-Frequenz anlegen.The wavelength a commercially available "optical Interrogator " which consists of a maximum of 128 sensors per channel is in the nanometer range. This "optical Interrogator "will used for data collection. He can use a 100 Hz sample frequency invest.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Sensor der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass bei der Spannungsmessung in einem Substrat, die oben beschriebenen fehlerhaften Messungen vermieden bzw. minimiert werden.Of the Invention is based on the object, the sensor of the aforementioned Style to design such that in the voltage measurement in a Substrate avoided the erroneous measurements described above or minimized.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Sensor zum Messen von Spannungen in einem Substrat, mit zumindest einer optischen Glasfaser, die zumindest ein Bragg Gitter im Faserkern aufweist, wobei die optische Glasfaser von einem Primärcoating umgeben ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor an der dem Substrat abgewandten Seite eine Folie aufweist und die optische Glasfaser ohne zusätzliche Kontaktschicht direkt auf dem Substrat aufgeklebt ist.The solution This object is achieved by a sensor with the features of Claim 1. The sensor for measuring voltages in a substrate, with at least one optical fiber, the at least one Bragg Having grating in the fiber core, wherein the optical glass fiber of a primary coating is surrounded, is characterized in that the sensor on the The substrate facing away from the substrate has a film and the optical Fiberglass without additional Contact layer is glued directly to the substrate.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung im Gegensatz zum bekannten Sensor keine Folie benötigt, um eine Verklebung der Haut zu vermeiden und damit ein dünnflüssiger Kleber die optische Glasfaser nicht gänzlich benetzt. Bei der erfindungsgemäßen Lösung berührt, nach dem Klebeprozess, die optische Glasfaser das Substrat. Somit werden fehlerhafte Messungen minimiert, da hier eine direkte Übertragung der Spannung aus dem Substrat in die optische Glasfaser ermöglicht wird und nicht über eine zusätzliche Folie erfolgen muss, wie beim bekannten Sensor. Diese Schutzfolie schützt die Sensoranordnung vor Verunreinigungen und wird vor dem Auflegen des Sensors auf das Substrat abgezogen. Die für die Patchherstellung verwendete Teflonfolie verbleibt nach Aushärtung des Klebestreifens an dessen, zum Substrat zugewandten Seite und bietet somit bis zur endgültigen Anwendung einen Schutz für die Faser vor äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Schmutz, Fett, mechanischer Beanspruchung, etc.With the solution according to the invention in contrast to the known sensor no film needed to avoid sticking of the skin and thus a thin adhesive the optical fiber not completely wetted. In the solution according to the invention, after the bonding process, the optical glass fiber contacts the substrate. Thus, erroneous measurements are minimized because a direct transfer of the voltage from the substrate into the optical glass fiber is made possible here and does not have to take place via an additional film, as in the case of the known sensor. This protective film protects the sensor assembly from contamination and is removed before placing the sensor on the substrate. The Teflon film used for the patch production remains after hardening of the adhesive strip on its side facing the substrate and thus provides until the final application protection for the fiber from external influences, such as dirt, grease, mechanical stress, etc.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors besteht darin, dass der Klebestreifen die optische Glasfaser symmetrisch ummantelt. Das führt zu einem besonders stabilen Aufbau des Sensors. Beim Vorhandensein von mehr als einer optischen Glasfaser, entstehen Redundanzeffekte, weil sich die optischen Glasfasern im Klebestreifen, in geeigneten Abständen, gegenseitig stabilisieren.A advantageous embodiment of the sensor according to the invention is the adhesive strip symmetrically surrounds the optical glass fiber. Leading to a particularly stable construction of the sensor. In the presence more than one optical fiber, redundancy effects, because the optical glass fibers in the adhesive strip, in suitable intervals, Stabilize each other.

Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße Sensor im Bereich von 1520 bis 1570 nm betrieben, wobei hier der Aufbau des Sensors nicht der limitierende Faktor ist.Preferably becomes the sensor according to the invention operated in the range of 1520 to 1570 nm, where the structure the sensor is not the limiting factor.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass mehrere Glasfasern mit eingeschriebenen Bragg Gittern parallel zueinander in einem Sensor angeordnet sind. Hierdurch wird eine vorteilhafte Redundanz geschaffen, d. h. bei Ausfall einer Glasfaser kann dennoch eine aussagekräftige Messung erfolgen.A further advantageous embodiment of the Invention provides that several glass fibers with inscribed Bragg gratings are arranged parallel to each other in a sensor. As a result, an advantageous redundancy is created, d. H. in case of failure A fiberglass can still be a meaningful measurement.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Glasfasern unterschiedliche Bragg Gitter aufweisen, d. h. unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Hierdurch können die Messungen mit unterschiedlichen Wellenlängen erfolgen.A further advantageous embodiment of the Invention provides that the glass fibers different Bragg Having gratings, d. H. have different refractive indices. This allows the measurements take place with different wavelengths.

Schließlich ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors zum Messen von Spannungen in Flugzeugbauteilen, insbesondere in Strukturbauteilen besonders vorteilhaft. Die Sensoren lassen sich hier auch für Langzeitmessungen im regulären Flugbetrieb einsetzen. Dabei tritt an die Stelle des oben beschriebenen Substrats entweder ein Teil der Flächen- oder Rumpfbeplankung oder entsprechende Träger im Inneren des Flugzeugs.Finally is the use of a sensor according to the invention for measuring Tensions in aircraft components, in particular in structural components especially advantageous. The sensors can also be used for long-term measurements in regular flight operations deploy. This takes the place of the substrate described above either part of the area or fuselage skin or equivalent support inside the aircraft.

Die Erfindung wird anschließend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Hilfe der beigefügten Figuren noch näher beschrieben. Daher sind die Figuren rein schematisch. Gleiche oder ähnliche Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.The Invention will follow based on a preferred embodiment with the help of the attached Figures even closer described. Therefore, the figures are purely schematic. Same or similar Components are designated by the same reference numerals.

1a und 1b zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensor; 1a and 1b shows a schematic cross-sectional view of an advantageous embodiment of a sensor according to the invention;

2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Sensors gemäß dem Stand der Technik. 2 shows a schematic cross-sectional view of a sensor according to the prior art.

Nachfolgend sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.following are the same or similar Components designated by the same reference numerals.

1a zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors 1 im montierten Zustand. 1b zeigt den gleichen Sensor 1 wie in 1a, jedoch vor dem Aufbringen auf ein Substrat 4. 1a shows a schematic cross-sectional view of an advantageous embodiment of a sensor according to the invention 1 in the assembled state. 1b shows the same sensor 1 as in 1a but before application to a substrate 4 ,

Der Sensor 1, welcher zum Messen von Spannungen an einem Substrat 4 verwendet wird, weist eine optischen Glasfaser 2 auf, die ein eingeschriebenen Bragg Gitter im Faserkern 3 aufweist. Die optische Glasfaser 2 wird von einem Primärcoating 7 umgeben.The sensor 1 which is used to measure voltages on a substrate 4 is used, has an optical fiber 2 on which is a registered Bragg grid in the fiber core 3 having. The optical fiber 2 is from a primary coating 7 surround.

Die optische Glasfaser 2 bestehen aus einem Faserkern 3, einem Mantel und einer Beschichtung, dem so genannten Primärcoating 7. Der lichtführende Faserkern 3 dient zum Übertragen eines Signals. Der Mantel ist auch lichtführend, hat jedoch eine niedrigere Brechzahl als der Kern. Der Mantel bewirkt dadurch eine Totalreflexion und somit eine Führung der Strahlung im Faserkern 3 der Glasfaser 2. Das Primärcoating 7 der Glasfaser 2 besteht aus einem weichen Kunststoff und ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen 150 und 500 μm dick.The optical fiber 2 consist of a fiber core 3 , a coat and a coating, the so-called primary coating 7 , The light-guiding fiber core 3 serves to transmit a signal. The jacket is also light-guiding, but has a lower refractive index than the core. The jacket causes a total reflection and thus a guidance of the radiation in the fiber core 3 the fiberglass 2 , The primary coating 7 the fiberglass 2 consists of a soft plastic and is in the present embodiment between 150 and 500 microns thick.

Das Einschreiben des Bragg-Gitters in den Faserkern 3 der Glasfaser 2 erfolgt an einer definierten Stelle mittels UV-Laserstrahlung. Das in den Faserkern 3 integrierte Bragg-Gitter hat die Eigenschaft, Licht einer bestimmten Wellenlänge, die durch die Gitterparameter festgelegt ist, zu reflektieren. Die Bragg-Refelexionswellenlänge ist empfindlich gegenüber Temperatur und Dehnung am Gitterort und dient daher zur Messung dieser Größen.The writing of the Bragg grating into the fiber core 3 the fiberglass 2 takes place at a defined location by means of UV laser radiation. That in the fiber core 3 Integrated Bragg gratings have the property of reflecting light of a particular wavelength, which is determined by the grating parameters. The Bragg Refelexionswellenlänge is sensitive to temperature and strain at the grid location and therefore serves to measure these sizes.

Um bei der mechanischen Spannungsmessung in dem Substrat 4, die bei den bekannten Sensoren gemäß Stand der Technik auftretenden fehlerhaften Messungen zu vermeiden bzw. zu minimieren, weist der erfindungsgemäße Sensor 1 an der dem Substrat 4 abgewandten Seite eine Folie 5 auf, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Kaptonfolie ausgebildet ist. Die optische Glasfaser 2 ist mit einem aus ausgehärtetem Kleber 6 gebildeten Klebestreifen an der Folie 5 stabilisiert, um somit ohne zusätzliche Kontaktschicht auf dem Substrat 4 anliegen zu können. Die verschiebefreie Verbindung zwischen dem Sensor 1 und dem Substrat 4 erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine dünne Schicht Verbindungskleber 10, die an der Messstelle auf das Substrat aufgebracht wird.To mechanical stress measurement in the substrate 4 To avoid or minimize the erroneous measurements occurring in the known sensors according to the prior art, the sensor according to the invention has 1 at the substrate 4 opposite side of a slide 5 on, which is formed in the present embodiment as a Kapton foil. The optical fiber 2 is with a cured adhesive 6 formed adhesive strip on the foil 5 stabilized, thus without additional contact layer on the substrate 4 to be able to lie. The displacement-free connection between the sensor 1 and the substrate 4 takes place in the present embodiment by a thin layer of bonding adhesive 10 , which is applied to the substrate at the measuring point.

Wie in 1b gezeigt, ist der ausgehärtete Kleber 6 des Sensors 1 über eine leichtlösbare Klebeverbindung mit einer Schutzfolie 9 verklebt. Die Schutzfolie 9 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Teflonfolie ausgeführt. Vor dem Aufbringen des Sensors 1 auf das Substrat 4 kann diese Schutzfolie 9 von der dem Substrat 4 zugewandten Seite des Sensors 1 abgezogen werden. Diese Schutzfolie 9 schützt die Faser vor äußeren Einflüssen, wie Schmutz, Fett und anderen störenden Verunreinigungen, und erspart eine zusätzliche Reinigung der Patchfläche vor dem Anbringen.As in 1b shown is the cured adhesive 6 of the sensor 1 via an easily detachable adhesive bond with a protective film 9 bonded. The protective film 9 is designed in the present embodiment as a Teflon film. Before applying the sensor 1 on the substrate 4 can this protective film 9 from the substrate 4 facing side of the sensor 1 subtracted from. This protective film 9 Protects the fiber from external influences, such as dirt, grease and other interfering contaminants, and saves additional cleaning of the patch surface before mounting.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der in den Patentansprüchen beanspruchten Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.The Restricted invention in their execution not to the preferred embodiment given above. Rather, a number of variants are conceivable, which of the in the claims claimed solution also in other types Use.

11
Sensorsensor
22
optische Glasfaseroptical glass fiber
33
Faserkernfiber core
44
Substratsubstratum
55
Foliefoil
66
Ausgehärteter KleberCured adhesive
77
Primärcoatingprimary coating
88th
KleberGlue
99
Schutzfolieprotector
1010
Verbindungskleberbonding adhesive

Claims (6)

Sensor (1) zum Messen von Spannungen in einem Substrat (4), mit zumindest einer optischen Glasfaser (2), die zumindest ein Bragg Gitter im Faserkern (3) aufweist, wobei die optische Glasfaser (2) von einem Primärcoating (7) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) an der dem Substrat (4) abgewandten Seite eine Folie (5) aufweist und die optische Glasfaser (2) ohne zusätzliche Kontaktschichten direkt auf dem Substrat (4) aufgeklebt ist.Sensor ( 1 ) for measuring voltages in a substrate ( 4 ), with at least one optical fiber ( 2 ), which has at least one Bragg grating in the fiber core ( 3 ), wherein the optical glass fiber ( 2 ) of a primary coating ( 7 ), characterized in that the sensor ( 1 ) at the substrate ( 4 ) side facing away from a film ( 5 ) and the optical fiber ( 2 ) without additional contact layers directly on the substrate ( 4 ) is glued. Sensor nach Anspruch 1, wobei ein ausgehärteter Kleber (6) die optische Glasfaser (2) symmetrisch ummantelt.Sensor according to claim 1, wherein a cured adhesive ( 6 ) the optical fiber ( 2 ) sheathed symmetrically. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sensor (1) mit eingebranntem Bragg Gitter im Bereich von 1520 bis 1570 nm betrieben wird.Sensor according to claim 1 or 2, wherein the sensor ( 1 ) is operated with burned-in Bragg grating in the range of 1520 to 1570 nm. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mehrere Glasfasern (2) mit eingebranntem Bragg Gitter parallel zueinander in einem Sensoren (1) angeordnet sind.Sensor according to one of claims 1 to 3, wherein a plurality of glass fibers ( 2 ) with burned Bragg grating parallel to each other in a sensor ( 1 ) are arranged. Sensor nach Anspruch 4, wobei die Glasfasern (2) unterschiedliche Bragg Gitter aufweisen.Sensor according to claim 4, wherein the glass fibers ( 2 ) have different Bragg gratings. Verwendung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Messen von Spannungen in Flugzeugbauteilen, insbesondere in Strukturbauteilen.Use of a sensor according to one of claims 1 to 5 for measuring stresses in aircraft components, in particular in Structural components.
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