Dehnungsermittlung mit faseroptischen Bragg-Gitter-Sensoren: Grundlagen, Eigenschaften und Anwendungen
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2001
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V
DEHNUNGSERMITTLUNG
MIT
FASEROPTISCHEN
BRAGG-GITTER-SENSOREN
GRUNDLAGEN,
EIGENSCHAFTEN
UND
ANWENDUNGEN
1.)
EINFUEHRUNG
UND
KONZEPT
1
1.1
ANWENDUNGSHINTERGRUND
1
1.2
FASEROPTISCHE
BRAGG-GITTER:
PHAENOMENOLOGISCHE
BESCHREIBUNG
4
1.3
HERSTELLUNGSASPEKTE
6
1.3.1
PHOTOSENSITIVITAET
6
1.3.2
HERSTELLUNGSVERFAHREN
8
1.4
ZIEL
UND
KONZEPTION
DER
ARBEIT
11
1.5
KOOPERATIONEN
12
2.)
OPTISCHE
EIGENSCHAFTEN
VON
BRAGG-GITTERN
15
2.1
MODENKOPPLUNG
(PHAENOMENOLOGISCH)
15
2.2
THEORIE
DER
GEKOPPELTEN
MODEN
18
2.3
MODELLIERUNG
DER
BRECHZAHLMODULATION
19
2.4
BERECHNUNG
DER
SPEKTRALEN
EIGENSCHAFTEN
23
2.4.1
REDUKTION
DER
MODENANZAHL
23
2.4.2
LOESUNG
DES
GEKOPPELTEN
DIFFERENTIALGLEICHUNGSSYSTEMS
(KURZPERIODISCHE
GITTER)
24
2.4.2.1
ANALYTISCHE
LOESUNG
24
2.4.2.2
NUMERISCHE
LOSUNGEN
26
2.4.2.3
SIMULATIONSPROGRAMM
ZUR
MTM-METHODE
29
2.5
ANALYSE
DER
BRECHZAHLGITTERTYPEN
31
2.5.1
PARAMETERBEREICHE
DER
SIMULATIONEN
31
2.5.2
FASEREIGENSCHAFTEN
32
2.5.3
EINFACHE
UND
GAUSSFOERMIG
APODISIERTE
BRECHZAHLGITTER
34
2.5.3.1
POLARISATIONSVERHALTEN
EINFACHER
BRAGG-GITTER
SPEKTREN
37
2.5.3.2
MAXIMALE
REFLEXIONSGRADE
UND
HALBWERTSBREITEN
40
2.5.4
FABRY-PEROT
FILTER
MITTELS
BRECHZAHLGITTERN
42
2.5.4.1
PHASENVERSCHOBENES
GITTER
42
2.5.4
2
QUASI-PHASENVERSCHOBENES
GITTER
43
2.5.4
3
GEKOPPELTE
EINFACHE
BRAGG-GITTER
45
2.5.4.4
FABRY-PEROT
FILTER
MIT
LINEAR
GECHIRPTEN
FASERGITTERN
47
VI
3.)
SYSTEMKONZEPT
/
MESSTECHNIK
55
3.1
ANFORDERUNGEN
AN
MESSSYSTEME
FUER
BRAGG-GITTER-SENSOREN
55
3.2
MESSKONZEPTE
58
3.2.1
KONZEPTE
MIT
SPEKTRAL
BREITBANDIGEN
LICHTQUELLEN
58
3.2.2
KONZEPT
MIT
SPEKTRAL
ABSTIMMBAREN
LASERN
61
3.2.2.1
ABSTIMMBARE
LICHTQUELLE
UND
KOMBINATION
VON
MULTIPLEXTECHNIKEN
61
3.2.2.2
ANFORDERUNGEN
AN
DIE
LASERLICHTQUELLE
65
3.2.2.3
EIGENSCHAFTEN
DES
EINGESETZTEN
LASERS
67
3.3
BASISSYSTEM
71
3.3.1
AUFBAU
UND
KOMPONENTEN
71
3.3.2
ABLAUF
UND
AUSWERTUNG
EINER
TYPISCHEN
MESSUNG
75
3.3.3
SIGNALVERARBEITUNG
77
3.3.3.1
DURCHSTIMMGESCHWINDIGKEIT,
BANDBREITE
UND
ABTASTRATE
77
3.3.3.2
RAUSCHQUELLEN
/
PARASITAERE
REFLEXIONEN 80
3.3.3
3
WELLENLAENGENFEHLER
AUFGRUND
VON
INTENSITAETSSCHWANKUNGEN
90
3.3.3.4
ZUSAMMENFASSUNG
DER
RAUSCHBEITRAEGE
/
ERREICHTE
WERTE
93
3.3.3
5
EFFIZIENTE
BESTIMMUNG
DER
BRAGG-WELLENLAENGEN
95
3.4
POLARISATIONSMODULATION
UND
RAUMMULTIPLEX-VERFAHREN
101
3.4.1
QUASI-DEPOLARISATION
101
3.4.2 REALISIERUNG
DER
POLARISATIONSMODULATION
103
3.4.3
ERWEITERUNG
DES
BASISSYSTEMS
105
3.5
KOMBINIERTES
ZEIT
UND
WELLENLAENGENMULTLPLEX-VERFAHREN
110
35
1
SYSTEMAUFBAU
110
3.5.2
NETZTOPOLOGIEN
113
3.5.3
ERSTE
ERGEBNISSE
116
3.6
VERGLEICH
MIT
ALTEMATIVKONZEPTEN
AUF
DER
BASIS
VON
ABSTIMMBAREN
LASERN
118
4.)
SENSOREIGENSCHAFTEN
VON
FASEROPTISCHEN
BRAGG-GITTERN
121
4.1
SENSORFUNKTION
121
4.1.1
DEHNUNGS-UND
TEMPERATUREMPFINDLICHKEIT
121
4.1.2
SPEZIALFAELLE
123
4.1.2.1
REINE
TEMPERATURAENDERUNG
123
4.1.2.2
UNIAXIALE
SPANNUNG
OHNE
TEMPERATURAENDERUNG
125
4.1.2.3
UNIAXIALE
SPANNUNG
MIT
TEMPERATURAENDERUNG
125
4.1.2.4
HYDROSTATISCHER
DRUCK
P
126
4.1.2.5
OBERFLAECHENAPPLIZIERTE
BZW.
STRUKTURINTEGRIERTE
SENSOREN
126
4.1.2.6
BEEINFLUSSUNG
DES
BRAGG-GITTER
SPEKTRUMS
129
VII
4.2
FASERBESCHICHTUNGEN
(COATING)
131
4.2.1
COATINGTYPEN
UND
EIGENSCHAFTEN
131
4.2.2
TEMPERATURKENNLINIEN
133
4.3
EXPERIMENTELLE
ERGEBNISSE
ZUR
DEHNUNGSEMPFINDLICHKEIT
138
4.3.1
MECHANISCHE
MESSTECHNIK
138
4.3.2
DEHNUNGSKENNLINIEN
(ZUGDEHNUNG)
140
4.3.3
ASYMMETRISCHES
DEHNUNGSFELD
144
4.3.3
1
QUERKRAEFTE
144
4.3.3.2
KRUEMMUNG
DER
FASER
147
4
3.3 3
QUEREMPFINDLICHKEIT
IM
VERGLEICH
ZUM
DMS
147
4.4
UNTERSCHEIDUNG
VON
DEHNUNGS
UND
TEMPERATUREINFLUESSEN
148
4.4.1
KONZEPTE
148
4.4.1.1
SEPARATE
BESTIMMUNG
DER
TEMPERATUR
148
4.4.1.2
MESSUNGEN
IN
VERSCHIEDENEN
SPEKTRALBEREICHEN
149
4.4.1
3
BRAGG-GITTER
IN
HOCHDOPPELBRECHENDEN
FASERN
150
4.4.1.4
AUSNUTZUNG
VERSCHIEDENER
MODEN
150
4.4.1.5
MODIFIKATIONEN
DER
SENSORGEOMETRIE
151
4.4.1.6
KOMBINATION
MIT
ANDEREN
FASEROPTISCHEN
SENSORTECHNIKEN
151
4.4.1.7
DEHNUNGSROSETTEN
151
4.4.1.8
BRECHZAHLSTRUKTUREN
MIT
HOMOGENER
NACHBELICHTUNG
152
4.4.1.9
TEMPERATURABHAENGIGE
INDUZIERTE
DOPPELBRECHUNG
153
4.4.2
GEKAPSELTES
BRAGG-GITTER
ALS
TEMPERATURSENSOR
154
5.)
PHYSIKALISCHE
GRENZWERTE
157
5.1
MECHANISCHE
EIGENSCHAFTEN
157
5.1.1
FESTIGKEITSTHEORIE
OPTISCHER
FASERN
157
5.1.1.1
INNERE
FESTIGKEIT
157
5.1.1.2
RISSWACHSTUM
158
5.1.1.3
WEIBULLSTATISTIK
159
5.1.2
BESTIMMUNG
DER
LEBENSDAUERPARAMETER
MITTELS
DYNAMISCHER
ZUGPRUEFUNGEN
159
5.1.3
WEIBULLVERTEILUNGEN
162
5.1.4
LEBENSDAUERSCHAETZUNGEN
166
5.1.4.1
STATISCHE
BELASTUNG
IN
ACHSENRICHTUNG
166
5.1.4.2
ZYKLISCHE
BELASTBARKEIT
(FALL
1)
167
5.1.4.3
ZYKLISCHE
BELASTBARKEIT
(FALL
2)
168
5.1.4.4
DISKUSSION
DER
ERGEBNISSE
169
5.2
THERMISCHE
EIGENSCHAFTEN
170
5.2.1
THEORIE
DES
THERMISCHEN
ZERFALLS
171
5.2.2
MASTERKURVE
FUER
ZIEHTURMGITTER
173
5.2.3
DISKUSSION
DER
ERGEBNISSE
176
VIII
6.)
STRUKTURANBINDUNG
179
6.1
OBERFLAECHENAPPLIZIERUNG
MITTELS
KLEBUNG
179
6.1
1
APPLIKATIONSHILFE
/
KLEBER
180
6.1.2
FEM-SIMULATIONEN
182
6.1.3
EXPERIMENTELLE
ERGEBNISSE
186
6.1.4
FELDVERSUCH
IM
AIRBUS
VERSUCHSZENTRUM
HAMBURG
193
6.1.4.1
EIGENSCHAFTENDERSENSORARRAYS
195
6.1.4.2
ERGEBNISSE
198
6.2
OBERFLAECHENINTEGRATION
200
6.2.1
INTEGRATIONSTECHNIK
200
6.2.2
ERSTE
ERGEBNISSE
202
6.3
STRUKTURINTEGRATION
204
6.3.1
EINBETTUNG
OPTISCHER
FASERN 204
6.3.2
ERGEBNISSE 206
7.)
ZUSAMMENFASSUNG
UND
AUSBLICK
211
ANHAENGE
219
A
LITERATURVERZEICHNIS
219
B
THEORIE
DER
GEKOPPELTEN
MODEN
237
B.1
BESCHREIBUNG
EINES
GAUSSFOERMIG
APODISIERTEN
BRECHZAHLGITTERS
237
B.2
BESCHREIBUNG
EINES
LINEAR
GECHIRPTEN
BRECHZAHLGITTERS
238
B.3
BERECHNUNG
DER
KOPPLUNGSKOEFFIZIENTEN
239
B.4
REDUKTION
DER
MODENANZAHL
243
B.5
LOESUNG
DES
DIFFERENTIALGLEICHUNGSSYSTEMS
245
B.6
DISPERSIONSRELATIONEN 247
B.7
MANTELMODENKOPPLUNG
248
C
FABRY-PEROT
UND
RINGFILTER
253
C.1
FASEROPTISCHES
FABRY-PEROT
FILTER
253
C.2
FASEROPTISCHES
RINGFILTER
255
D
DEFORMATION
UND
SPANNUNG
261
D.1
DEFORMATIONSTENSOR
261
D.2
SPANNUNGSTENSOR
263
D.3
HOOKE
'
SCHE
GESETZ
264
D.4
AENDERUNG
DER
BRECHZAHL
VON
GLASFASERN
ALS
FUNKTION
DER
DEHNUNG
265
IX
E
INDUZIERTE
SPANNUNGEN
UND
DEHNUNGEN
271
E.1
THERMISCH
INDUZIERTE
DEHNUNGEN
UND
SPANNUNGEN
271
E.2
DURCH
QUERKRAEFTE
INDUZIERTE
DEHNUNGEN
UND
SPANNUNGEN
275
F
FASER-KUNSTSTOFF-VERBUNDE
277
F.1
BEGRIFFSBILDUNG
277
F.2
MATERIALWAHL
278
F.3
QUASI-ISOTROPER
STRUKTURAUFBAU
281
F.4
STRUKTURHERSTELLUNG
282
G
VORVEROEFFENTLICHUNGEN
289
DANKSAGUNG
LEBENSLAUF |
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