Faseroptische Messtechnik Messen mit faseroptischen Sensoren

Die rasante Entwicklung der Telekommunikation mit stark wachsenden Datenmengen wäre ohne die optische Übertragungstechnik mittels Glasfaserkabeln nicht denkbar. Von der Entwicklung der Faseroptiktechnologie profitiert nun auch die faseroptische Messtechnik.

Die faseroptische Messtechnik hat zahlreiche Anwendungen in verschiedensten Fachgebieten[1]. Das Prinzip der faseroptischen Sensoren ist seit über 20 Jahren Gegenstand der Forschung (Bild 1).

Prinzipiell enthält ein faseroptischer Sensor einen Indikator, dessen optische Materialeigenschaften, wie Polarisierbarkeit, Fluoreszenz oder Absorption, durch die Messgröße verändert wird. Dadurch wird das Licht in seiner Intensität, Phase oder Polarität beeinflusst, so dass sich für den zu messenden Wert ein charakteristisches Spektrum ergibt[2].

Die meisten physikalischen und chemischen Eigenschaften können dadurch erfasst werden. Temperatur, Druck und Spannung lassen sich ebenso messen wie Feuchtigkeit oder das Auftreten verschiedener Gase[3].

In der Messtechnik werden Multioder Monomodefasern verwendet. Bei beiden wird das Licht im Kern der Faser weitergeleitet. Bei Multimodefasern mit einem Kerndurchmesser von ca. 100 ¼µm wird weißes Licht verwendet, bei Monomodefasern mit einem Kerndurchmesser von etwa 10 ¼µm ist Laserlicht im Einsatz[4].

Zum Auslesen der Sensoren bedient man sich zweier Messverfahren. Bei einem Transmissions-Sensor wird der Indikator vom Licht durchstrahlt. Das resultierende Licht wird in einer zweiten Faser aufgefangen und der Messeinheit zugeführt. Integriert man in geeigneter Weise einen hochreflektierenden Spiegel in den Sensor, wird das Messsignal in die ursprüngliche Faser zurückreflektiert. Durch den Aufbau als Reflexions-Sensor kann dabei auf die zusätzliche Faser verzichtet werden[2].

Faseroptische Messmethoden lassen sich in extrinsische und intrinsische Verfahren unterteilen (Bild 2). Bei extrinsischen Verfahren wird die Faser nur als Übertragungsmedium des Lichts genutzt, der sensorische Effekt passiert im Medium außerhalb oder gekoppelt mit der Faser. Bei den intrinsischen Sensoren werden die Fasereigenschaften durch Wirkungen von außen beeinflusst – die Glasfaser ist somit selbst der Sensor[4, 5].

Physikalische Messgrößen wie Temperatur oder Druck- und Zugkräfte wirken dabei auf die Glasfaser ein und die Eigenschaften der Lichtleitungen in der Faser werden lokal verändert. Infolge der Dämpfung des Lichts in den Quarzglasfasern durch Streuung kann der Ort einer äußeren physikalischen Einwirkung festgestellt werden, so dass der Lichtwellenleiter als linearer Sensor eingesetzt werden kann[6].

Vorteile gegenüber alternativen Sensorformen

Faseroptische Sensoren weisen gegenüber anderen Sensorformen eine Reihe von Vorteilen auf[2, 5]:

  • keine Beeinflussung durch äußere elektromagnetische Felder,
  • keine elektrischen Felder innerhalb des Sensorkopfes,
  • keine galvanische Verbindung zwischen Sensor und Auswerteeinheit,
  • hohe Widerstandsfähigkeit gegen extreme Umwelteinflüsse,
  • sicherer Einsatz in explosionsgefährdeten oder chemischaggressiven und korrosiven Medien,
  • geringe Messwertverfälschungen durch minimale Wärmeableitung und Wärmekapazität,
  • niedrige Faserdämpfung ermöglicht Messungen über große Entfernungen.

Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit der Netzwerkbildung. Ein faseroptisches Sensorsystem ist ein Netzwerk von Sensoren, die eine gemeinsame Datenleitung benutzen, um mit der zentralen Datenerfassung zu kommunizieren.

Die Elemente eines solchen faseroptischen Netzwerkes beinhalten eine zentrale Lichtquelle, Glasfasern, die das Licht zu den einzelnen passiven Sensoren führen, sowie einen weiteren Satz von Fasern, der das gegebenenfalls modulierte Licht zu einem Fotodetektor leitet.

Die Ausgangssignale der verbundenen Sensoren werden mittels Multiplexer in das Kommunikationssystem eingespeist. Die Arbeit dieser Multiplexer basiert auf drei verschiedenen Techniken[3]:

  • Time-division Multiplexing (TDM): Die Sensorsignale werden einem bestimmten Zeitbereich innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters zur Datenübertragung zugeordnet.
  • Frequency-division Multiplexing (FDM): Die Sensorsignale werden einem bestimmten Frequenzbereich zugeordnet, d.h., auf vorgegebene Trägerfrequenzen innerhalb eines definierten Frequenzbandes gesetzt.
  • Wavelength-division Multiplexing (WDM): Die Sensorsignale werden einer definierten optischen Wellenlänge zugeordnet.

Faser-Bragg-Gitter (FBGs) sind in den Kern von Lichtwellenleitern eingeschriebene optische Frequenzfilter (Bild 3). Beim Durchgang von Licht durch das eingeschriebene FBG kommt es bei der sogenannten spezifischen Bragg-Wellenlänge zur Interferenz des an den Gitterelementen reflektierten Lichts. Dies hat im Wellenlängenspektrum des Lichts ein charakteristisches Maximum zur Folge, welches bei Transmissionsmessungen durch eine Reduktion und bei Reflexionsmessungen durch eine Erhöhung der Lichtintensität gekennzeichnet ist[1]. Die so genannte Bragg-Wellenlänge λB ergibt sich durch die Bragg-Bedingung erster Ordnung[7]:

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Darin ist neff die effektive Brechzahl des Grundmodus der Lichtfaser und ΛB die Länge der Modulationsperiode. Die Bragg-Wellenlänge ist empfindlich gegenüber Temperatur und Dehnung am Gitterort. Näherungsweise kann für die Beziehung zwischen äußeren Dehnungs- oder Temperatureinwirkungen auf die Faser und den daraus resultierenden Änderungen der Bragg-Wellenlänge ein linearer Zusammenhang angenommen werden. Damit ändert sich die relative Änderung der Bragg-Wellenlänge mit der Temperatur ΔT und der Dehnung ε entsprechend folgender Gleichung[7]:

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ΔλB0 ist hier die Bragg-Wellenlänge bei der Temperatur T0 und ohne Dehnung, peff der effektive photo-elastische Koeffizient, αn der thermo-optische Koeffizient des FBG und αS bezeichnet thermo-elastische Koeffizienten der zu messenden Struktur.