DE102011084579B4 - Apparatus and method for monitoring the condition of an adhesive bond - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Überwachung des Zustands einer Klebverbindung zwischen mindestens zwei Fügepartnern, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Faser (3) in eine Klebstoffschicht (2), welche die Klebverbindung mindestens teilweise bewirkt, stoffschlüssig eingefügt ist, wobei die optische Faser (3) mindestens zwei im Bereich der Klebstoffschicht (2) liegende faseroptische Dehnungssensoren umfasst und mittels optischer Verbindungen Licht von mindestens einer Leuchtquelle (5) in die optische Faser (3) einkoppelbar und in der optischen Faser (3) reflektiertes Licht (11) an eine Sensorik (6) zur Auswertung eines Reflexionsspektrums auskoppelbar ist und wobei die optische Faser (3) so in die Klebstoffschicht (2) eingebracht ist, dass mindestens ein erster, einen ersten faseroptischen Dehnungssensor umfassender Abschnitt der optischen Faser (3) in einem definierten Winkel zu einem zweiten, einen zweiten faseroptischen Dehnungssensor umfassenden Abschnitt der optischen Faser (3) angeordnet ist.Device for monitoring the state of an adhesive bond between at least two joining partners, characterized in that an optical fiber (3) is adhesively inserted into an adhesive layer (2) which at least partially effects the adhesive bond, wherein the optical fiber (3) has at least two in the Fiber optic strain sensors lying region of the adhesive layer (2) and by means of optical connections light from at least one light source (5) in the optical fiber (3) coupled and in the optical fiber (3) reflected light (11) to a sensor (6) for Evaluation of a reflection spectrum can be coupled out and wherein the optical fiber (3) is introduced into the adhesive layer (2), that at least a first, a first fiber optic strain sensor comprehensive portion of the optical fiber (3) at a defined angle to a second, a second fiber optic strain sensor comprehensive section of the optical fiber (3) arranged is.

Description

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.The invention relates to a method and a device for monitoring the state of an adhesive bond between joining partners, in particular between components of a facade construction and / or between a component of a facade construction and a facade support frame.

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.Modern buildings are provided with facade constructions made of glued components. For example, all-glass constructions carrying novel adhesives can be produced. Here, adhesive bonds, in particular load-bearing adhesive bonds, play an important role in mechanically and thermally stressed components. Adhesives age as a result of climatic influences. The quality of an adhesive bond between components is very difficult to check when installed.

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.In the DE 198 38 510 A1 there is described a method and apparatus for monitoring the condition of a structural bond between a backing and a member adhered to the backing, in which a control bond is provided between the backing and the member in addition to the structural adhesive which is subjected to a predetermined additional load. The predetermined additional load is applied for example by a pulling device.

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.From the WO 2006/057482 A1 For example, a method for monitoring adhesive bonds is known, in which a piezoelectric material or an electrically conductive material is mixed with the adhesive and by means of which the bonded components are electrically connected, wherein an electric current is generated by the bonded components. From the measured amount of electric charges transported between the bonded components, damage to the adhesive joint is detected and the residual life of the bonded structure is predicted based on data establishing a correlation between the charge amount and the predetermined life.

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.In the DE 10 2005 030 751 A1 an optical strain gauge is disclosed, which consists of a planar support layer, preferably made of plastic and a cover layer, between which at least one optical waveguide is arranged non-positively. The optical waveguide has at least one section with a Bragg grating for detecting the elongation of a deformation body or of another component area. The invention is characterized in that the optical waveguide is embedded within at least one provided guide channel in the carrier film as a carrier layer. This guide channel with the optical waveguide and the Bragg grating embossed therein is closed with a covering film as cover layer, which consists of the same material as the carrier film.

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.In the WO 2003/050492 A1 a strain sensor is disclosed which is suitable for measuring a voltage between paired components. This strain sensor is preferably suitable for the measurement of a shear stress without consideration of a component perpendicular to the shear stress. The load sensor comprises two walls and crossed sensor elements. The stress sensor is integrated into an adhesive layer between a solid propellant and an insulating layer for use in a solid propellant engine. The sensor elements are designed as optical fibers with Fabry-Perot strain gauges and use Fizeau interferometers as output elements.

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.The US 5,265,475 A discloses a system for detecting connection failures between at least two joining partners, in which optical fibers of different lengths are brought in a surveillance area between the joining partners, wherein signals detected by the optical fibers are evaluated by means of an electro-optical analysis circuit. The optical fibers extend in a transverse direction transverse to the direction of force transmission between the joined joining partners. Due to the different lengths of the individual optical fibers, the monitoring area is subdivided into discrete partial areas, so that a mechanical tension between the joining partners is measured in each case integrated over the length of a single optical fiber. The optical fibers are connected to a laser, a detector circuit and a network analyzer. Signals evaluated by the network analyzer are compared to reference signals so that link failures can be detected and quantified. Depending on a preset limit value, an alarm may be triggered or a damage repair initiated. This system can be used as a static failure detection system or as a real-time system to generate and customize a customizable library of reference signals.

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.The US 5,841,034 A discloses a method for testing and / or monitoring adhesive bonds by inserting transducers into a mechanical force or stress field that is affected by movement of the joining partners associated with the adhesive bond. Thus, the power transmission between the joining partners can be detected and the integrity of the adhesive bond can be evaluated. For this purpose, measured values are recorded at different loads of the adhesive bond and with Measured values of analog loads compared to the installation time.

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. EP 1 664 700 B1 describes a method and an arrangement for monitoring temperature and mechanical stress by means of fiber Bragg grating sensors, in particular for monitoring thermal protection coatings on metal parts in steam or combustion turbines. In this case, at least one fiber Bragg grating sensor is embedded in such a thermal protection coating. Here, temperature change and / or mechanical stress via a change in the lattice constant of the fiber Bragg grating sensor can be measured.

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.The invention is based on the object of specifying an improved method and an improved device for monitoring the condition of an adhesive bond between at least two joining partners.

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.The object is achieved in terms of the device according to the invention by the features specified in claim 1. With regard to the method, the object is achieved by the features specified in claim 7 or 8 features.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

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.In an apparatus for monitoring the state of an adhesive bond between joining partners, according to the invention, an optical fiber is inserted into an adhesive layer which at least partially effects the adhesive bond, the optical fiber comprising at least one fiber-optic sensor located in the region of the adhesive layer and light of at least a broadband light source can be coupled into the fiber and light reflected in the optical fiber can be coupled out to a sensor system for evaluating a reflection spectrum.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist dabei wenigstens ein faseroptischer Dehnungssensor ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor.In a particularly preferred embodiment of the invention, at least one fiber-optic strain sensor is a fiber Bragg grating sensor.

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.Fiber Bragg grating sensors have periodic changes in refractive index in the fiber core in the longitudinal direction of the embedding optical fiber. At each point with a refractive power change, part of the light conducted in the optical fiber is reflected. The periodic arrangement of the refractive power changes in the longitudinal direction of the optical fiber, ie in the propagation direction of the light, a positive interference of the reflected light is effected at a wavelength which is proportional to the periodic distance of the refractive power change, hereinafter referred to as lattice constant. This wavelength, which corresponds to the lattice constant, is referred to below as the reflection wavelength.

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.If light with a broad spectral distribution comprising at least the reflection wavelength and adjacent wavelength range is coupled into an optical fiber with a fiber Bragg grating sensor, light reflected at the input of the optical fiber exits at an intensity maximum at the reflection wavelength , Accordingly, the transmitted light emerging at the output of the optical fiber has an attenuation of the intensity at the reflection wavelength.

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.An elongation of the fiber Bragg grating sensor in the longitudinal direction of the optical fiber causes an enlargement of the lattice constant and thus a shift of the reflection wavelength to larger wavelengths. Accordingly, compression of the fiber Bragg grating sensor in the longitudinal direction of the optical fiber causes a reduction of the lattice constant and thus a shift of the reflection wavelength to shorter wavelengths. Strain and compression of the fiber Bragg grating sensor transversely to the longitudinal direction of the optical fiber, however, cause no or compared to the aforementioned shifts only small changes in the reflection wavelength.

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.According to the invention, an optical fiber with at least one fiber-optic strain sensor, preferably a fiber Bragg grating sensor, is introduced into an adhesive layer between components of a facade construction. After curing of the adhesive, the fiber-optic strain sensor is firmly bonded to the adhesive layer and via this with the bonded components.

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.The function of the fiber optic strain sensor will now be described for the case where it is designed as a fiber Bragg grating sensor. However, the same applies to other fiber optic strain sensors that reflect light, the reflection spectrum depends on their length.

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.An internal stress in the adhesive layer, which is built up during curing in the region of the cohesively connected fiber Bragg grating sensor, acts as a tensile or compressive force on the fiber Bragg grating sensor. Similarly, a voltage applied from the outside acts as a tensile or compressive force on a fiber Bragg grating sensor. For example, the externally applied stress is caused by the weight of a load carried by the adhesive bond. The tensile or compressive force causes a strain or compression of the fiber Bragg grating sensor, which then as a shift of the reflection wavelength relative to Reflection wavelength of the unloaded fiber Bragg grating sensor is measured when the force acts in the longitudinal direction of the fiber Bragg grating sensor surrounding part of the optical fiber.

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.With the device according to the invention, it is therefore possible indirectly to determine forces acting in the region of the embedding adhesive layer by evaluating the measured reflection wavelength relative to the known reflection wavelength of the unloaded fiber Bragg grating sensor. Thus, for example, the residual stress in the adhesive layer after curing can be measured and evaluated.

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.Advantageously, such a device can be used to nondestructively monitor the reliability of power transmission by structural adhesive bonds to built-in components by determining temporal changes in the measured reflection wavelength and / or changes in the measured reflection wavelength relative to the reflection wavelength of the unloaded fiber Bragg grating sensor.

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.With the invention it is achieved that this measurement of the reliability of the power transmission with little effort, automated and takes place over a large number of measuring points. The optical measuring principle of the invention achieves independence from electrical and / or electromagnetic interference, and thus increased sensitivity and robustness against electrical, for example piezoelectric or resistive measuring methods. Furthermore, this device is advantageously independent of drift and aging effects, as they occur in piezoelectric and resistive sensors, and provides comparable measured values over the entire lifetime of an adhesive bond.

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.Advantageously, the invention also allows the use of integrated, prefabricated fiber Bragg grating strain sensors, such as those used for temperature measurement tasks, since the attachment methods for these fiber Bragg grating strain sensors are the same or similar in adhesive layer thicknesses and adhesive systems the fastening method for components of a facade construction are.

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.Another advantage of the invention is the high temporal resolution achievable for the measurement. This makes it possible to detect dynamic load effects, for example vibrations, on the facade construction and / or components bonded thereto.

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.In a further advantageous embodiment of the invention, an optical fiber having at least two fiber Bragg grating sensors is introduced into the adhesive layer such that at least a first portion of the optical fiber with a first fiber Bragg grating sensor parallel to the main load direction and at least a second portion of the optical fiber is arranged with at least one second fiber Bragg grating sensor transverse to the main loading direction. This causes changes in the lattice constants and thus the reflection wavelengths of the embedded fiber Bragg grating sensors, which are independent of the stress acting on the adhesive layer, for example, an expansion or shortening of the optical fiber by increasing or decreasing the temperature of a change in the lattice constant of at least one fiber Bragg grating sensor can be distinguished, which is caused by the force acting on the adhesive layer load. Advantageously, this results in a higher independence of the measurement against different measuring and environmental conditions.

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.In a further advantageous embodiment of this embodiment of the invention, a fiber Bragg grating sensor is arranged so that it detects regardless of the other fiber Bragg grating sensors environmental influences, especially the temperature here. Thus, the environmental influences can be compensated with the same measuring principle, so that the effort to evaluate the measurement results decreases in an advantageous manner.

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.In a further advantageous embodiment of the invention, the sensor system for evaluating a reflection spectrum comprises a device for pointwise measurement of the intensity of the reflected light at selected wavelengths or over selected wavelength ranges. For example, in the case of an intensity measurement which integrates over a predetermined wavelength range which includes the reflection wavelength in a specific reference state, for example in the installed state under a predetermined load, a drift of the reflection wavelength can be detected outside the predetermined wavelength range.

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.Thus, the exceeding or falling below of certain, corresponding to the predetermined wavelength range load values can be detected. Advantageously, the metrological effort is reduced in this embodiment of the invention, since a spectrally resolved intensity measurement is avoided.

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.The device according to the invention is particularly advantageous for monitoring the condition of an adhesive bond between components a facade construction and / or between a component of a facade construction and a facade support frame.

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.In a method of operating a device for monitoring the state of an adhesive bond between joining partners, an optical fiber is inserted into an adhesive layer which, when cured, at least partially effects the adhesive bond, before or after curing, wherein the optical fiber is at least one in the region of the adhesive layer lying fiber Bragg grating sensor and is connected by means of optical connections with at least one light source and a sensor for evaluating a reflection spectrum, by means of which a change in the spectrum of the reflected light in the optical fiber is detected.

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.The reflection wavelength of the fiber Bragg grating sensor or the fiber Bragg grating sensors in the unloaded state, d. H. in a freely movable position of the embedding optical fiber in air or uncured adhesive, is either known or measured for example after laying the optical fiber.

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.The resulting during curing of the adhesive residual stress of the adhesive layer causes a force on the now cohesively connected to the adhesive layer optical fiber. If this force acts in the longitudinal direction of a section of the optical fiber, the length of this section of the optical fiber, and thus the lattice constant of a fiber Bragg grating sensor located in this section, is changed.

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.A comparison of the reflection wavelength of a fiber Bragg grating sensor after curing with the reflection wavelength in the unloaded state thus allows a statement about the intensity of the residual stress in the adhesive layer at the location of the fiber Bragg grating sensor in the direction of the embedding section of the optical Fiber.

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.In an advantageous embodiment of the invention, a plurality of fiber Bragg grating sensors are incorporated in one or more optical fibers in the adhesive layer and compared their reflection wavelengths after curing of the adhesive with the respective reflection wavelengths in the unloaded state. Thus, the spatial and temporal distribution of strains or stresses in the adhesive layer can be determined by intensity and direction.

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.In an advantageous embodiment of this embodiment of the invention, fiber Bragg grating sensors are used with different lattice constants, so that the assignment of the position and / or orientation of a fiber Bragg grating sensor, and thus the displacement of the reflection wavelength of this fiber -Bragg grid sensor associated residual stress, is facilitated.

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.For example, along a meander-laid optical fiber, fiber Bragg grating sensors are arranged such that fiber Bragg grating sensors having a first grating pitch are located in portions of the optical fiber that are aligned in parallel, and that fiber Bragg gratings Grid sensors with a second lattice constant are located in sections of the optical fiber which are aligned perpendicular to the former sections.

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.The measurement of the shift of the reflection wavelength, which is assigned to the first lattice constant, thus takes place largely independently of the measurement of the shift of the reflection wavelength, which is assigned to the second lattice constant. Both measurements allow in a simple manner an assessment of the residual stress applied over the entire area of the adhesive layer covered by fiber Bragg grating sensors.

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.In a further embodiment of the invention, the reflection wavelength of the fiber Bragg grating sensor or the fiber Bragg grating sensors in the installed state, i. H. determined at one of the intended load exposed optical fiber, for example after assembly of the facade construction. This reflection wavelength is referred to below as the reference wavelength at normal load.

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.Subsequent measurements of the reflection wavelength of a fiber Bragg grating sensor are compared for load bearing bonding with the respective reference wavelength at normal load. If a subsequent measurement of the reflection wavelength differs by more than a predetermined amount from the reference wavelength at normal load, then there may be a disturbance of the load-bearing bond, which is examined and / or eliminated in more detail.

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.In a further advantageous embodiment of the invention, the time profile of the measurement of the reflection wavelength of a fiber Bragg grating sensor is examined. For example, by means of a high-pass filter changes in the reflection wavelength in the minute or hour range, which are caused for example by thermal expansion or shortening of the optical fiber, suppressed. Likewise, by means of a low-pass filter, changes in the reflection wavelength in the second or millisecond range, which are caused, for example, by vibrations on the facade structure, are suppressed.

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. On the basis of a change in the filtered time profile, which exceeds a predetermined value and / or which coincides with a predetermined, for example, obtained from laboratory tests gradient pattern, a possible disturbance at the adhesive joint, in which the associated fiber Bragg grating sensor is attached, detected, which is examined and / or corrected.

Diese Variante der Erfindung ist in vorteilhafter Weise von einer Messung der Referenzwellenlänge bei Normallast unabhängig.This variant of the invention is advantageously independent of a measurement of the reference wavelength at normal load.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Darin zeigen:Show:

1 schematisch verklebte Glasscheiben mit einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor, 1 schematically glued glass sheets with a fiber Bragg grating sensor,

2 schematisch eine optische Faser mit Faser-Bragg-Gitter-Sensor und 2 schematically an optical fiber with fiber Bragg grating sensor and

3–6 schematisch ein Spektren des eingekoppelten transmittierten und reflektierten Lichts eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors bei Dehnung. 3 - 6 schematically a spectra of the coupled transmitted and reflected light of a fiber Bragg grating sensor during elongation.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

1 zeigt schematisch zwei als Glasplatten ausgebildete Bauteile 1.1, 1.2 einer Fassadenkonstruktion 1, welche über eine tragende Klebverbindung miteinander verbunden sind. 1 schematically shows two formed as glass plates components 1.1 . 1.2 a facade construction 1 which are connected to each other via a load-bearing adhesive bond.

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.At the facade construction 1 it may be, for example, a glass-glass or translucent glass-metal construction whose parts are connected by gluing over the load-bearing adhesive bond.

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.The load-bearing adhesive bond is made of at least one adhesive layer 2 formed and effected. There may also be several layers of adhesive 2 be upset. The adhesive layer 2 is formed for example of a particularly adhesive and curing adhesive. The adhesive layer 2 For example, a layer of epoxy resin or acrylate in a thickness of about 0.5 mm to 2 mm, in particular from 1 mm to 1.5 mm.

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.Within the adhesive layer 2 is an optical fiber 3 with, for example, two embedded or integrated fiber Bragg grating sensors 4 . 4 ' arranged. Alternatively, only one or more than two fiber Bragg grating sensors may be used 4 into the optical fiber 3 be integrated.

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.The optical fiber 3 can thereby at least in a section straight running in the adhesive layer 2 be arranged. The optical fiber is preferred 3 meandering in at least one loop in the adhesive layer 2 arranged.

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.As an optical fiber 3 serves in particular a conventional glass fiber, z. B. a telecommunications glass fiber. The glass fiber may be provided with a coating, in particular a plastic coating. The glass fiber has a diameter of, for example, 0.1 mm or larger, for. B. with plastic coating of, for example, 0.25 mm. The adhesive layer 2 has one to the diameter of the optical fiber 3 adjusted thickness, so that the optical fiber 3 completely surrounded by adhesive in the adhesive layer 2 is arranged. To a sufficiently large adhesion of the optical fiber 3 in the adhesive layer 2 ensure the optical fiber 3 without conventional coating in the adhesive layer 2 introduced and cured with this.

Der Faser-Bragg-Gitter-Sensor 4, 4' ist vorzugsweise stoffschlüssig, mittels Klebstoff, in der optischen Faser 3 gehalten.The fiber Bragg grating sensor 4 . 4 ' is preferably cohesively, by means of adhesive, in the optical fiber 3 held.

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.At one end of the optical fiber 3 is a light source on the input side 4 arranged the light 9 in a broad spectral range, exemplified in 3 shown in the diagram, in the optical fiber 3 couples.

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.Due to the Bragg effect, part of the coupled-in light becomes the fiber Bragg grating sensor 4 . 4 ' reflected. This reflected part of the light will be at the input of the optical fiber 3 decoupled and a sensor 6 supplied for evaluation of the reflection spectrum.

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.In the illustrated embodiment, the sensor system comprises 6 for the evaluation of the reflection spectrum, a reflector 6.1 , z. B. a provided with a diffraction grating concave mirror, which reflected the, from the optical fiber 3 decoupled light 11 , exemplary in 4 represented in the diagram, spectrally decomposed and onto a photoelectric sensor 6.2 , for example a line or field of photodiodes.

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.Due to the spectral decomposition, different areas of the photoelectric sensor correspond 6.2 , For example, different photodiodes of a line, with different wavelengths λ of the reflected light. One in a certain area of the photoelectric sensor 6.2 measured electrical energy corresponds to an intensity I of the reflected light 11 at a certain wavelength λ.

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. 2 schematically shows the structure of a in the optical fiber 3 integrated fiber Bragg grating sensor 4 with corresponding course of the refractive index n. The fiber Bragg grating sensor 4 is by a periodic change of the refractive index n along the longitudinal extent with a length l of the embedding portion of the optical fiber 3 , that is along the propagation direction of the optical fiber 3 guided light, characterized.

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.Each change in the refractive index n causes a reflection of a part of the introduced or coupled light 9 , Due to the periodic arrangement of the changes in the refractive index n in the distance of the lattice constant g is a positive interference of the reflected light 11 for a specific, determined by the lattice constant g and the course of the refractive index n before and after the change reflection wavelength, which is referred to as the Bragg effect.

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.The photoelectric sensor 6.2 is thus suitable to the spectrum of the reflected light 11 , ie the course of the intensity I of the reflected light 11 depending on the wavelength λ, as it is in 4 is shown schematically. Due to the Bragg effect, the spectrum of the reflected light indicates 11 an intensity maximum at the reflection wavelength due to the grating pitch g and refractive index difference along the fiber Bragg grating sensor 4 is determined.

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.Similarly, the spectrum of the transmitted light 10 at the not shown output of the optical fiber 3 at the reflection wavelength attenuation, as in 5 shown.

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.An elongation of a section of an optical fiber 3 in which there is a fiber Bragg grating sensor 4 or 4 ' leads to an increase in the lattice constant g, which corresponds to an increased periodic distance of the refractive index changes of the refractive index n. This corresponds to a shift dλ of the spectrum 11a before stretching into the spectrum 11b after stretching the reflected light 11 , as in 6 shown.

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.The shift dλ of the spectrum 11b can by means of the sensors 6 detected for the evaluation of a reflection spectrum and in a corresponding change in length of the optical fiber 3 in the area of the fiber Bragg grating sensor 4 be converted.

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.In an advantageous embodiment of the invention, the optical fiber 3 with the embedded fiber Bragg grating sensors 4 . 4 ' arranged so that a first fiber Bragg grating sensor 4 parallel to the main load direction 7 which is given by the direction of acting on the adhesive bond resulting force. Therefore, the stretching effect is in the longitudinal direction of the fiber Bragg grating sensor 4 and thus the measurable shift dλ of the spectrum 11a of the reflected light 11 opposite the spectrum 11a extraordinary big.

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.The optical fiber 3 with the embedded fiber Bragg grating sensors 4 . 4 ' is further arranged such that a second fiber Bragg grating sensor 4 ' transverse to the main load direction 7 lies. Therefore, the stretching effect is in the longitudinal direction of the fiber Bragg grating sensor 4 ' and thus the measurable shift dλ of the spectrum 11b of the reflected light 11 especially small.

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.This embodiment of the invention is suitable for a direction-specific along the longitudinal direction of the fiber Bragg grating sensor 4 effective elongation from non-directional strain, such as by temperature-induced expansion or shrinkage of an optical fiber 3 is caused to be distinguished.

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.In a further advantageous embodiment of this embodiment of the invention, the lattice constants g of the first fiber Bragg grating sensor differ 4 and the second fiber Bragg grating sensor 4 ' from each other. This will cause the stress on the adhesive layer 2 and environmental changes of the reflection wavelength of the first fiber Bragg grating sensor 4 ' largely independent of the only caused by environmental changes in the reflection wavelength of the second fiber Bragg grating sensor 4 ' is measurable, so that the effort to evaluate the measurement results decreases in an advantageous manner.

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.In a further advantageous embodiment of the invention, the sensor system comprises 6 for evaluation of a reflection spectrum, a device for pointwise measurement of the intensity I of the reflected light 11 at selected wavelengths λ or over selected wavelength ranges. For example, in the case of an intensity measurement, a drift of the reflection wavelength outside the predetermined wavelength range can be determined if the intensity measurement comprises a predetermined wavelength range encompassing the reflection wavelength in a specific reference state, for example in the installed state under a predetermined load.

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.Thus, the exceeding or falling below of certain, corresponding to the predetermined wavelength range load values can be detected. Advantageously, the metrological effort is reduced in this embodiment of the invention, since a spectrally resolved intensity measurement is avoided. For example, here is the photoelectric sensor 6.2 from a single photodiode, the receiving surface after expansion and arrangement relative to the reflector 6.1 , z. B. a concave mirror with diffraction grating, determines the wavelength range, above which the intensity I of the reflected light 11 is integrated.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Fassadenkonstruktionfacade construction

1.1, 1.21.1, 1.2

Bauteile der FassadenkonstruktionComponents of the facade construction

22

Klebstoffschichtadhesive layer

33

optische Faseroptical fiber

4, 4'4, 4 '

Faser-Bragg-Gitter-SensorFiber Bragg grating sensor

55

Leuchtquellelight source

66

Sensorik zur Auswertung eines ReflexionsspektrumsSensor technology for the evaluation of a reflection spectrum

6.16.1

Reflektor mit BeugungsgitterReflector with diffraction grating

6.26.2

Sensorsensor

77

HauptbelastungsrichtungMain load direction

99

eingekoppeltes Lichtcoupled light

1010

transmittiertes Lichttransmitted light

1111

reflektiertes Lichtreflected light

11a11a

Spektrum des reflektierten Lichts vor VeränderungSpectrum of reflected light before change

11b11b

Spektrum des reflektierten Lichts nach VeränderungSpectrum of the reflected light after change

gG

Gitterkonstantelattice constant

nn

Brechungsindexrefractive index

ll

Längelength

II

Intensitätintensity

λλ

Wellenlängewavelength

dλdλ

Verschiebungshift

Claims (10)

Vorrichtung zur Überwachung des Zustands einer Klebverbindung zwischen mindestens zwei Fügepartnern, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Faser (3) in eine Klebstoffschicht (2), welche die Klebverbindung mindestens teilweise bewirkt, stoffschlüssig eingefügt ist, wobei die optische Faser (3) mindestens zwei im Bereich der Klebstoffschicht (2) liegende faseroptische Dehnungssensoren umfasst und mittels optischer Verbindungen Licht von mindestens einer Leuchtquelle (5) in die optische Faser (3) einkoppelbar und in der optischen Faser (3) reflektiertes Licht (11) an eine Sensorik (6) zur Auswertung eines Reflexionsspektrums auskoppelbar ist und wobei die optische Faser (3) so in die Klebstoffschicht (2) eingebracht ist, dass mindestens ein erster, einen ersten faseroptischen Dehnungssensor umfassender Abschnitt der optischen Faser (3) in einem definierten Winkel zu einem zweiten, einen zweiten faseroptischen Dehnungssensor umfassenden Abschnitt der optischen Faser (3) angeordnet ist.Device for monitoring the state of an adhesive bond between at least two joining partners, characterized in that an optical fiber ( 3 ) in an adhesive layer ( 2 ), which causes the adhesive bond at least partially, is materially inserted, wherein the optical fiber ( 3 ) at least two in the region of the adhesive layer ( 2 ) comprises fiber optic strain sensors and by means of optical connections light from at least one light source ( 5 ) into the optical fiber ( 3 ) and in the optical fiber ( 3 ) reflected light ( 11 ) to a sensor system ( 6 ) can be decoupled to evaluate a reflection spectrum and wherein the optical fiber ( 3 ) into the adhesive layer ( 2 ), that at least a first section of the optical fiber comprising a first fiber-optic strain sensor (FIG. 3 ) at a defined angle to a second section of the optical fiber comprising a second fiber-optic strain sensor ( 3 ) is arranged. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein faseroptischer Dehnungssensor ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor (4, 4') ist.Device according to claim 1, characterized in that at least one fiber optic strain sensor comprises a fiber Bragg grating sensor ( 4 . 4 ' ). Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite faseroptische Dehnungssensor Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (4, 4') mit unterschiedlichen Gitterkonstanten g sind.Device according to claim 2, characterized in that said first and second fiber optic strain sensors comprise fiber Bragg grating sensors ( 4 . 4 ' ) with different lattice constants g. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner Bauteile (1.1, 1.2) einer Fassadenkonstruktion (1) sind, oder dass wenigstens ein Fügepartner ein Bauteil (1.1, 1.2) einer Fassadenkonstruktion (1) ist und wenigstens ein Fügepartner ein Fassadentragrahmen ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the joining partners components ( 1.1 . 1.2 ) of a facade construction ( 1 ), or that at least one joining partner is a component ( 1.1 . 1.2 ) of a facade construction ( 1 ) and at least one joining partner is a facade support frame. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik (6) zur Auswertung des Reflexionsspektrums ein Spektrometer umfasst.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensors ( 6 ) comprises a spectrometer for evaluating the reflection spectrum. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (3) als ein Temperatursensor oder integrierter faseroptisch gekoppelter Temperatur-Dehnungssensor ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical fiber ( 3 ) is designed as a temperature sensor or integrated fiber-optic coupled temperature-strain sensor. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Überwachung des Zustands einer Klebverbindung zwischen Fügepartnern, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Faser (3) in eine Klebstoffschicht (2), welche in ausgehärtetem Zustand die Klebverbindung mindestens teilweise bewirkt, vor dem Aushärten eingefügt wird, wobei die optische Faser (3) mindestens zwei im Bereich der Klebstoffschicht (2) liegende Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (4, 4') umfasst und mittels optischer Verbindungen mit mindestens einer Leuchtquelle (5) und einer Sensorik (6) zur Auswertung eines Reflexionsspektrums verbunden wird, mittels welcher eine Veränderung des Spektrums (11a, 11b) des in der optischen Faser (3) reflektierten Lichts (11) erfasst wird und wobei die optische Faser (3) so in die Klebstoffschicht (2) eingebracht ist, dass mindestens ein erster, einen ersten Faser-Bragg-Gitter-Sensor (4, 4') umfassender Abschnitt der optischen Faser (3) in einem definierten Winkel zu einem zweiten, einen zweiten Faser-Bragg-Gitter-Sensor (4, 4') umfassenden Abschnitt der optischen Faser (3) angeordnet ist.Method for operating a device for monitoring the state of an adhesive bond between joining partners, characterized in that an optical fiber ( 3 ) in an adhesive layer ( 2 ), which in the cured state causes the adhesive bond at least partially, is inserted before curing, wherein the optical fiber ( 3 ) at least two in the region of the adhesive layer ( 2 ) lying fiber Bragg grating sensors ( 4 . 4 ' ) and by means of optical connections with at least one light source ( 5 ) and a sensor ( 6 ) is connected to the evaluation of a reflection spectrum, by means of which a change of the spectrum ( 11a . 11b ) in the optical fiber ( 3 ) reflected light ( 11 ) and wherein the optical fiber ( 3 ) into the adhesive layer ( 2 ) that at least a first, a first fiber Bragg grating sensor ( 4 . 4 ' ) comprehensive section of the optical fiber ( 3 ) at a defined angle to a second, a second fiber Bragg grating sensor ( 4 . 4 ' ) comprehensive section of the optical fiber ( 3 ) is arranged. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Überwachung des Zustands einer Klebverbindung zwischen Fügepartnern, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Faser (3) in eine Klebstoffschicht (2), welche in ausgehärtetem Zustand die Klebverbindung mindestens teilweise bewirkt, nach dem Aushärten eingefügt wird, wobei die optische Faser (3) mindestens zwei im Bereich der Klebstoffschicht (2) liegende Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (4, 4') umfasst und mittels optischer Verbindungen mit mindestens einer Leuchtquelle (5) und einer Sensorik (6) zur Auswertung eines Reflexionsspektrums verbunden wird, mittels welcher eine Veränderung des Spektrums (11a, 11b) des in der optischen Faser (3) reflektierten Lichts (11) erfasst wird und wobei die optische Faser (3) so in die Klebstoffschicht (2) eingebracht ist, dass mindestens ein erster, einen ersten Faser-Bragg-Gitter-Sensor (4, 4') umfassender Abschnitt der optischen Faser (3) in einem definierten Winkel zu einem zweiten, einen zweiten Faser-Bragg-Gitter-Sensor (4, 4') umfassenden Abschnitt der optischen Faser (3) angeordnet ist.Method for operating a device for monitoring the state of an adhesive bond between joining partners, characterized in that an optical fiber ( 3 ) in an adhesive layer ( 2 ), which in the cured state causes the adhesive bond at least partially, is inserted after curing, wherein the optical fiber ( 3 ) at least two in the region of the adhesive layer ( 2 ) fiber Bragg grating sensors ( 4 . 4 ' ) and by means of optical connections with at least one light source ( 5 ) and a sensor ( 6 ) is connected to the evaluation of a reflection spectrum, by means of which a change of the spectrum ( 11a . 11b ) in the optical fiber ( 3 ) reflected light ( 11 ) and wherein the optical fiber ( 3 ) into the adhesive layer ( 2 ) that at least a first, a first fiber Bragg grating sensor ( 4 . 4 ' ) comprehensive section of the optical fiber ( 3 ) at a defined angle to a second, a second fiber Bragg grating sensor ( 4 . 4 ' ) comprehensive section of the optical fiber ( 3 ) is arranged. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung des Spektrums (11a, 11b) des in der optischen Faser (3) reflektierten Lichts (11) während oder nach dem Aushärten der Klebstoffschicht (2) erfasst wird und eine Intensität (I) und/oder eine örtliche und zeitliche Verteilung der Dehnungen oder Spannungen und/oder eine örtliche und zeitliche Temperaturverteilung der aushärtenden oder ausgehärteten Klebstoffschicht (2) ermittelt wird.Method according to claim 7 or 8, characterized in that a change in the spectrum ( 11a . 11b ) in the optical fiber ( 3 ) reflected light ( 11 ) during or after curing of the adhesive layer ( 2 ) and an intensity (I) and / or a local and temporal distribution of the strains or stresses and / or a local and temporal temperature distribution of the hardening or cured adhesive layer ( 2 ) is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Spektrums (11a, 11b) des in der optischen Faser (3) reflektierten Lichts (11) relativ zum Zustand unmittelbar nach Einbau und/oder Prüfung der Klebverbindung erfasst wird und die Eignung der Klebverbindung für die Aufnahme von Beanspruchungen bewertet wird.Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that the change of the spectrum ( 11a . 11b ) in the optical fiber ( 3 ) reflected light ( 11 ) is detected relative to the state immediately after installation and / or examination of the adhesive bond and the suitability of the adhesive bond is evaluated for the absorption of stresses.

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