Dehnungsmesstechnik Grundlagen der optischen Sensormessung mit Faser-Bragg-Gittern

Die optische Sensormessung mit Faser-Bragg-Gittern (FBG) verwendet Licht anstelle von Strom sowie handelsübliche Glasfasern anstelle von Kupferdrähten. Glasfasern und optische FBG-Sensoren sind nichtleitend, elektrisch passiv und nicht anfällig gegenüber Rauschen durch elektromagnetische Störung. Durch die Erfassung mit einem leistungsstarken abstimmbaren Laser können Messungen über große Entfernungen mit verschwindend geringem Verlust an Signalintegrität durchgeführt werden.

Elektrische Sensoren sind seit langer Zeit das Standardmittel für die Messung physikalischer und mechanischer Größen. Obwohl sie praktisch überall verwendet werden, sind diesen Sensoren Grenzen gesetzt, zum Beispiel durch Übertragungsverluste oder die Anfälligkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen (Rauschen). Durch diese Nachteile wird ihre Verwendung für viele Anwendungen zur Herausforderung oder beinahe unmöglich. Die Messung mit optischen Glasfasersensoren stellt eine gute Lösung für diese Anforderungen dar, da sie Licht anstelle von Strom und handelsübliche Glasfasern anstelle von Kupferdrähten einsetzt.

Die umfangreichen Entwicklungen, die in den vergangenen zwei Jahrzehnten in den Bereichen Optoelektronik und glasfaserbasierte Kommunikation stattfanden, haben zu einer entscheidenden Preissenkung und höherer Qualität bei den optischen Bauteilen geführt. Dank dieser Vorteile haben sich Glasfasersensoren und zugehörige Messgeräte so weit entwickelt, dass sie nicht nur in experimentellen Forschungsanwendungen im Labor, sondern auch in Anwendungen in der Praxis eingesetzt werden, zum Beispiel für die Überwachung von Bauwerken.

Einführung in optische Glasfasersensoren

Grundsätzlich funktioniert ein optischer Glasfasersensor durch Modulierung einer oder mehrerer Eigenschaften einer sich ausbreitenden Lichtwelle und reagiert dadurch auf die gemessenen Umgebungsparameter. Beeinflusst werden zum Beispiel die Eigenschaften Intensität, Phase, Polarisation und Frequenz der Lichtwelle.

In extrinsischen (hybriden) optischen Sensoren dienen Glasfasern nur zur Übertragung von Licht zum Sensor und zurück, wohingegen in intrinsischen optischen Sensoren die Glasfaser selbst den Sensor darstellt. Die Grundlage der optischen Sensortechnologie bildet die Glasfaser – ein dünner Glasstrang, der Licht in seinem Kern überträgt.

Eine Glasfaser setzt sich aus drei Hauptbestandteilen zusammen: einem Kern, einem Mantel und einer Schutzschicht (Bild 1). Der Mantel reflektiert Streulicht zurück in den Kern und gewährleistet so minimalen Verlust bei der Übertragung des Lichts durch den Kern. Dies wird durch einen höheren Brechungsindex im Kern gegenüber dem Mantel erreicht und führt zu einer vollständigen Reflexion des Lichts im Inneren des Kerns.

Die äußere Schutzschicht dient als Abschirmung gegenüber Einflüssen von außen und Beschädigungen. Sie kann je nach dem erforderlichen Maß an Robustheit und den Schutzanforderungen zahlreiche Schichten aufweisen.

Sensoren mit Faser-Bragg-Gitter (FBG)

Einer der am häufigsten eingesetzten und weit verbreiteten optischen Sensoren ist der Sensor mit Faser-Bragg-Gitter (FBG), der eine Wellenlänge des Lichts reflektiert, die durch Temperatur- und/oder Dehnungsabweichungen verändert wird. FBGs werden hergestellt, indem ein kurzes Stück einer lichtempfindlichen Faser mithilfe holografischer Interferenz oder einer Phasenmaske periodisch verteilter Lichtintensität ausgesetzt wird. Der Brechungsindex der Faser wird dabei laufend entsprechend der Lichtintensität beeinflusst. Die dadurch entstehende periodische Abweichung des Brechungsindexes wird als Faser-Bragg-Gitter bezeichnet.

Wird ein Lichtstrahl mit einem breiten Spektrum durch ein FBG geschickt (Bild 2), wirken sich die Reflexionen jedes Abschnitts des sich ändernden Brechungsindexes nur auf eine spezielle Wellenlänge des Lichts entscheidend aus. Diese wird Bragg-Wellenlänge genannt und mittels Gleichung 1 berechnet:

(01)   «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»§#955;«/mi»«mi»b«/mi»«/msub»«mo»=«/mo»«mn»2«/mn»«mi»n§#923;«/mi»«/math»

Somit reflektiert das FBG (Bild 3) wirksam eine spezielle Lichtfrequenz, während alle übrigen unverändert übertragen werden. (1) In Gleichung 1 sind λb die Bragg-Wellenlänge, n der effektive Brechungsindex des Faserkerns und Λ der Abstand zwischen den Gittern, auch als Gitterperiode bezeichnet

Da die Bragg-Wellenlänge eine Funktion des Abstands zwischen den Gittern ist, können FBGs mit verschiedenen Bragg-Wellenlängen hergestellt werden, die es unterschiedlichen FBGs ermöglichen, verschiedene Wellenlängen des Lichts zu reflektieren.

Änderungen bei Temperatur und Dehnung wirken sich sowohl auf den effektiven Brechungsindex n als auch auf die Gitterperiode Λ eines FBG aus und führen zu einer Veränderung der reflektierten Wellenlänge. Die durch Dehnung und Temperatur geänderte Wellenlänge eines FBG kann in etwa durch Gleichung 2 verdeutlicht werden:

(02)   «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mfrac»«mi»§#916;§#955;«/mi»«msub»«mi»§#955;«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«/mfrac»«mo»=«/mo»«mfenced»«mrow»«mn»1«/mn»«mo»-«/mo»«msub»«mi»p«/mi»«mi»e«/mi»«/msub»«/mrow»«/mfenced»«mo»§#183;«/mo»«mi»§#949;«/mi»«mo»+«/mo»«mfenced»«mrow»«msub»«mi»§#945;«/mi»«mi»§#923;«/mi»«/msub»«mo»+«/mo»«msub»«mi»§#945;«/mi»«mi»n«/mi»«/msub»«/mrow»«/mfenced»«mo»§#183;«/mo»«mi»§#916;T«/mi»«/math»

Hier stellen Δλ die Änderung der Wellenlänge und λo die ursprünglich eingefallene Wellenlänge dar.

Der erste Ausdruck beschreibt die Auswirkung der Dehnung auf die Änderung der Wellenlänge, bei der pe den photoelastischen Koeffizienten und ε die Dehnung des Gitters veranschaulichen. Der zweite Ausdruck bezieht sich auf die Auswirkung der Temperatur auf die Änderung der Wellenlänge, bei der αΛ für den Wärmeausdehnungskoeffizienten und αn für den thermooptischen Koeffizienten stehen. In Abhängigkeit von der Temperatur bezeichnet αn also die Änderung des Brechungsindexes, wohingegen αΛ die Ausdehnung des Gitters verdeutlicht.

Da ein FBG sowohl auf Dehnung als auch auf Temperatur reagiert, müssen beide Einflussfaktoren berücksichtigt und vor allem muss zwischen ihnen unterschieden werden. Für eine Temperaturmessung mit dem Sensor darf das FBG nicht gedehnt werden. Ummantelte FBG-Temperatursensoren können eingesetzt werden, um sicherzustellen, dass das FBG in dieser Schutzhülle keinen Biege-, Spannungs-, Druck- oder Torsionskräften ausgesetzt ist.

Der Ausdehnungskoeffizient αΛ von Glas ist äußerst niedrig. Deshalb können Änderungen in der reflektierten Wellenlänge aufgrund von Temperatur hauptsächlich durch Änderungen im Brechungsindex αn der Faser verfolgt werden. FBG-Dehnungssensoren sind etwas komplexer, da sowohl Temperatur als auch Dehnung einen Einfluss auf die reflektierte Wellenlänge des Sensors haben. Korrekte Dehnungsmessergebnisse machen eine Kompensation der Temperaturauswirkungen auf das FBG erforderlich. Dies kann erreicht werden, indem ein FBG-Temperatursensor in unmittelbarer Nähe zu FBGDehnungssensoren eingebaut wird. Die Änderung der Wellenlänge, die im FBG-Temperatursensor hervorgerufen wird, kann einfach von der Änderung der Wellenlänge des FBG-Dehnungssensors subtrahiert und so der zweite Ausdruck in Gleichung 2 entfernt werden. Daraus ergibt sich ein temperaturbereinigter Dehnungsmesswert.

FBG-Dehnungsmessstreifen werden mit einer ähnlichen Methode auf das zu messende Material aufgebracht wie konventionelle elektrische Dehnungsmessstreifen und sind mit einer Vielzahl an Formfaktoren und Befestigungsmöglichkeiten erhältlich, darunter Epoxide, Schweißverfahren u.v.m.