Simulation, Herstellung und Evaluation folienintegrierbarer optischer Dehnungssensoren

Diese Dissertationsschrift befasst sich mit der Auslegung, Herstellung und dem Test zweier Typen eines integrierten, optischen Dehnungssensors, der ausschließlich aus Polymerwerkstoffen besteht. Zur Zeit basieren alle am Markt erhältlichen optischen Dehnungssensoren auf sog. Faser-Bragg-Gittern (FBG), die in eine monomode-Glasfaser eingebracht wurden. Diese arbeiten in Durchlassrichtung ähnlich wie ein Bandstopp-Filter und reflektieren ein sehr schmales Spektrum zurück zur Lichtquelle. Werden diese Sensoren gedehnt, ändert sich die Reflektionswellenlänge. Diese kann dann spektral ausgewertet und so die aktuelle Dehnung des FBG-Sensor bestimmt werden. Sensoren dieses Typs sind seit etwa zehn Jahren kommerziell erhältlich. Durch die Verwendung von Glasfaser verfügen diese Sensoren jedoch aufgrund das vergleichsweise brüchigen Basismaterials über einen eingeschränkten Dehnungsbereich. Darüber hinaus sind vor allem Messungen auf Bauteilen, die flach, flexibel und vor allem großflächig sind, auch mit Glasfaser-basierten FBG-Sensoren nur schwer möglich; So sind diese zwar eingeschränkt hintereinanderschaltbar, jedoch müssen trotzdem große Mengen von Glasfaser, die keine Sensoren enthalten auf dem Bauteil fixiert werden und beeinflussen z.B. durch ihr Gewicht die Messung. Generell ist für ein Szenario wie z.B. die Vermessung einer Flugzeugtragfläche eine flexible, aufklebbare Folie mit integrierten Messstellen wünschenswert. Diese ist in Glas aktuell jedoch nicht herstellbar. Monomode-Wellenleiter aus transparenten Polymeren als flexiblere Basis für optische Anwendungen stehen ebenfalls kommerziell noch nicht zur Verfügung, weshalb FBG-Sensoren in Polymerwellenleitern derzeit noch Gegenstand der Forschung sind. Ein weiteres Hindernis der einfachen Überführung der FBG-Technik auf Kunststoff-Wellenleiter ist die Tendenz vieler Kunststoffe, eingebrachte Strukturänderungen wie z.B. ein FBG durch ein Zusammenspiel von Zeit und Temperatur wieder zu “vergessen“. Diese Arbeit ist eingebettet in das Sonderforschungsprogramm SFB 123 “PlanOS“ und beschreibt die Auslegung, Herstellung und Charakterisierung zweier polymerbasierter Dehnungssensoren, die ausschließlich auf vergleichweise großskaligen Multimode-Wellenleitern beruhen. Ein intensitätsmodulierender Ansatz funktioniert mittels zweier sich gegenüber angeordneter Wellenleitern, von denen einer als Emitter, der andere als Receiver arbeitet. Eine Änderung des Abstands der beiden Wellenleiter zueinander führt zu einer Änderung der Koppeleffizienz, die dann durch Auswertung der geführten Leistung am Ende des Receiver-Wellenleiters ausgewertet werden kann. Ein zweiter, chromatischer, Ansatz nutzt ein in ein Polymersubstrat eingebrachtes Beugungsgitter als dehnungssensitives Element. Breitbanding beleuchtet durch einen Emitter-Wellenleiter kann die erste Beugungsordnung des Gitter von einem Receiver aufgenommen und an dessen Ende spektral ausgewertet werden. Eine Dehnung des Systems entlang des Gitters führt zu einer Änderung im eingekoppelten Spektrum, die mittels Spektrometer messbar ist. Durch die großen Abmessungen der verwendeten Wellenleiter zwischen 250 µm und 100 µm kann die Kopplung von Licht mittels kostengünstiger inkohärenter Lichtquellen wie LED erfolgen. Beide Konzepte werden in dieser Arbeit zunächst theoretisch untersucht. Im Falle des intensitätsbasierten Sensors wird vor allem die Intensitätsverteilung am Emitterende genauer untersucht, während beim chromatischen Sensor der Mechanismus der Gitterherstellung durch femtosekunden-Schreiben durch Einsatz eines Algorithmus zur Phasenrekonstruktion näher untersucht wird. Die Herstellung des intensitätsbasierten Sensors von Hand und mittels Reaktivlamination wird beschrieben und Messergebnisse werden vorgestellt. Ebenfalls werden Messungen an mechanisch belasteten Gittern des chromatischen Dehnungssensors vorgestellt. Im Rahmen dieser Arbeit sind außerdem eine präzisions-Zugprüfmaschine und ein Heißklingen-Cleaver entstanden, die für eine mechanische Charakterisierung der hergestellten Systeme bzw. ein präzises Trennen der Polymersubstrate unabdingbar sind. Deren Entwurf und Aufbau wird ebenfalls beschrieben. Abschließend wird eine Sensorfolie vorgestellt, die mehrere intensitätsbasierende Dehnungssensoren trägt. Die Ergebnisse von Tests an einem Prototyp dieser Folie werden mit den Ergebnissen vorher ausgeführter analytischer Untersuchungen zur Sensorantwort verglichen.