DE3902997C1 - - Google Patents

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DE3902997C1 DE3902997A DE3902997A DE3902997C1 DE 3902997 C1 DE3902997 C1 DE 3902997C1 DE 3902997 A DE3902997 A DE 3902997A DE 3902997 A DE3902997 A DE 3902997A DE 3902997 C1 DE3902997 C1 DE 3902997C1
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Rainer Dr. 5226 Reichshof De Lessing
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Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Überwachung eines Brückenbauteils mit einem Lichtwellenleiter-Biegesensor, der einen Multimode-Lichtwellenleiter aufweist, der am Brückenbauteil in geraden und gekrümmten Abschnitten angeordnet ist und an dem einen Ende mit einem Lichtsender und an dem anderen Ende mit einem Lichtempfänger verbunden ist.
Eine entsprechende Einrichtung geht aus der DE 33 05 234 C2 her­ vor. Dort ist ein Lichtwellenleiter-(LWL)Sensor beschrieben, bei dem der LWL zunächst von einer inhomogen strukturierten Kunst­ stoffschicht umschlossen und dann in einen zugfesten Draht aus faserverstärktem Kunststoff eingeschlossen ist. Verbindet man einen solchen LWL-Sensor mechanisch fest mit dem zu überwachenden Objekt und optisch mit einem Licht-Durchgangsprüfgerät, so kann man mit dieser Einrichtung das Objekt auf Zug, Bruch oder Biegung überwachen. Als Beispiel ist die Überwachung einer Brücke aus Spannbeton angegeben, in die der LWL-Sensor mäanderförmig, d. h. in geraden und gekrümmten Abschnitten, eingelegt ist. Die beiden Meßenden des LWL sind auf einer Brückenstirnseite herausgeführt und mit einem Licht-Durchgangsprüfgerät, das im wesentlichen aus einem Lichtsender und einem Lichtempfänger besteht, verbunden. Für das Folgende ist weniger die Ausbildung des LWL-Sensors als vielmehr dessen Anordnung am Meßobjekt wichtig. In jenem Fall funktionieren die geraden Abschnitte des LWL als Sensoren, die gekrümmten Abschnitte dagegen als Leitungen.
Eine ähnliche, etwas allgemeinere Einrichtung geht aus der DE 30 15 391 A1 hervor, wo mehrere Verfahren zur Kontrolle von zu über­ wachenden physikalischen Belastungsgrößen an oder in einem Bau­ teil angegeben sind. Darunter ist auch angegeben, daß die Licht­ leiter im Bauteil oder die Lichtleitfasern in ihren Hüllen mäan­ der-, wellen- oder wendelförmig angeordnet sein können. Zu dieser Anordnung ist nur der kurze Vermerk gemacht, sie diene zur Über­ wachung größerer Verformungen.
Des weiteren ist aus dem englischen Abstract der offengelegten japanischen Patentanmeldung Kokai 53-77 653 ein Verformungsde­ tektor bekannt, bei dem eine Vereinfachung der Einrichtung und der Wegfall der Notwendigkeit von Rauschmessungen durch das An­ bringen einer leicht zu brechenden optischen Faser (LWL) an dem Meßobjekt und das Entdecken der abnormalen Verformung des Meßob­ jekts mittels ihres Brechens erreicht werden soll. Zu diesem Zweck ist, um die Schweißzone einer Rohrleitung zu überqueren, eine optische Detektor-Faser durch Anpassen von Länge, Spannung usw. mit Detektor-Stützen über die Schweißzone gespannt. Wenn nun die optische Faser infolge der Verformung, abnormalen Erschütte­ rung usw. der Schweißzone bricht, wird die Lichtleitung unmöglich und das Ausgangssignal eines Verstärkers wird Null. Auch bei die­ ser Einrichtung funktioniert nur der zwischen den Stützen ge­ spannte, gerade Abschnitt des LWL als Sensor, wogegen die daran anschließenden, frei geführten, gekrümmten Abschnitte als reine Leitungen funktionieren.
Im Gegensatz dazu liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingangs angegebene Meßeinrichtung so auszubilden und dabei den mäanderförmigen LWL an der zu messenden Dehnungsstelle an dem Brückenbauteil so anzubringen ist, daß die ge­ krümmten Abschnitte des LWL als Sensoren funktionieren, daß also bei Dehnung eine Veränderung des Biegeradius und damit der Licht­ dämpfung des LWL erfolgt.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Die Lösung besteht im wesentlichen darin, daß
  • a) der LWL auf einer länglichen Platte angeordnet ist, deren Un­ terseite auf dem Bauteil aufklebbar ist,
  • b) die Oberseite der Platte eine Längsnut hat, in der zwei Gleitschienen mit einem Zwischenraum in der Plattenmitte angeordnet sind und jede Schie­ ne am äußeren Ende mit der Platte fest verschraubt, jedoch am inneren Ende mittels Langloch beweglich ist, und
  • c) der LWL auf den Gleitschienen längs festgeklebt, aber im Zwischenraum in einem Bogen frei beweglich angeordnet ist.
Die Empfindlichkeit des Sensors wird verdoppelt, wenn gemäß An­ spruch 2 der LWL vom einen zum anderen Plattenende und wieder zurück geführt wird. Damit sind zwei als Sensoren wirkende LWL- Bögen ausgebildet. Zudem erhält man den Vorteil, daß die LWL-An­ schlüsse für Sender und Empfänger beieinander liegen.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht im wesentlichen darin, daß man eine einfach zu bauende Meßeinrichtung mit einem hochempfindlichen LWL-Biegesensor zur Überwachung von Brücken­ bauteilen erhält. Hier funktionieren nur die bo­ genförmigen gekrümmten Abschnitte des LWL als Sensoren.
Die weiteren Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltun­ gen der Erfindung, so Anspruch 3 die Umhüllung des LWL und 4 bis 6 den Aufbau der Meßeinrichtung aus Platte, Deckel und den verschiedenen Gehäusen für Sender und Empfänger.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 die Draufsicht auf einen Dehnungs-Biegesensor (Prinzip­ bild der Plattenoberseite) mit zwei LWL-Sensorbögen in der Mitte und Sender/Empfänger-Anschlußraum rechts,
Fig. 2 die dazugehörende Schräg/Draufsicht des Mittelteils,
Fig. 3 das Anschlußende der Sensor-Meßeinrichtung mit Platte, Deckel und Sender/Empfänger-Einzelgehäusen, und
Fig. 4 das entsprechende Bild mit dem über die Einzelgehäuse greifenden Aufnahmegehäuse.
Die Fig. 1 zeigt im Prinzip, wie der LWL 1 auf der länglichen Platte 2, die aus einem artgleichen Material wie das Bauteil, beispielsweise aus Aluminium besteht, angeordnet ist. Die Unter­ seite der Platte ist plan, und sie wird mittels eines Konstruk­ tionsklebers auf dem Bauteil aufgeklebt.
Die Oberseite 3 der Platte hat in der Längsachse eine Nut, in der die beiden Gleitschienen 4 und 4′, jede von etwa 1/3 Plattenbrei­ te und 1/3 Plattenlänge, mit einem Zwischenraum 5 in der Platten­ mitte und einem Freiraum an jedem Plattenende angeordnet sind. Der Zwischenraum 5 dient als Sensorraum. Jede Gleitschiene 4 bzw. 4′ ist am äußeren Ende mittels einer Schraube 6 mit der Platte 2 fest verbunden, jedoch am inneren Ende mittels eines Langlochs 7 und eines Führungsstiftes in der Plattenlängsachse beweglich.
Der LWL 1 ist vom einen zum anderen Plattenende wie folgt ge­ führt: auf der einen Gleitschiene 4 längs festgeklebt, im Zwi­ schenraum 5 in einem Bogen frei beweglich zur anderen Schiene und auf dieser Schiene 4′ ebenso längs festgeklebt. Die festen Leitungsabschnitte L der LWL auf den Schienen dienen der optischen Leitung.
Die Empfindlichkeit des Sensors wird jedoch verdoppelt, wenn, wie Fig. 1 zeigt, der LWL 1 diesseits der Plattenlängsachse von einem Plattenende (dem An­ schlußraum) zum anderen Plattenende (dem Umlenkraum) geführt, dort in einer Schleife U umgelenkt, und jenseits der Platten­ längsachse in spiegelbildlicher Anordnung wieder zurückgeführt wird. Damit sind zwei als Sensorabschnitte 5 wirkende LWL-Bögen ausge­ bildet.
Der Biegeradius der Schleife U darf nicht kleiner als 10 mm sein, weil sonst die Grunddämpfung zu groß und damit der Sensoreffekt überdeckt würde. Der Umlenkraum bietet genügend Platz.
Zur Biegungsmessung an einer Brücke wird die Sensoreinrichtung (Unterseite der Platte 2) im Bereich des Unterzugs aufgeklebt. Die zu messende Biegung wird zunächst in eine entsprechende Deh­ nung umgewandelt und auf die Platte übertragen. Dort wird sie mittels der Gleitschienen in eine proportionale Biegeradiusver­ änderung des LWL übergeführt, und daraus wird die Lichtdämpfung hergeleitet, die nun ein Maß für die Dehnung bzw. Durchbiegung der Brücke ist. Die Lichtdämpfung ist eine umgekehrt proportiona­ le Meßgröße für den Abstand der beiden Gleitschienen voneinander. Die Meßempfindlichkeit kann je nach dem anfänglichen LWL-Biege­ radius und Schienenabstand in weiten Bereichen variiert werden (hohe Empfindlichkeit bei starker Krümmung und engem Abstand).
Die Fig. 2 zeigt Einzelheiten der praktischen Ausbildung der Meß­ einrichtung. Der von einer harten Sekundärbeschichtung umgebende LWL 1 ist auf jeder Gleitschiene 4 bzw. 4′ im äußeren Bereich von einem PVC-Schlauch 8, und im Bereich des inneren Schienenendes von einem etwa 0,6 mm dicken Stahlröhrchen 9 unmittelbar eng an­ liegend umgeben, die beide mittels Kontruktionskleber auf der Schiene befestigt sind. Der Schlauch dient zum Schutz des Leitungsabschnitts L des LWL, der Einschluß in den Stahlröhrchen fördert die zwangsweise Biegung des Sensorabschnitts S. - Der frei bewegliche LWL-Bogen ist von einem Silikonschlauch 10 umgeben, was die mechanische Stabilität des Sensors wesentlich fördert.
Das Sensorgehäuse ist zweischalig ausgeführt. Die Oberseite 3 der Platte 2 hat einen erhabenen Rand mit einer umlaufenden Nut für eine Silikondichtung 11 zur Feuchteabdichtung. Darauf wird ein entsprechender plattenförmiger Deckel 12 gesetzt und mit der Platte verschraubt, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Darauf ist im Bereich des Anschlußendes ein quaderförmiges Gehäuse 16 (siehe Fig. 4) zur Aufnahme des Sendergehäuses 14 und der beiden Empfängergehäuse 15 geschraubt, von wo aus der LWL 1 durch eine Bohrung 13 in den Anschlußraum der Platte geführt ist. - Diese Bauweise erleichtert nicht nur die Anbringung des Sensors an den beanspruchten Bauteilen, sondern auch den Zugang zu den einzelnen Sensorbauteilen auch nach der Anbringung.
Wie die Fig. 3 und 4 weiter zeigen, ist vom Lichtsender zum -em­ pfänger neben dem LWL 1 als Sensor ein diesem gleicher Referenz-LWL geführt. Im quaderförmigen Gehäuse 16 sind angeordnet: das Sendergehäuse 14 für die Sendediode mit Einkopplung in die beiden LWL und die beiden Empfängergehäuse 15 für je eine Silizium-Fotodiode mit integriertem Verstärker. Und in der äußeren Stirnfläche des quaderförmigen Gehäuses 16 ist eine wasserdichte 6-polige Buchse 17 für die elektrische Lei­ tung zum Meßraum für Versorgungsspannungen und Meßsignale ange­ ordnet.
Als Lichtsender dient eine IR-LED mit kleinem Abstrahlwinkel. Zur Erhöhung der Lichtausbeute ist sie bis in die Nähe des Targets abgeschliffen und anschließend wieder klarpoliert. Das Licht der LED (λ = 850 nm) wird in die zwei gleichen LWL (Sensor-LWL und Referenz-LWL zur Überwachung der Sendeleistung der LED) eingekop­ pelt. Da man davon ausgehen kann, daß die beiden Empfangsdioden, da aus der gleichen Charge genommen, auch gleiche Alterungseigen­ schaften haben, ist dieser Aufbau ohne Strahlteiler gerechtfer­ tigt. Die eingesetzten Silizium-Fotodioden mit integriertem Ver­ stärker sind auch hinsichtlich ihres Temperaturverhaltens paar­ weise ausgesucht. - Die Montage der Dioden ist unkritisch. Die Sendedioden haben einen noch genügend großen Abstrahlwinkel, um genügend Licht in beide LWL einzukoppeln. Die Empfangsdioden be­ sitzen eine Empfangsfläche von 4 mm2, was in aller Regel die LWL- Justierung vor dieser Fläche einfach werden läßt.

Claims (6)

1. Meßeinrichtung zur Überwachung eines Brückenbauteils mit einem Lichtwellenleiter-Biegesensor, der einen Multimode-Lichtwellen­ leiter aufweist, der am Brückenbauteil in geraden und gekrümmten Abschnitten angeordnet ist und an dem einen Ende mit einem Licht­ sender und an dem anderen Ende mit einem Lichtempfänger verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der Lichtwellenleiter (1) auf einer länglichen Platte (2) aus einem gleichen oder ähnlichen Werkstoff wie das Brückenbau­ teil angeordnet ist, wobei die Unterseite der länglichen Platte (2) plan und auf dem Brückenbauteil aufklebbar ist,
  • - die Oberseite (3) der länglichen Platte (2) eine Längsnut hat, in der zwei Gleitschienen (4, 4′), jede von etwa 1/3 der Breite und 1/3 der Länge der länglichen Platte (2), derart angeordnet sind, daß sie zwischen ihren jeweiligen inneren Enden einen Zwi­ schenraum (Sensorraum 5) und an ihren jeweiligen äußeren Enden je einen Freiraum bilden,
  • - jede Gleitschiene (4, 4′) an ihrem jeweiligen äußeren Ende mit der länglichen Platte (2) fest verschraubt ist (6), jedoch an ihrem jeweiligen inneren Ende mittels eines Langlochs (7) und eines Führungsstiftes in der Längsmittelachse der länglichen Platte (2) beweglich ist,
  • - und daß der Lichtwellenleiter (1) auf der einen Gleitschiene (4) in Längsrichtung festgeklebt ist (Leitungsabschnitt L), im Zwischenraum (5) in einem Bogen frei beweglich zur anderen Gleit­ schiene (4′) geführt ist (Sensorabschnitt S) und auf der anderen Gleitschiene (4′) ebenso in Längsrichtung festgeklebt ist.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (1) auf der einen Seite der Längsmittelach­ se der länglichen Platte (2) von deren einem Ende (Anschlußraum) zu deren anderem Ende (Umlenkraum) geführt, an dem anderen Ende in einer Schleife (U) umgelenkt und auf der anderen Seite der Längsmittelachse spiegelbildlich zurückgeführt ist.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der Lichtwellenleiter (1) von einer harten Sekundärbeschichtung umgeben ist,
  • - daß dieser Lichtwellenleiter auf jeder Gleitschiene (4, 4′) im Bereich des äußeren Endes von einem PVC-Schlauch (8) und im Be­ reich des inneren Endes von einem etwa 0,6 mm dicken Stahlröhr­ chen (9) eng anliegend umgeben ist, die jeweils mittels Konstruk­ tionskleber auf der Schiene befestigt sind,
  • - und daß der Lichtwellenleiter in dem jeweiligen bogenförmigen Sensorabschnitt (S) von einem Silikonschlauch (10) umgeben ist.
4. Meßeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Oberseite der länglichen Platte (2) einen erha­ benen Rand mit einer umlaufenden Nut für eine Silikondichtung (11) hat und auf den erhabenen Rand ein entsprechender platten­ förmiger Deckel (12) geschraubt ist,
  • - und daß auf den plattenförmigen Deckel (12) im Bereich der En­ den des Lichtwellenleiters (1) ein quaderförmiges Gehäuse (16) zur Aufnahme des Sendergehäuses (14) und des Empfänger­ gehäuses (15) geschraubt ist, von wo aus der Lichtwellenleiter (1) durch eine Bohrung (13) im plattenförmigen Deckel (12) in den vom plattenförmigen Deckel (12), der länglichen Platte (2) und dem erhabenen Rand gebildeten Raum geführt ist.
5. Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß vom Lichtsender im Sendergehäuse (14) zum Lichtempfänger im Empfängergehäuse (15) neben dem als Biegesensor dienenden Licht­ wellenleiter (1) ein diesem gleicher Lichtwellenleiter als Refe­ renzlichtwellenleiter geführt ist,
  • - daß im quaderförmigen Gehäuse (16) angeordnet sind: ein Sender­ gehäuse (14) für den Lichtsender samt einer Einrichtung zur Lichteinkopplung in die beiden Lichtwellenleiter und je ein Empfängergehäuse (15) für den jeweiligen Lichtempfänger samt integriertem Verstärker,
  • - und daß in der äußeren Stirnfläche des quaderförmigen Gehäuses (16) eine Buchse (17) für die elektrische Leitung zum Meß­ raum angeordnet ist.
6. Meßeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die längliche Platte (2), der plattenförmige Deckel (12) und die jeweiligen Gehäuse aus Aluminium sind.
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