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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Zustands einer Klebverbindung zwischen Fügepartnern, insbesondere zwischen Bauteilen einer Fassadenkonstruktion und/oder zwischen einem Bauteil einer Fassadenkonstruktion und einem Fassadentragrahmen.
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Moderne Gebäude werden mit Fassadenkonstruktionen aus geklebten Bauteilen versehen. Beispielsweise können durch neuartige Klebstoffe tragende Ganzglaskonstruktionen hergestellt werden. Dabei spielen Klebverbindungen, insbesondere tragende Klebverbindungen, an mechanisch und thermisch belasteten Bauteilen eine wichtige Rolle. Klebstoffe alter infolge der klimatischen Einflüsse. Die Qualität einer Klebverbindung zwischen Bauteilen lässt sich im eingebauten Zustand sehr schwer überprüfen.
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In der
DE 198 38 510 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Zustands einer tragenden Verklebung zwischen einem Träger und einem am Träger festgeklebten Element beschrieben, bei welchem zwischen dem Träger und dem Element zusätzlich zur tragenden Verklebung eine Kontrollverklebung vorgesehen ist, die einer vorbestimmten zusätzlichen Belastung ausgesetzt wird. Die vorbestimmte zusätzliche Belastung wird beispielsweise durch eine Zugeinrichtung aufgebracht.
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Aus der
WO 2006/057482 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung von Klebverbindungen bekannt, bei welchem ein piezoelektrisches Material oder ein elektrisch leitfähiges Material mit dem Klebstoff vermischt wird und mittels dessen die geklebten Bauteile elektrisch verbunden werden, wobei ein elektrischer Strom durch die geklebten Bauteile erzeugt wird. Aus der gemessenen Menge der zwischen den geklebten Bauteilen transportierten elektrischen Ladungen wird eine Beschädigung der Klebverbindung ermittelt und die Restlebensdauer der geklebten Struktur auf der Basis von Daten vorhergesagt, die eine Korrelation zwischen der Ladungsmenge und der vorbestimmten Lebensdauer herstellen.
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In der
DE 10 2005 030 751 A1 ist ein optischer Dehnungsmessstreifen offengelegt, der aus einer ebenen Trägerschicht vorzugsweise aus Kunststoff und einer Deckschicht besteht, zwischen denen mindestens ein Lichtwellenleiter kraftschlüssig angeordnet ist. Der Lichtwellenleiter besitzt mindestens einen Abschnitt mit einem Bragg-Gitter zur Erfassung der Dehnung eines Verformungskörpers oder eines anderen Bauteilbereiches. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter innerhalb mindestens eines vorgesehenen Führungskanals in die Trägerfolie als Trägerschicht eingelassen ist. Dieser Führungskanal mit dem Lichtwellenleiter und dem darin eingeprägten Bragg-Gitter ist mit einer Abdeckfolie als Deckschicht verschlossen, die aus dem gleichen Material wie die Trägerfolie besteht.
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In der
WO 2003/050492 A1 ist ein Belastungssensor offengelegt, der zur Messung einer Spannung zwischen gepaarten Bauteilen geeignet ist. Dieser Belastungssensor eignet sich vorzugsweise für die Messung einer Scherbeanspruchung ohne Berücksichtigung einer Komponente senkrecht zur Scherbeanspruchung. Der Belastungssensor umfasst zwei Wände und gekreuzte Sensorelemente. Der Belastungssensor ist für den Gebrauch in einem Feststofftriebwerk in eine Klebstoffschicht zwischen einem Festtreibmittel und einer Isolationsschicht integriert. Die Sensorelemente sind als optische Fasern mit Fabry-Perot Dehnmesssensoren ausgebildet und verwenden Fizeau Interferometer als Ausgabeelemente.
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Die
US 5,265,475 A offenbart ein System zur Erkennung von Verbindungsausfällen zwischen mindestens zwei Fügepartnern, bei dem optische Fasern mit unterschiedlicher Länge in einem Überwachungsbereich zwischen die Fügepartner gebracht werden, wobei von den optischen Fasern detektierte Signale mittels einer elektro-optischen Analyseschaltung ausgewertet werden. Die optischen Fasern erstrecken sich in transversaler Richtung quer zur Richtung der Kraftübertragung zwischen den verbundenen Fügepartnern. Durch die unterschiedliche Länge der einzelnen optischen Fasern wird der Überwachungsbereich in diskrete Teilbereiche unterteilt, so dass eine mechanische Spannung zwischen den Fügepartnern jeweils über die Länge einer einzelnen optischen Faser integriert gemessen wird. Die optischen Fasern werden mit einem Laser, einer Detektorschaltung und einem Netzwerkanalysator verbunden. Vom Netzwerkanalysator ausgewertete Signale werden mit Referenzsignalen verglichen, so dass Verbindungsausfälle erkannt und quantifiziert werden können. Abhängig von einem voreingestelltem Grenzwert kann ein Alarm ausgelöst oder eine Schadensbehebung eingeleitet werden. Dieses System kann als statisches Ausfallerkennungssystem oder als Echtzeitsystem zur Generierung und Anpassung einer anpassbaren Bibliothek von Referenzsignalen genutzt werden.
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Die
US 5,841,034 A offenbart ein Verfahren zur Testung und/oder Überwachung von Klebverbindungen durch Einführen von Messwertgebern in ein mechanisches Kraft- oder Spannungsfeld, das durch eine Bewegung der mit der Klebverbindung verbundenen Fügepartner beeinflusst wird. Damit kann die Kraftübertragung zwischen den Fügepartnern erfasst und die Unversehrtheit der Klebverbindung bewertet werden. Hierzu werden Messwerte bei verschiedenen Belastungen der Klebverbindung erfasst und mit Messwerten von analogen Belastungen zum Montagezeitpunkt verglichen.
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EP 1 664 700 B1 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung von Temperatur und mechanischer Beanspruchung mittels Faser-Bragg-Gittersensoren, insbesondere zur Überwachung von Wärmeschutzbeschichtungen auf Metallteilen in Dampf- oder Verbrennungsturbinen. Dabei wird mindestens ein Faser-Bragg-Gittersensor in eine solche Wärmeschutzbeschichtung eingebettet. Hierbei ist Temperaturänderung und/oder mechanischer Beanspruchung über eine Änderung der Gitterkonstante des Faser-Bragg-Gittersensors messbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Überwachung des Zustands einer Klebverbindung zwischen mindestens zwei Fügepartnern anzugeben.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 7 oder 8 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einer Vorrichtung zur Überwachung des Zustands einer Klebverbindung zwischen Fügepartnern wird erfindungsgemäß eine optische Faser in eine Klebstoffschicht, welche die Klebverbindung mindestens teilweise bewirkt, eingefügt, wobei die optische Faser mindestens einen im Bereich der Klebstoffschicht liegenden faseroptischen Sensor umfasst und mittels optischer Verbindungen Licht von mindestens eines breitbandigen Leuchtmittels in die Faser einkoppelbar und in der optischen Faser reflektiertes Licht an eine Sensorik zur Auswertung eines Reflexionsspektrums auskoppelbar ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist dabei wenigstens ein faseroptischer Dehnungssensor ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor.
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Faser-Bragg-Gitter-Sensoren weisen in Längsrichtung der einbettenden optischen Faser periodische Änderungen der Brechzahl im Faserkern auf. An jeder Stelle mit einem Brechkraftwechsel wird ein Teil des in der optischen Faser geleiteten Lichts reflektiert. Durch die periodische Anordnung der Brechkraftwechsel in Längsrichtung der optischen Faser, also in Ausbreitungsrichtung des Lichts, wird eine positive Interferenz des reflektierten Lichts bei einer Wellenlänge bewirkt, die proportional zum periodischen Abstand der Brechkraftwechsel, im Folgenden als Gitterkonstante bezeichnet, ist. Diese zur Gitterkonstante korrespondierende Wellenlänge wird im Folgenden als Reflexionswellenlänge bezeichnet.
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Wird in eine optische Faser mit einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor Licht mit einer breiten spektralen Verteilung, die mindestens die Reflexionswellenlänge und angrenzenden Wellenlängenbereich umfasst, eingekoppelt, so tritt am Eingang der optischen Faser reflektiertes Licht aus, das ein Intensitätsmaximum bei der Reflexionswellenlänge aufweist. Entsprechend weist das am Ausgang der optischen Faser austretende transmittierte Licht eine Dämpfung der Intensität bei der Reflexionswellenlänge auf.
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Eine Dehnung des Faser-Bragg-Gitter-Sensors in Längsrichtung der optischen Faser bewirkt dabei eine Vergrößerung der Gitterkonstante und damit eine Verschiebung der Reflexionswellenlänge nach größeren Wellenlängen. Entsprechend bewirkt eine Stauchung des Faser-Bragg-Gitter-Sensors in Längsrichtung der optischen Faser eine Verkleinerung der Gitterkonstante und damit eine Verschiebung der Reflexionswellenlänge nach kürzeren Wellenlängen. Dehnung und Stauchung des Faser-Bragg-Gitter-Sensors quer zur Längsrichtung der optischen Faser bewirken dagegen keine oder im Vergleich zu den vorgenannten Verschiebungen nur geringe Änderungen der Reflexionswellenlänge.
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Erfindungsgemäß wird eine optische Faser mit mindestens einem faseroptischen Dehnungssensor, vorzugesweise einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor, in eine Klebstoffschicht zwischen Bauteilen einer Fassadenkonstruktion eingebracht. Nach dem Aushärten des Klebstoffs ist der faseroptische Dehnungssensor stoffschlüssig mit der Klebstoffschicht und über diese mit den verklebten Bauteilen verbunden.
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Die Funktion des faseroptischen Dehnungssensors wird nun für den Fall beschrieben, das er als Faser-Bragg-Gitter-Sensor ausgebildet ist. Entsprechendes gilt jedoch auch für andere faseroptischen Dehnungssensoren, die Licht reflektieren, wobei das Reflexionsspektrum von ihrer Länge abhängt.
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Eine Eigenspannung in der Klebstoffschicht, die beim Aushärten im Bereich des stoffschlüssig verbundenen Faser-Bragg-Gitter-Sensors aufgebaut wird, wirkt als Zug- oder Druckkraft auf den Faser-Bragg-Gitter-Sensor. Ebenso wirkt eine von außen aufgebrachte Spannung als Zug- oder Druckkraft auf einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor. Beispielsweise wird die von außen aufgebrachte Spannung über das Gewicht einer von der Klebverbindung getragenen Last verursacht. Die Zug- oder Druckkraft bewirkt eine Dehnung oder Stauchung des Faser-Bragg-Gitter-Sensors, welche dann als Verschiebung der Reflexionswellenlänge relativ zur Reflexionswellenlänge des unbelasteten Faser-Bragg-Gitter-Sensors gemessen wird, wenn die Kraft in Längsrichtung des den Faser-Bragg-Gitter-Sensor umgebenden Teils der optischen Faser wirkt.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich daher mittelbar, durch Auswertung der gemessenen Reflexionswellenlänge relativ zur bekannten Reflexionswellenlänge des unbelasteten Faser-Bragg-Gitter-Sensors, im Bereich der einbettenden Klebstoffschicht wirkende Kräfte ermitteln. Damit kann beispielsweise die nach dem Aushärten in der Klebstoffschicht entstandene Eigenspannung gemessen und bewertet werden.
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In vorteilhafter Weise kann mit einer solchen Vorrichtung die Zuverlässigkeit der Kraftübertragung durch tragende Klebverbindungen an eingebauten Bauteilen zerstörungsfrei überwacht werden, indem zeitliche Änderungen der gemessenen Reflexionswellenlänge und/oder Änderungen der gemessenen Reflexionswellenlänge relativ zur Reflexionswellenlänge des unbelasteten Faser-Bragg-Gitter-Sensors bestimmt werden.
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Mit der Erfindung wird erreicht, dass diese Messung der Zuverlässigkeit der Kraftübertragung mit geringem Aufwand, automatisiert und über eine große Anzahl von Messstellen erfolgt. Durch das optische Messprinzip der Erfindung wird eine Unabhängigkeit gegenüber elektrischen und/oder elektromagnetischen Störungen, und damit eine erhöhte Empfindlichkeit und Robustheit gegenüber elektrischen, beispielsweise piezoelektrischen oder resistiven Messverfahren erreicht. Ferner ist diese Vorrichtung in vorteilhafter Weise von Drift- und Alterungseffekten, wie sie bei piezoelektrischen und resistiven Sensoren auftreten, unabhängig und liefert über die gesamte Lebensdauer einer Klebverbindung vergleichbare Messwerte.
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In vorteilhafter Weise erlaubt die Erfindung ferner die Verwendung integrierter, vorkonfektionierter Faser-Bragg-Gitter-Dehnungssensoren, wie sie beispielsweise für Temperaturmessaufgaben verwendet werden, da die Befestigungsverfahren für diese Faser-Bragg-Gitter-Dehnungssensoren hinsichtlich der Klebeschichtdicken und hinsichtlich der Klebstoffsysteme gleich oder ähnlich den Befestigungsverfahren für Bauteile einer Fassadenkonstruktion sind.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der hohen zeitlichen Auflösung, die für die Messung erreichbar ist. Damit ist es möglich, dynamische Belastungseffekte, beispielsweise Schwingungen, an der Fassadenkonstruktion und/oder damit verklebten Bauteilen zu erfassen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine optische Faser mit mindestens zwei Faser-Bragg-Gitter-Sensoren so in die Klebstoffschicht eingebracht, dass mindestens ein erster Abschnitt der optischen Faser mit einem ersten Faser-Bragg-Gitter-Sensor parallel zur Hauptbelastungsrichtung und mindestens ein zweiter Abschnitt der optischen Faser mit mindestens einem zweiten Faser-Bragg-Gitter-Sensor quer zur Hauptbelastungsrichtung angeordnet ist. Damit wird bewirkt, dass Veränderungen der Gitterkonstanten und somit der Reflexionswellenlängen der eingebetteten Faser-Bragg-Gitter-Sensoren, welche unabhängig von der an der Klebstoffschicht wirkenden Belastung sind, beispielsweise eine Ausdehnung oder Verkürzung der optischen Faser durch eine Vergrößerung beziehungsweise Verringerung der Temperatur, von einer Veränderung der Gitterkonstante von mindestens einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor unterschieden werden können, welche durch die an der Klebstoffschicht wirkende Belastung hervorgerufen wird. In vorteilhafter Weise wird damit eine höhere Unabhängigkeit der Messung gegenüber unterschiedlichen Mess- und Umweltbedingungen erzielt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dieser Ausführungsform der Erfindung wird ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor so angeordnet, dass er unabhängig von den anderen Faser-Bragg-Gitter-Sensoren Umwelteinflüsse, hier speziell die Temperatur, erfasst. Damit lassen sich die Umwelteinflüsse mit dem gleichen Messprinzip kompensieren, so dass der Aufwand zur Auswertung der Messergebnisse in vorteilhafter Weise sinkt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Sensorik zur Auswertung eines Reflexionsspektrums eine Vorrichtung zur punktweisen Messung der Intensität des reflektierten Lichtes an ausgewählten Wellenlängen oder über ausgewählte Wellenlängenbereiche. Beispielsweise ist bei einer Intensitätsmessung, welche über einen vorbestimmten, die Reflexionswellenlänge in einem bestimmten Referenzzustand, beispielsweise im Einbauzustand unter vorbestimmter Last, umfassenden Wellenlängenbereich integriert, eine Drift der Reflexionswellenlänge außerhalb des vorbestimmten Wellenlängenbereichs feststellbar.
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Damit kann das Über- oder Unterschreiten von bestimmten, zum vorbestimmten Wellenlängenbereich korrespondierenden Belastungswerten detektiert werden. In vorteilhafter Weise ist bei dieser Ausführungsform der Erfindung der messtechnische Aufwand verringert, da eine spektral aufgelöste Intensitätsmessung vermieden wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere vorteilhaft zur Überwachung des Zustands einer Klebverbindung zwischen Bauteilen einer Fassadenkonstruktion und/oder zwischen einem Bauteil einer Fassadenkonstruktion und einem Fassadentragrahmen.
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Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Überwachung des Zustands einer Klebverbindung zwischen Fügepartnern wird eine optische Faser in eine Klebstoffschicht, welche in ausgehärtetem Zustand die Klebverbindung mindestens teilweise bewirkt, vor oder nach dem Aushärten eingefügt, wobei die optische Faser mindestens einen im Bereich der Klebstoffschicht liegenden Faser-Bragg-Gitter-Sensor umfasst und mittels optischer Verbindungen mit mindestens einem Leuchtmittel und einer Sensorik zur Auswertung eines Reflexionsspektrums verbunden wird, mittels welcher eine Veränderung des Spektrums des in der optischen Faser reflektierten Lichts erfasst wird.
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Die Reflexionswellenlänge des Faser-Bragg-Gitter-Sensors oder der Faser-Bragg-Gitter-Sensoren im unbelasteten Zustand, d. h. bei frei beweglicher Lage der einbettenden optischen Faser in Luft oder im nicht ausgehärteten Klebstoff, ist entweder bekannt oder wird beispielsweise nach dem Verlegen der optischen Faser gemessen.
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Die beim Aushärten des Klebstoffs entstehende Eigenspannung der Klebstoffschicht bewirkt eine Kraft auf die nun stoffschlüssig mit der Klebstoffschicht verbundene optische Faser. Wirkt diese Kraft in Längsrichtung eines Abschnitts der optischen Faser, so wird die Länge dieses Abschnitts der optischen Faser, und somit die Gitterkonstante eines in diesem Abschnitt befindlichen Faser-Bragg-Gitter-Sensors verändert.
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Ein Vergleich der Reflexionswellenlänge eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors nach dem Aushärten mit der Reflexionswellenlänge im unbelasteten Zustand ermöglicht somit eine Aussage über die Intensität der Eigenspannung in der Klebstoffschicht am Ort des Faser-Bragg-Gitter-Sensors in Richtung des einbettenden Abschnitts der optischen Faser.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden mehrere Faser-Bragg-Gitter-Sensoren in einer oder mehreren optischen Fasern in die Klebstoffschicht eingebracht und deren Reflexionswellenlängen nach dem Aushärten des Klebstoffs mit den jeweiligen Reflexionswellenlängen im unbelasteten Zustand verglichen. Damit kann die räumliche und zeitliche Verteilung der Dehnungen oder Spannungen in der Klebstoffschicht nach Intensität und Richtung ermittelt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Ausführungsform der Erfindung werden Faser-Bragg-Gitter-Sensoren mit unterschiedlichen Gitterkonstanten verwendet, so dass die Zuordnung der Position und/oder der Ausrichtung eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors, und somit die der Verschiebung der Reflexionswellenlänge dieses Faser-Bragg-Gitter-Sensors zugeordnete Eigenspannung, erleichtert wird.
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Beispielsweise sind entlang einer mäanderförmig verlegten optischen Faser Faser-Bragg-Gitter-Sensoren so angeordnet, dass sich Faser-Bragg-Gitter-Sensoren mit einer ersten Gitterkonstante in Abschnitten der optischen Faser befinden, die parallel ausgerichtet sind, und dass sich Faser-Bragg-Gitter-Sensoren mit einer zweiten Gitterkonstante in Abschnitten der optischen Faser befinden, die senkrecht zu den erstgenannten Abschnitten ausgerichtet sind.
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Die Messung der Verschiebung der Reflexionswellenlänge, welche der ersten Gitterkonstante zugeordnet ist, erfolgt somit weitgehend unabhängig von der Messung der Verschiebung der Reflexionswellenlänge, welche der zweiten Gitterkonstante zugeordnet ist. Beide Messungen erlauben in einfacher Weise eine Bewertung der über den gesamten mit Faser-Bragg-Gitter-Sensoren abgedeckten Bereich der Klebstoffschicht anliegenden Eigenspannung.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Reflexionswellenlänge des Faser-Bragg-Gitter-Sensors oder der Faser-Bragg-Gitter-Sensoren im eingebauten Zustand, d. h. bei einer der vorgesehenen Belastung ausgesetzten optischen Faser ermittelt, beispielsweise nach der Montage der Fassadenkonstruktion. Diese Reflexionswellenlänge wird im Folgenden als Referenzwellenlänge bei Normallast bezeichnet.
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Nachfolgende Messungen der Reflexionswellenlänge eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors werden für eine tragende Verklebung mit der jeweiligen Referenzwellenlänge bei Normallast verglichen. Unterscheidet sich eine nachfolgende Messung der Reflexionswellenlänge um mehr als einen vorbestimmten Betrag von der Referenzwellenlänge bei Normallast, so liegt möglicherweise eine Störung der tragenden Verklebung vor, die genauer untersucht und/oder behoben wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der zeitliche Verlauf der Messung der Reflexionswellenlänge eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors untersucht. Beispielsweise werden mittels eines Hochpassfilters Veränderungen der Reflexionswellenlänge im Minuten- oder Stundenbereich, die beispielsweise durch thermische Ausdehnung oder Verkürzung der optischen Faser bewirkt werden, unterdrückt. Ebenso werden mittels eines Tiefpassfilters Veränderungen der Reflexionswellenlänge im Sekunden- oder Millisekundenbereich, die beispielsweise durch Vibrationen an der Fassadenkonstruktion bewirkt werden, unterdrückt.
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Anhand einer Veränderung im gefilterten zeitlichen Verlauf, die einen vorbestimmten Wert überschreitet und/oder die mit einem vorbestimmten, beispielsweise aus Laborversuchen gewonnenen Verlaufsmusters übereinstimmt, wird eine mögliche Störung an der Klebverbindung, in der der zugeordnete Faser-Bragg-Gitter-Sensor befestigt ist, erkannt, die genauer untersucht und/oder behoben wird.
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Diese Variante der Erfindung ist in vorteilhafter Weise von einer Messung der Referenzwellenlänge bei Normallast unabhängig.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Darin zeigen:
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1 schematisch verklebte Glasscheiben mit einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor,
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2 schematisch eine optische Faser mit Faser-Bragg-Gitter-Sensor und
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3–6 schematisch ein Spektren des eingekoppelten transmittierten und reflektierten Lichts eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors bei Dehnung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch zwei als Glasplatten ausgebildete Bauteile 1.1, 1.2 einer Fassadenkonstruktion 1, welche über eine tragende Klebverbindung miteinander verbunden sind.
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Bei der Fassadenkonstruktion 1 kann es sich beispielsweise um eine Glas-Glas oder transluzente Glas-Metall-Konstruktion handeln, deren Teile durch Klebung über die tragende Klebverbindung verbunden sind.
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Die tragende Klebverbindung ist dabei aus mindestens einer Klebstoffschicht 2 gebildet und bewirkt. Es können auch mehrere Klebstoffschichten 2 aufgebracht sein. Die Klebstoffschicht 2 ist beispielsweise aus einen besonders haftenden und härtenden Klebstoff gebildet. Die Klebstoffschicht 2 ist beispielsweise eine Schicht aus Epoxydharz oder Acrylate in einer Dicke von ungefähr 0,5 mm bis 2 mm, insbesondere von 1 mm bis 1,5 mm.
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Innerhalb der Klebstoffschicht 2 ist eine optische Faser 3 mit beispielsweise zwei eingebetteten oder integrierten Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 4, 4' angeordnet. Alternativ kann nur ein oder können mehr als zwei Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 4 in die optische Faser 3 integriert sein.
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Die optische Faser 3 kann dabei zumindest in einem Abschnitt geradlinig verlaufend in der Klebstoffschicht 2 angeordnet sein. Bevorzugt ist die optische Faser 3 mäanderförmig in zumindest einer Schleife in der Klebstoffschicht 2 angeordnet.
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Als optische Faser 3 dient insbesondere eine herkömmliche Glasfaser, z. B. eine Telekommunikationsglasfaser. Die Glasfaser kann mit einer Beschichtung, insbesondere einer Kunststoffbeschichtung versehen sein. Die Glasfaser weist einen Durchmesser von beispielsweise 0,1 mm oder größer, z. B. mit Kunststoffbeschichtung von beispielsweise 0,25 mm auf. Die Klebstoffschicht 2 weist eine an den Durchmesser der optischen Faser 3 angepasste Dicke auf, so dass die optische Faser 3 vollständig vom Klebstoff umgeben in der Klebstoffschicht 2 angeordnet ist. Um eine hinreichend große Haftung der optischen Faser 3 in der Klebstoffschicht 2 sicherzustellen, wird die optische Faser 3 ohne herkömmliche Beschichtung in die Klebstoffschicht 2 eingebracht und mit dieser ausgehärtet.
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Der Faser-Bragg-Gitter-Sensor 4, 4' ist vorzugsweise stoffschlüssig, mittels Klebstoff, in der optischen Faser 3 gehalten.
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An einem Ende der optischen Faser 3 ist eingangsseitig eine Leuchtquelle 4 angeordnet, die Licht 9 in einem breiten Spektralbereich, beispielhaft in 3 im Diagramm dargestellt, in die optische Faser 3 einkoppelt.
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Aufgrund des Bragg-Effekts wird ein Teil des eingekoppelten Lichts an den Faser-Bragg-Gitter-Sensor 4, 4' reflektiert. Dieser reflektierte Teil des Lichts wird am Eingang der optischen Faser 3 ausgekoppelt und einer Sensorik 6 zur Auswertung des Reflexionsspektrums zugeführt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Sensorik 6 zur Auswertung des Reflexionsspektrums einen Reflektor 6.1, z. B. einen mit einem Beugungsgitter versehenen Hohlspiegel, welcher das reflektierte, aus der optischen Faser 3 ausgekoppelte Licht 11, beispielhaft in 4 im Diagramm dargestellt, spektral zerlegt und auf einen fotoelektrischen Sensor 6.2, beispielsweise eine Zeile oder ein Feld von Fotodioden, abbildet.
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Aufgrund der spektralen Zerlegung korrespondieren verschiedene Bereiche des fotoelektrischen Sensors 6.2, beispielsweise verschiedene Fotodioden einer Zeile, mit verschiedenen Wellenlängen λ des reflektierten Lichtes. Eine in einem bestimmten Bereich des fotoelektrischen Sensors 6.2 gemessene elektrische Energie entspricht dabei einer Intensität I des reflektierten Lichtes 11 bei einer bestimmten Wellenlänge λ.
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2 zeigt schematisch den Aufbau eines in die optische Faser 3 integrierten Faser-Bragg-Gitter-Sensors 4 mit zugehörigem Verlauf des Brechungsindex n. Der Faser-Bragg-Gitter-Sensor 4 ist durch einen periodischen Wechsel des Brechungsindex n entlang der Längsausdehnung mit einer Länge l des einbettenden Abschnitts der optischen Faser 3, also entlang der Ausbreitungsrichtung des in der optischen Faser 3 geleiteten Lichts, charakterisiert.
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Jeder Wechsel im Brechungsindex n bewirkt eine Reflexion eines Teils des eingeleiteten oder eingekoppelten Lichts 9. Durch die periodische Anordnung der Wechsel im Brechungsindex n im Abstand der Gitterkonstante g wird eine positive Interferenz des reflektierten Lichts 11 für eine spezifische, von der Gitterkonstante g und dem Verlauf des Brechungsindex n vor und nach dem Wechsel bestimmte Reflexionswellenlänge bewirkt, die als Bragg-Effekt bezeichnet wird.
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Der fotoelektrische Sensor 6.2 ist somit geeignet, das Spektrum des reflektierten Lichts 11, also den Verlauf der Intensität I des reflektierten Lichts 11 in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ zu erfassen, wie es in 4 schematisch dargestellt ist. Aufgrund des Bragg-Effekts weist das Spektrum des reflektierten Lichts 11 ein Intensitätsmaximum bei der Reflexionswellenlänge auf, die durch die Gitterkonstante g und den Brechzahlunterschied entlang des Faser-Bragg-Gitter-Sensors 4 bestimmt wird.
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Analog dazu weist das Spektrum des transmittierten Lichts 10 am nicht dargestellten Ausgang der optischen Faser 3 bei der Reflexionswellenlänge eine Dämpfung auf, wie in 5 dargestellt.
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Eine Dehnung eines Abschnitts einer optischen Faser 3, in welchem sich ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor 4 oder 4' befindet, führt zu einer Vergrößerung der Gitterkonstante g, die einem vergrößerten periodischen Abstand der Wechsel der Brechzahl des Brechungsindex n entspricht. Dies korrespondiert mit einer Verschiebung dλ des Spektrums 11a vor der Dehnung in das Spektrum 11b nach der Dehnung des reflektierten Lichts 11, wie in 6 dargestellt.
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Die Verschiebung dλ des Spektrums 11b kann mittels der Sensorik 6 zur Auswertung eines Reflexionsspektrums erfasst und in eine korrespondierende Längenänderung der optischen Faser 3 im Bereich des Faser-Bragg-Gitter-Sensors 4 umgerechnet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die optische Faser 3 mit den eingebetteten Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 4, 4' so angeordnet, dass ein erster Faser-Bragg-Gitter-Sensor 4 parallel zur Hauptbelastungsrichtung 7 liegt, welche durch die Richtung der auf die Klebverbindung wirkenden resultierenden Kraft gegeben ist. Daher ist die Dehnungswirkung in Längsrichtung des Faser-Bragg-Gitter-Sensors 4 und somit die messbare Verschiebung dλ des Spektrums 11a des reflektierten Lichts 11 gegenüber dem Spektrum 11a besonders groß.
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Die optische Faser 3 mit den eingebetteten Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 4, 4' ist ferner so angeordnet, dass ein zweiter Faser-Bragg-Gitter-Sensor 4' quer zur Hauptbelastungsrichtung 7 liegt. Daher ist die Dehnungswirkung in Längsrichtung des Faser-Bragg-Gitter-Sensors 4' und somit die messbare Verschiebung dλ des Spektrums 11b des reflektierten Lichts 11 besonders klein.
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Diese Ausführungsform der Erfindung ist geeignet, eine richtungsspezifisch entlang der Längsrichtung des Faser-Bragg-Gitter-Sensors 4 wirksame Dehnung von einer nicht richtungsspezifischen Dehnung, wie sie beispielsweise durch temperaturbedingte Ausdehnung oder Schrumpfung einer optischen Faser 3 bewirkt wird, zu unterscheiden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dieser Ausführungsform der Erfindung unterscheiden sich die Gitterkonstanten g des ersten Faser-Bragg-Gitter-Sensors 4 und des zweiten Faser-Bragg-Gitter-Sensors 4' voneinander. Hiermit wird bewirkt, dass die durch die Belastung an der Klebstoffschicht 2 und Umwelteinflüsse hervorgerufenen Änderung der Reflexionswellenlänge des ersten Faser-Bragg-Gitter-Sensors 4' weitgehend unabhängig von der nur durch Umwelteinflüsse hervorgerufenen Änderung der Reflexionswellenlänge des zweiten Faser-Bragg-Gitter-Sensors 4' messbar ist, so dass der Aufwand zur Auswertung der Messergebnisse in vorteilhafter Weise sinkt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Sensorik 6 zur Auswertung eines Reflexionsspektrums eine Vorrichtung zur punktweisen Messung der Intensität I des reflektierten Lichtes 11 an ausgewählten Wellenlängen λ oder über ausgewählte Wellenlängenbereiche. Beispielsweise ist bei einer Intensitätsmessung eine Drift der Reflexionswellenlänge außerhalb des vorbestimmten Wellenlängenbereichs feststellbar, wenn die Intensitätsmessung auf einen vorbestimmten, die Reflexionswellenlänge in einem bestimmten Referenzzustand, beispielsweise im Einbauzustand unter vorbestimmter Last, umfassenden Wellenlängenbereich umfasst.
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Damit kann das Über- oder Unterschreiten von bestimmten, zum vorbestimmten Wellenlängenbereich korrespondierenden Belastungswerten detektiert werden. In vorteilhafter Weise ist bei dieser Ausführungsform der Erfindung der messtechnische Aufwand verringert, da eine spektral aufgelöste Intensitätsmessung vermieden wird. Beispielsweise besteht hierbei der fotoelektrische Sensor 6.2 aus einer einzigen Fotodiode, deren Empfangsfläche nach Ausdehnung und Anordnung relativ zum Reflektor 6.1, z. B. einem Hohlspiegel mit Beugungsgitter, den Wellenlängenbereich festlegt, über welchem die Intensität I des reflektierten Lichts 11 integriert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fassadenkonstruktion
- 1.1, 1.2
- Bauteile der Fassadenkonstruktion
- 2
- Klebstoffschicht
- 3
- optische Faser
- 4, 4'
- Faser-Bragg-Gitter-Sensor
- 5
- Leuchtquelle
- 6
- Sensorik zur Auswertung eines Reflexionsspektrums
- 6.1
- Reflektor mit Beugungsgitter
- 6.2
- Sensor
- 7
- Hauptbelastungsrichtung
- 9
- eingekoppeltes Licht
- 10
- transmittiertes Licht
- 11
- reflektiertes Licht
- 11a
- Spektrum des reflektierten Lichts vor Veränderung
- 11b
- Spektrum des reflektierten Lichts nach Veränderung
- g
- Gitterkonstante
- n
- Brechungsindex
- l
- Länge
- I
- Intensität
- λ
- Wellenlänge
- dλ
- Verschiebung