Dehnungsmessung mit Faser-Bragg-Gitter - Akademische ...

Dehnungsmessung mit Faser-Bragg-Gitter amHolmgurt der SB14 der Akaflieg Braunschweigim FlugversuchMarc Brökelmann21. November 2003

Inhaltsverzeichnis1 Einleitung 32 Das Segelflugzeug SB14 32.1 Druckmessstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Piezoelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Die Faser-Bragg-Gitter 63.1 Das physikalische Messprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.2 Gesamtsystem und Auswerteeinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.3 Voruntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.4 Sensorpositionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.5 Aktueller Zustand des Messsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Die Flugmessanlage FMA 94.1 Beschreibung der FMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Der Flugversuch 116 Auswertung 226.1 Dehnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226.2 Biegeliniendifferenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236.3 Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 Fazit 262

1 EinleitungDie Akademischen Fliegergruppen als Mitglieder der idaflieg haben in den letztenJahrzehnten immer wieder eigenverantwortlich innovative Technik im Leichtflugzeugbauerfolgreich realisiert. Die einzelnen Projekte waren entsprechend ihrerZeit oftmals konsequent ausgelegt. Viele dieser Flugzeuge waren und sind einschlüssiges und gelungenes Gesamtkonzept. Aktuelles Wissen aus der Aerodynamikwurde konstruktiv in neuen Profilen umgesetzt. Bei der Entwicklung derFaserverbundbauweise haben auch hier die idaflieg-Mitglieder entscheidende ersteSchritte gewagt, durch deren Erfolge eine einmalige Ausbildungsqualität der Luftfahrtingenieureentstand und bis heute anhält. Da sich die Neuerungen der fürdie Akaflieg entsprechenden Technologien in letzter Zeit verlangsamt haben, hatder Bereich der Messtechnik im Flugversuch zur Erforschung verschiedener physikalischerZusammenhänge an Bedeutung gewonnen. Die Akaflieg Braunschweigist mit der SB14 gleich drei zusätzliche Schritte in diese Richtung gegangen. DieErfahrungen, die auf einem dieser Wege mit faseroptischen Sensoren gemachtwurden, sollen in diesem Bericht dargestellt werden.2 Das Segelflugzeug SB14Die komplette SB14 entstand vom Entwurf bis zur Fertigstellung allein durch dieArbeiten der Studenten der Akademischen Fliegergruppe (Akaflieg) Brauschweige.V. . Die Akaflieg verankert in ihrer Satzung einen wissenschaftlichen Anspruchbeim Bau ihrer Segelflugzeuge, dem auch die SB14 gerecht werden sollte. DieSB14 ist als einsitziges Segelflugzeug weitestgehend aus Kohlefasermatrixlaminatgebaut. Die technischen Daten sind in tabellarischer Form kurz dargestellt:Spannweite: 18 mRumpflänge: 6,95 mFlügelfläche: 10,84 m 2Leergewicht: 275 kgmax. Abfluggewicht: 470 kggeringstes Sinken:

Abbildung 1: Dreiseitenansicht der SB14turelle Aufbau hauptsächlich danach dimensioniert wurde. Sämtliche Daten vonStruktur, über Auslegung bis zur Vermessung des aerodynamischen Potentialsder SB14 sind mit größter Sorgfalt so detailliert wie möglich erfasst. Damit istdie SB14 prädestiniert als Erprobungsträger für luftfahrtwissenschaftliche Messtechnik.Für die SB14 existiert weiterhin ein FE-Modell, das am Standschwingungsversuchbeim DLR in Göttingen kalibriert werden konnte. Während derBauphase wurden in die Tragflügel verschiedene Messeinrichtungen und Messsystemeeingebaut, auf die im Folgenden kurz eingegangen werden soll.2.1 DruckmessstellenIn dem linken Tragflügel befinden sich bei einer Halbspannweite von ca. vierMeter 70 Druckabnahmestellen, die in das Profil integriert sind. Die Leitungenhaben einen Durchmesser von 0, 3mm. Die Abbildung 2 zeigt die Flügeloberseitein der offenen Flügelform. Neben den Anschlussstellen befindet sich eine Öffnungin der Flügelschale als Zugangsmöglichkeit von außen, in der Messtechnik untergebrachtwerden kann. Ziele dieser Anlage sind u.a. die Messung dynamischerDruckverteilungen am Profil.4

Abbildung 2: Die offene Flügelform mit der Oberseite des linken Flügels. Imgelben Rahmen sind die Anschlussstellen für die im Profil integrierten Druckmessstellenzu erkennen.5

Abbildung 3: Eine Piezokeramik (roter Kasten, links) und ein faseroptischer Sensor(blauer Kasten, rechts) auf der Unterseite des Holmgurtes bei noch offenerFlügelschale2.2 PiezoelementeIn dem rechten Tragflügel liegen auf der Unterseite des oberen Holmgurtes neunPiezoelemente, die eine Verformungsänderung des Gurtes an der jeweiligen Stellein einem zeitlich äquivalenten elektrischen Potential wiedergeben. Das gesamteSystem kam erstmals während des Standschwingungsversuchs zum Einsatz, umdie Eignung der Piezoelemente für die Flattererprobung zu bestimmen.3 Die Faser-Bragg-GitterAuf der Unterseite des oberen rechten Holmgurtes im Flügel ist eine lichtleitendeGlasfaser verlegt. Diese dient der Dehnungsermittlung mit faseroptischen Bragg-Gitter-Sensoren. Die Faser wurde der Akaflieg Braunschweig vom Institut fürphysikalische Hochtechnologie IPHT Jena e.V. zur Verfügung gestellt. Insgesamtbefinden sich acht Dehnmessstellen im Abstand von je einem Meter und zweiTemperaturmessstellen im Flügel.6

Abbildung 4: Die Positionen der Faser-Bragg-Sensoren im Flügel. Bei den blauenPunkten befinden sich die Dehnungssensoren, bei den grünen die Temperatursensoren.ausführlicher Bericht hierzu ist unter http://www.tu-bs.de/∼y0010975/fbg5.pdfzu finden.3.4 SensorpositionenDie Faser wurde so auf dem Holmgurt aufgebracht, dass zwei Temperaturmessstellenund acht Dehnungsmessstellen existieren. Die beiden Temperatursensorenliegen bei einer Halbspannweite von y T 1 = 840mm und y T 2 = 7485mm. DieVerteilung der Dehnungssensoren sei kurz tabellarisch angegeben:Nr. Bezugswellenlänge [nm] Position(Halbspannweite)[mm]1 825 6602 830 16603 835 26604 840 36605 842 46606 837 56607 832 66608 822 7660Die sensorfreie Faser wurde größtenteils zum Schutz mit einer dünnen Glasfasergewebeschichteinlaminiert.3.5 Aktueller Zustand des MesssystemsZwischen dem Einbau der Sensoren und dem Verkleben der Flügelschalen sind ca.10 Monate vergangen. Direkt nach dem Flügelverkleben stellte sich heraus, dasses einen Bruch in der Faser gegeben haben muss. Es sind augenblicklich nur dreiDehnungssensoren mit der Auswerteeinheit zu erfassen (siehe Abbildung 5). Derrechte Flügel wurde nach Jena gefahren, um dort den Versuch zu unternehmen die8

estlichen Sensoren vom anderen Faserende aus auszulesen. Leider verlief dieserVersuch erfolglos. Die Flugversuche verliefen also mit drei Dehnungs- und einemTemperatursensor.Abbildung 5: Die einzelnen Reflexionsintensitäten der Sensoren. Der Bruch nachdem vierten Sensor ist hier im Einbruch der relativen Intensität zu erkennen.4 Die Flugmessanlage FMAIm Flugversuch ist bei hochauflösenden Messungen eine exakte Beschreibung desFlugzustandes unabdingbar. Die Auswerteeinheit für die FBG liefern zwar sehrgenaue Dehnungswerte, die jedoch keine Informationen über den aktuellen Flugzustandenthalten. Diese Daten wurden von der Flugmessanlage des Instituts fürFlugführung (IFF) aufgenommen und später zeitlich synchronisiert.4.1 Beschreibung der FMADie Messanlage FMA-PC III wurde am (IFF) der TU Braunschweig entwickeltund in drei Exemplaren gebaut. Dabei wird auf die Erfahrungen mit dem Messsystemdes Forschungsflugzeugs D-IBUF (Do128-6) und das dort eingesetzte Echtzeitbetriebssystemzurückgegriffen. Die Messanlage ist prinzipiell universell einsetzbar,bietet jedoch einige zusätzliche Merkmale, die dem Einsatz in Segelflugzeugenentgegen kommen. Die Basis bildet ein PC104 an den eine 16Bit A/D-9

Karte mit 16 Kanälen angeschlossen ist. Eine hochwertige Filtereinheit, die an denderzeitigen Einsatzzweck angepasst ist, modifiziert die analogen Eingangssignaleund verhindert so Aliasing. Das integrierte GPS-Modul bereitet alle erforderlichenNavigationsdaten auf. Das Betriebssystem und die Konfigurationstabellenwerden auf einer kleinen internen statischen Festplatte abgelegt, während dieSpeicherung der Messdaten auf einer PCMCIA-Karte erfolgt, mit der die Datensehr einfach zur Auswertung transportiert werden können. Die Messanlageversorgt die in der Luftfahrt üblichen Sensoren für Drücke, Beschleunigungen,Drehraten, usw. mit 15VDC. Eine präzise 10VDC-Referenzspannung ermöglichtdie Bereitstellung anderer Spannungsgrößen, im vorliegenden Anwendungsfall,z.B. als Speisespannung für Präzisionspotentiometer.Alle Komponenten sind in einem robusten Metallgehäuse untergebracht. AufGrund der handlichen Abmaße (150mm x 150mm x 100mm) und des niedrigenGewichts (ca. 1.6kg, ohne Sensoren) kann sie selbst an kritischen Orten eingesetztwerden, z.B. im Flügelrandbogen der Do128-6. Die Versorgungsspannungkann zwischen 9-36VDC variieren. Bei der Sensorenbestückung wie in der SB14werden ca. 25Watt elektrischer Leistung benötigt, d.h. bei dem eingesetzten 12VBleiakkumulator mit einer Kapazität 10Ah kann die Messanlage für ca. 5 Stundenbetrieben werden, abzüglich Funkgerät und ggf. Navigationshilfen. Bei denderzeitigen Anwendungen werden die Daten mit einer Rate von 100 Hz gespeichert,wobei eine Erhöhung auf 400Hz möglich ist. Das Echtzeitbetriebssystemsynchronisiert seine Systemzeit auf die GPS-Zeit. Dadurch wird die Verarbeitungvon Datensätzen ermöglicht, die mit verschiedenen autonom arbeitendenMessanlagen, z.B. in zwei parallel fliegenden Flugzeugen, mit diesem Betriebssystemerzeugt wurden. Ihre Praxistauglichkeit haben die Anlagen u.a. auf mehrerenIdaflieg-Sommertreffen unter Beweis gestellt.In der SB14 wird diese Messanlage derzeit für die Flugerprobung eingesetzt. Dazusind folgende Sensoren permanent oder wahlweise angeschlossen:• Statischer Druck (Rosemount Absolutdrucksensor)• Staudruck (Rosemount Differenzdrucksensor)• Je drei Beschleunigungen und Drehraten im flugzeugfesten karthesischenKoordinatensystem (MotionPAK, Sistron Donner)• Temperatur (PT100)• GPS-Position (intern)Wahlweise:• Zwei Differenzdrucksensoren für Kalibrierungen (Rosemount)• Anstell- und Schiebewinkel (Potentiometer VP12)10

Abbildung 6: Der Polychromator ist links im Bild zu sehen. Die Faser (orange)wird durch eine Schnellverbindung an den Polychromator angeschlossen. Die Datenwerden über eine RS232-Schnittstelle an den Computer weitergeleitet. DerAkku zur Spannungsversorgung ist oberhalb des Polychromators zu erkennen.• Stellung aller Ruder (Potentiometer VP12)• Höhensteuerstellung am Steuerknüppel (Potentiometer VP12)• Höhensteuerkraft (DMS-Vollbrücken-Messung an speziellem Biegebalken)Mit diesen Daten ist eine genaue Beschreibung der geflogenen Flugzuständemöglich. Mittels angepasster Flugmanöver folgt daraus eine in vielen Teilen objektivereFlugerprobung.5 Der FlugversuchWährend der Flugversuche wurden Teile der Auswerteeinheit aus Platzmangel imCockpit auf dem Flügel angebracht. Die Abbildung 6 zeigt den Polychromatorund den Akku zur Spannungsversorgung. Ein Laptop wurde im Cockpit hinterdem Piloten untergebracht. Dieser war ebenfalls aus Platzgründen während desFluges nicht zugänglich, so dass die Dehnungsmessung vor dem Start begonnen,und nach der Landung und kurzer Wartezeit beendet wurde. Für die Verbindungzwischen dem Laptop und dem Polychromator wurde ein Kabel durch die Schwerpunktkupplungverlegt. Gestartet wurde im Flugzeugschlepp. Die Flugversuchewurden so gewählt, dass es mit der zeitlichen Mittelung des Polychromators keine11

Unstimmigkeiten geben sollte. Daher wurden folgende stationäre und quasistationäreManöver geflogen:• Freier Geradeausflug mit konstanter Geschwindigkeit. Teile der Aufzeichnungender FMA sind in der Abbildung 7 zu sehen. Das Verhalten derDehnungssensoren zeigt Abbildung 8.• 60 ◦ -Kreise; je ca. 40 Sekunden stationäres Kreisen mit verschiedenen Wölbklappenstellungen.Drehraten und a z -Beschleunigungen sind in der Abbildung9 zu sehen. Die Daten der FBG sind durch dynamische Effekte teilweisegemittelt, so dass nur der letzte Bereich zur Auswertung benutzt wurde(siehe Abbildung 10 und 11).• Abfangbögen mit 160 km und stationäre a hz-Beschleunigung. Zu diesem Manöversind Daten aus der Flugmessanlage in Abbildung 12 zu sehen. Der Vergleichmit den zeitlich syncronisierten Daten der Faser-Bragg-Gitter zeigt, dass dieAuswertung hierzu nicht sinnvoll ist.• Zügiges Ausfahren der Bremsklappen bei 110 km und konstanter Geschwindigkeit.Der Flugzustand wird von beiden Messsystemen eindeutig erkannt.h(Abbildung 14 und 15)• Zügiges Umwölben der Wölbklappe von −4 ◦ auf +24 ◦ bei konstanter Geschwindigkeitvon 90 km . Dieses dynamische Manöver wurde geflogen umhherauszufinden, wann eine Auswertung mit der Datenaufzeichnungsrate desDehnungsmessequipments nicht mehr sinnvoll ist. Die Grenzen wurden jedochschon deutlich früher erreicht.• Stillstand am Boden nach der Landung. Das Laufen lassen der Datenerfassungnach der Landung diente zur Bestimmung der Nulllage bei derFlügeldurchbiegung.Zu den 60 ◦ -Kreisen gab es gegen Ende noch weitere Manöver, die ein anderesLastvielfaches erzeugten, jedoch lag in dieser Zeit ein Ausfall in der Aufzeichnugvor. Bei den quasistationären Manövern gab es, wegen zeitweiser Integrationszeitendes Polychromators von bis zu 10s, statistisch nur sehr schwach gestützteMesspunkte.12

13Abbildung 7: Dargestellt sind die Geschwindigkeit und Höhe als Druck in hP a und die az-Beschleunigung in Vielfachender Erdbeschleunigung. Zur Auswertung wurde die Zeitspanne von 38245s bis 38270s genommen

14Abbildung 8: Im zeitsynchronisierten Bild der Faserdehnung zeigt sich ein entsprechendes Bild mit geringer Varianz inder Dehnung. Hier ist nochmals die Geschwindigkeit in km mit den Daten aus der FMA aufgetragen.h

15Abbildung 9: Die Messergebnisse der FMA zeigen hier die Drehraten um die Flugzeughoch- und querachse in ◦ /s an. Dieaz-Beschleunigung wird durch Vielfache der Erdbeschleunigung und einem Skalierfaktor von 10 dargestellt.

17Abbildung 11: Von 38632s an wurden die Daten für die nächsten 15s zur Auswertung verwendet. Die Streuung derMesswerte ist hier ausgesprochen klein.

18Abbildung 12: Die FMA-Werte zeigen, dass die jeweiligen az-Beschleunigungen bei den Abfangbögen maximal für 5skonstant gehalten wurden. Weiterhin sind der Staudruck in hP a und die Drehrate in ◦ /s um die Querachse aufgetragen.

19Abbildung 13: Aus den gemessenen Werten der Faserdehnung ließen sich bei diesem Manöver keine sinnvollen Ergebnisseerzielen, da hier die Integrationszeit des Polychromators teilweise über 10s lag.

20Abbildung 14: Die Aufzeichnung der ax-Beschleunigung mit Faktor 10 im Vielfachen der Erdbeschleunigung und der Drehrateum die Querachse zeigt deutlich das Aus- und Einfahren der Bremsklappen. Mit aufgetragen sind die az-Beschleunigungund der statische Druck in hPa als Höhenangabe.

21Abbildung 15: Nach der FMA sind die Bremsklappen für ca. 10s ausgefahren, was hier in den Dehnungswerten wiederzuerkennenist.

6 AuswertungDie Auswertung liefert grundsätzlich Dehnungswerte, mit denen ein Vergleichzur Theorie aufgestellt wurde und die zur Berechnung der Biegeliniendifferenzenherangezogen wurden.6.1 DehnungenDie Daten, die mit der Auswertesoftware aus dem Polychromator ausgelesen werden,sind Wellenlängen und deren relative Intensität zum eingestrahlten Spektrum.Die Dehnung aus der Wellenlänge an dieser Stelle ergibt sich durchε = ∆LL = ∆λλ 0 (1 − p)[1]mit p = 0, 23 als photoelastischen Koeffizienten. Die Datensätze der FMA unddes Dehnungssensors wurden zeitlich synchronisiert. Zu den einzelnen Manövernergaben sich folgende Werte:a z [g]mittlereDehnungbei660mm[Promille]theo.Dehnungbei660mm[Promille]mittlereDehnungbei1660mm[Promille]theo.Dehnungbei1660mm[Promille]mittlereDehnungbei2660mm[Promille]theo.Dehnungbei2660mm[Promille]geflogenesManöver2, 25 −0, 52 −0, 58 −0, 59 −0, 69 −0, 52 −0, 72 60 ◦ -Kreis1, 00 −0, 20 −0, 26 −0, 24 −0, 31 −0, 26 −0, 32 Geradeausflug0, 93 −0, 32 −0, 24 −0, 38 −0, 29 −0, 38 −0, 30 BK ausgefahren1, 03 −0, 20 −0, 26 −0, 25 −0, 32 −0, 26 −0, 33 BK eingefahren1, 00 0, 02 − 0, 02 − 0, 01 − Stillstand0, 04 − 0, 03 − 0, 03 − MaximaleDehnung−0, 63 − −0, 69 − −0, 62 − MinimaleDehnungDie gemessenen Werte liegen mit einer relativen Genauigkeit von 82% bis92% bei den theoretischen Werten. Diese stammen aus der Berechnug nach derelementaren Biegetheorie und den detaillierten Konstruktionsdaten der SB14.22

6.2 BiegeliniendifferenzenMit den Dehnungswerten wurden nach der elementaren Biegetheorie die Durchbiegungenerrechnet. Danach gilt bei kleinen Winkeln:∫w ′ (y) =2ε(x)h(x) dy + c 1bzw.∫w(y) =w ′ (y) dyFür die Funktionen ε(y) und h(y) wurden jeweils Polynome zweiten Grades angenommenund aus den Messdaten approximiert. Der Abstand der Messstellen zurneutralen Faser wurde den Konstruktionsdaten entnommen. Nach zweimaligerIntegration ergibt sich eine Funktion nach dem Grundtypw(y) = a 0 + a 1 y + a 2 y 2 + (a 3 + a 4 y) log(a 5 − y) + (a 6 + a 7 y) log(a 8 − y)wobei a 0 bis a 8 als numerische Parameter anzusehen sind. Die gemessene Durchbiegungim Stillstand dient als offset, so dass Biegeliniendifferenzen ausgewertetsind. Der Abstand zwischen der roten und der grünen Kurve in Abbildung 16 gibtalso die Durchbiegungsdifferenz zwischen dem Stillstand am Boden und dem freienGeradeausflug wieder. Die Durchbiegung ist nur bis zu einer Halbspannweitevon 2,5m aufgetragen, da die weiteren Messstellen nicht mehr zugänglich waren.In Abbildung 17 ist die Biegelinie für voll ausgefahrene Bremsklappen zu sehen.Eine Vergrößerung der Dehnung um 5mm scheint für dieses Manöver mit 110 km hrealistisch. Der zusätzliche Vergleich mit dem Geradeausflug und dem Flugzustandnach dem Einfahren der Bremsklappen lässt auf die Reproduzierbarkeitder Messwerte schließen.23

24Abbildung 16: Die aus den Dehnungen errechneten Biegeliniendifferenzen

25Abbildung 17: Die Biegelinien bei jeweils aus- und eingefahrenen Bremsklappen. Die blaue Linie zeigt den Fall der ausgefahrenenBremsklappen. Bei der grünen und cyanfarbenen Linie handelt es sich um den freien Geradeausflug.

6.3 TemperaturmessungEine Auswertung aus den Daten des Temperatursensors wurde aus mehrerenGründen nicht vorgenommen. Einerseits fehlte hierzu an geeigneter Stelle einRedundanzsystem, andererseits hatten Messprojekte im Rahmen der Flugerprobungauf dem idaflieg-Sommertreffen, mit der SB14 priorität. Eine Messung zumTemperaturverhalten wird nachgeholt. Thermische Einflüsse, die die Messergebnisseverfälschen könnten, wurden ausgeschlossen, da die Größenordnung dieserEffekte derzeit noch in der Messungenauigkeit liegt. Mit dynamischen Auswerteeinheitenist dies aber auf jeden Fall zu berücksichtigen.7 FazitDie Messungen im Flugversuch verliefen ohne nennenswerte Probleme. Die Möglichkeitendie mit den Dehnungsmessungen im Flug vorhanden sind, sind ausgesprochenvielfältig und bieten ein breites Einsatzspektrum.Für weitere Flugversuche mit der SB14 wäre eine höherfrequente Datenerfassungbei der Dehnungsmessung wünschenswert. Eine solche Auswerteeinheit wird voraussichtlichEnde November 2003 beim IPHT Jena e.V. fertiggestellt. Für dieZukunft sind weitere Messungen angedacht, wie z.B. die Betrachtung der Dehnungim Windenstart und eine Langzeit-Temperaturmessung. Die Auswertungzeigt, dass das Einsatzgebiet in Faserverbundwerkstoffen bezüglich der Messtechnikkeinerlei Probleme bereitet. Die Gleichartigkeit der Werkstoffe unterstreichtdiese Aussage.Die aus den Messwerten gewonnenen Daten bieten prinzipiell die MöglichkeitTheorien zur Struktur und Auslegung genauer zu betrachten. Die gesamten achtDehnungssensoren wären in diesem Fall aussagekräftiger.26