VDI VDE 2660 Blatt 1-2010 Experimental stress analysis - Optical strain sensor based on fibre Bragg grating - Fundamentals characteristics and sensor testing.pdf

1、ICS 17.180.99, 33.180.10 VDI/VDE-RICHTLINIEN Juli 2010July 2010VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK Experimentelle Strukturanalyse Optischer Dehnungssensor basierend auf Faser-Bragg-Gitter Grundlagen, Kenngren und deren Prfung Experimental stress anal

2、ysis Optical strain sensor based on fibre Bragg grating Fundamentals, characteristics and sensor testing VDI/VDE 2660Blatt 1 / Part 1 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authori-tat

3、ive. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) Fachbereich Prozessmesstechnik und Strukturanalyse VDI/VDE-Handbuch Prozessmesstechnik und Strukturanalyse VDI/VDE-Handbuch Mikro- und Feinwerktechnik VDI/VDE-Handbuch

4、 Optische Technologien Frhere Ausgabe: VDI/VDE2660:2009-05 Entwurf, deutschFormer edition: VDI/VDE 2660:2009-05 Draft, inGermanonly Vervielfltigung auch fr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedZu beziehen durch / Available atBeuthVerlagGmbH, 1077

5、2 BerlinAlleRechtevorbehalten/ All rights reserved VereinDeutscherIngenieuree.V., Dsseldorf 2010Inhalt Seite Contents Page Preliminary note . 2 Vorbemerkung . 2 Introduction 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbereich . 4 1 Scope . 4 2 Begriffe 4 2 Terms and definitions 4 3 Formelzeichen . 7 3 Symbols . 7

6、4 Fundamentals . 8 4 Grundlagen 8 4.1 Faser-Bragg-Gitter (FBG) 8 4.1 Fibre Bragg grating (FBG) 8 4.2 Optischer Dehnungssensor (ODS) . 12 4.2 Optical strain sensor (OSS) 12 4.3 Messstelle und Installation . 13 4.3 Measuring point and installation 13 4.4 Messbasis . 13 4.4 Gauge length 13 4.5 Dehnung,

7、 Referenzdehnung . 13 4.5 Strain, reference strain . 13 4.6 Bezugswellenlnge 14 4.6 Reference wavelength 14 4.7 Stabilittsverhalten . 14 4.7 Stability behaviour . 14 4.8 Probekrper 15 4.8 Standard test specimen 15 4.9 Auslesen der Messwerte . 15 4.9 Indication of the measured values 15 4.10 Nullpunk

8、tbezogene Messung . 15 4.10 Zero point related measurement. 15 4.11 Nicht nullpunktbezogene Messung 16 4.11 Non-zero point related measurement . 16 4.12 Herstellungslos . 16 4.12 Production set 16 4.13 ODS-Typ 16 4.13 OSS type 16 4.14 ODS-Serie 16 4.14 OSS series 16 5 Bauartspezifische Merkmale und

9、zu messende Kenngren 16 5 Design specific features and characteristics to be measured . 16 5.1 Konstruktiver Aufbau und Abmessungen . 17 5.1 Construction details and geometrical dimensions . 17 5.2 Art des optischen Dehnungssensors . 17 5.2 Type of optical strain sensor 17 5.3 Temperaturangaben 17 5

10、.3 Temperature data . 17 5.4 Empfohlene Befestigungsmittel . 17 5.4 Recommended bonding material . 17 5.5 Anschlussbedingungen. 17 5.5 Connecting requirement . 17 5.6 Braggwellenlnge B17 5.6 Bragg wavelength B17 5.7 Spektrale Breite 19 5.7 Spectral width 19 5.8 Reflektivitt . 20 5.8 Reflectance 20 5

11、.9 Dehnungsempfindlichkeit (k-Faktor) . 20 5.9 Strain sensitivity (k-factor) 20 5.10 Maximale Dehnbarkeit bei Raumtemperatur . 22 5.10 Maximum strainability at room temperature 22 5.11 Dauerschwingverhalten 23 5.11 Fatigue behaviour 23 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 201

12、2-04 2 VDI/VDE 2660 Blatt 1 / Part 1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 Inhalt Seite 5.12 Minimaler Krmmungsradius 24 5.13 Temperaturbereiche und -grenzen 25 5.14 Temperaturgang . 26 6 Wiederkehrende Festlegungen zur Kenngrenprfung . 28 6.1 Probenentnahme und st

13、atistische Auswertungen der Prfungen . 28 6.2 Klimabedingungen zur Messung . 29 6.3 Anzuwendende Prfungsart fr einzelne Kenngren . 30 7 Anforderungen an die Prfvorrichtungen im Prffeld . 30 7.1 Anforderungen an die optische Auswerteeinheit . 30 7.2 Anforderung an die Bestimmung der Braggwellenlnge B

14、31 7.3 Spektrale Breite 31 7.4 Reflektivitt . 32 7.5 Dehnungsempfindlichkeit (k-Faktor) . 33 7.6 Maximale Dehnbarkeit . 34 7.7 Dauerschwingverhalten 35 7.8 Kleinster Krmmungsradius 35 7.9 Temperaturgang . 35 8 Angabe der Messergebnisse fr die Kenngren . 36 8.1 Hinweise 36 8.2 Musterdatenblatt 37 Anh

15、ang A Musterdatenblatt . 38 Anhang B Hinweise zur Richtlinie 40 Schrifttum 42 Contents Page 5.12 Minimum radius of curvature 24 5.13 Temperature ranges and limits . 25 5.14 Temperature-correlated strain 26 6 Recurring directives for characteristics testing 28 6.1 Sampling and statistical evaluation

16、of the tests 28 6.2 Ambient conditions for the measurement 29 6.3 Type of test required for individual characteristics 30 7 Requirements for the testing equipment on the testing site . 30 7.1 Requirements for the optical evaluation unit . 30 7.2 Requirements for the determination of the Bragg wavele

17、ngth B31 7.3 Spectral width 31 7.4 Reflectance 32 7.5 Strain sensitivity (k-factor) 33 7.6 Maximum strainability . 34 7.7 Fatigue behaviour 35 7.8 Minmimum radius of curvature . 35 7.9 Temperature-correlated strain 35 8 Statement of the measurement results for the characteristics 36 8.1 Practical in

18、formation . 36 8.2 Sample data sheet 37 Annex A Sample data sheet 39 Annex B Notes on the guideline 40 Bibliography 42 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unterBeachtung der Vorgaben und Empfehlungen derRichtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, derFotoko

19、pie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheberrechts und unter Beachtung derLizenzbedingungen (www.vdi-richtlinien.de), diein den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. A

20、llen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserVDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Preliminary note The content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the guideline VDI 1000. All rights are reserved, including those of repri

21、nt-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this guideline without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions specified in the VDI notices (www.vdi-richtlin

22、ien.de). We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this guideline. Einleitung Diese Richtlinie wurde im VDI/VDE-GMA Fach-ausschuss 2.17 Faseroptische Messverfahren“ im Bereich der experimentellen Spannungsanalyseerarbeitet. Introduction This guideline was elaborated by the VDI

23、/VDE-GMA Technical Committee 2.17 “Fibre optic measuring procedures” with scope experimental stress analysis. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 VDI/VDE 2660 Blatt 1 / Part 1 3 Motivation fr die Ers

24、tellung dieser Richtlinie wardie zunehmende kommerzielle Nutzung von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (FBG-Sensoren) fr Deh-nungsmessungen. Allgemeingltige Regelwerke fr die Prfung, Cha-rakterisierung und Anwendung faseroptischer Deh-nungssensoren auf Basis von FBG sind bisher nichtbekannt. Diese Lcke in

25、 der Regelsetzung schlietbislang Unklarheiten bei der Definition von Kenn-gren und deren Angabe in Datenblttern ein. Zu-verlssige Messangaben sind aber nur mglich,wenn die Hersteller und Nutzer unter gemachtenAngaben und Bezeichnungen dasselbe verstehen. Diese Richtlinie soll somit dem Hersteller vo

26、noptischen Dehnungssensoren (ODS) bei der Ferti-gung und Beschreibung der Produkte eine Orientie-rung bieten und dem Anwender ein besseres Ver-stndnis fr Auswahl, Einsatz und Betrieb vonODS ermglichen. Ein Verweis Technische Angaben gem Richtli-nie VDI/VDE 2660“ darf in Verffentlichungenund Datenblt

27、tern dann erfolgen, wenn die im Ab-schnitt 5 aufgefhrten Kennwerte gem dieserRichtlinie ermittelt und angegeben worden sind. Weitere empfohlene Technische Regeln sind in Tabelle 1 aufgefhrt. Fr die Durchfhrung von Dehnungsmessungenund die Angabe der Messunsicherheit werdenEmpfehlungen in dieser Rich

28、tlinie gegeben. Ineiner spteren Verffentlichung zu dieser Richtli-nie werden typische Applikationsbeispiele vorge-stellt. Tabelle 1. Empfohlene Technische Regeln Anwendungsbereich Nationale und harmonisierte Normen Industrie-norm Anforderungen an Qualittsmanagement-system DIN EN ISO 9001 VDA Band 6

29、Teil 1 Besttigungssystem fr Messmittel DIN EN ISO 10012 Anforderungen an das Qualittsmanagement-system von Laboratorien DIN EN ISO/IEC 17025 Qualifizierung DIN EN ISO 9000 Prfmittelberwachung, Lngenprftechnik DIN 32937 VDI/VDE/ DGQ 2618 Ermittlung und Berck-sichtigung der Messun-sicherheit DIN EN IS

30、O 14253-1 DIN EN ISO 14253 Beiblatt 1 DIN 1319 DIN V ENV 13005 DKD-3 VDI/VDE/ DGQ 2618 Eignung von Prfmitteln und Prfprozessen DIN EN ISO 9001 VDA Band 5 The motivation for drafting this guideline is the increasingly commercial use of fibre Bragg grating (FBG) sensors for the measurement of strain.U

31、niversally valid regulations for the testing, char-acterization and operation of fibre optic strain sen-sors based on FBG are yet unknown. This omission in setting up regulations also applies to ambiguities in the definition of characteristics, as well as their citation in data sheets. Reliable meas

32、uring results can however only be achieved if the manufacturer and user have a common understanding of the given specifications and designations. This guideline therefore aims to become a directive for the manufacturer of optical strain sensors (OSS) for the production and description of his product

33、, and to provide the user with better insight regard-ing the selection, application and operation of OSS.The statement “Technical data is in accordance with the guideline VDI/VDE 2660” may be permit-ted in publications and data sheets if the character-istic values stipulated in Section 5 were determ

34、ined and recorded according to this guideline. Further recommended technical rules are listed in Table 1. This guideline offers recommendations for the performance of strain measurements and the ex-pression of the uncertainty of measurement. A subsequent publication in conjunction with this guidelin

35、e will present typical examples of applica-tions. Table 1. Recommended technical rules Range of application National and harmonized standards Industrial standards Requirements on quality management systemsDIN EN ISO 9001 VDA Band 6 Teil 1 Confirmation system for measuring instruments DIN EN ISO 1001

36、2 Requirements on quality management systems in laboratories DIN EN ISO/IEC 17025 Qualification DIN EN ISO 9000 Inspection of measuring and test equipment, di-mensional measurement DIN 32937 VDI/VDE/ DGQ 2618 Determination and consideration of the uncertainty of measure-ment DIN EN ISO 14253-1 DIN E

37、N ISO 14253 Beiblatt 1 DIN 1319 DIN V ENV 13005 DKD-3 VDI/VDE/ DGQ 2618 Suitability of test tools and test processes DIN EN ISO 9001 VDA Band 5 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 4 VDI/VDE 2660 Blatt 1 / Part 1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V

38、., Dsseldorf 2010 1 Anwendungsbereich Die vorliegende Richtlinie bezieht sich auf ODS,bei denen das dehnungsempfindliche Element einFaser-Bragg-Gitter (FBG) ist. Zweck der Richtlinie ist es, die wichtigsten Merk-male und Kenngren von ODS zu definieren, die Verfahren zu deren Ermittlung zu benennen s

39、owieAnschluss- und Prfbedingungen zum Nachweis der Merkmale und Kenngren festzulegen. Damit soll Folgendes erreicht werden: eindeutige und vollstndige Erfassung der rele-vanten Leistungsparameter von optischen Deh-nungssensoren unter Nutzung einer einheitli-chen Terminologie leichtere Verstndigung z

40、wischen Herstellernund Anwendern Vergleichbarkeit, spezifische Abgrenzung bzw. einheitliche und fundierte Beurteilung von Pro-dukten unterschiedlicher Hersteller Frderung einer sachgerechten Auswahl von ODS zur optimalen Lsung der jeweiligenMessprobleme Die Angaben in der Richtlinie beziehen sich au

41、fdas Messen von statischen und dynamischen Deh-nungswerten mit ODS auf Basis von FBG, wobeitypischerweise kontinuierlich von 0 Hz bis in denKilohertzbereich gemessen werden kann. Der ODS kann in unterschiedlicher konstruktiverAusbildung auf verschiedene Weise eingesetztwerden: strukturintegriert inn

42、ige Einbettung bei allseitighomogener Umschlieung durch den zu mes-senden Werkstoff oberflchen- oder grenzflchenappliziert durch Klebung oder Laminierung lokal fixiert am Messobjekt Die zu verwendenden Messgerte zur Bestimmung und zum Nachweis der Kenngren von ODS wer-den hinsichtlich ihrer Leistung

43、sparameter undKenngren gesondert charakterisiert. Beim Einsatz fr Aufgaben gem dieser Richtli-nie mssen die ausgewhlten Messgerte anfng-lich und in regelmigen Intervallen einer Kalibrie-rung gem der Norm DIN EN ISO/IEC 17025:2000 unterzogen werden. Diese Kalibrierung ist dienotwendige Voraussetzung

44、fr die Angabe: Ge-prft nach VDI/VDE 2660“. 1 Scope The present guideline is concerned with optical strain sensors (OSS) where the strain sensitive element is a fibre Bragg grating (FBG). It is the purpose of the guideline to define the most important features and characteristics, to name the procedu

45、res for their determination and also to de-fine the coupling and testing conditions necessary for the demonstration of these features and charac-teristics. The aims are the following: the unambiguous and complete description of the relevant performance parameters of optical strain sensors using cons

46、istent terminology to facilitate the communication between manu-facturers and users compatibility, to specify limitations or the un-equivocal and well-founded assessment of products from different manufacturers the promotion of the competent choice of OSS for the best solution of the respective meas

47、ure-ment objectives The details in the guideline refer to the measure-ment of static and dynamic values of strain with OSS based on FBG, whereby measurements are typically made in the continuous range from 0 Hz up to several kHz. The OSS can be used in various ways in diverse structural forms: struc

48、turally integrated, closely embedded, with all-round homogeneous enclosure by the mate-rial to be measured surface or boundary-surface bonding by glueing or laminating locally attached to the object of measurement The measuring equipment for the determination and verification of the OSS characterist

49、ics will be separately described with regard to their perform-ance parameters and characteristics. When applied to tasks in accordance with this guideline, the chosen measuring equipment must be subjected to calibration, initially and at regular intervals, in conformity with the standard DIN EN ISO/IEC 17025:2000. This calibration is the neces-sary requirement for the statement: “tested accord-ing to VDI/VDE 2660”. 2 Beg