Dehnungsmesstechnik
Grundlagen der optischen Sensormessung mit Faser-Bragg-Gittern
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Methoden der Interrogation
Die Möglichkeit, FBGs mit unterschiedlichen Bragg-Wellenlängen herzustellen, erlaubt die effektive Nutzung der Methode des Wavelength Division Multiplexing (WDM). Dadurch können mehrere Sensoren mit unterschiedlichen Bragg-Wellenlängen auf bzw. in einer einzigen Faser über weite Entfernungen in Reihe geschaltet werden. WDM liefert für jeden FBG-Sensor den passenden Wellenlängenbereich innerhalb des Lichtspektrums. Aufgrund der Wellenlängenbeschaffenheit von FBGs liefern Sensormessungen auch bei Lichtintensitätsverlusten bzw. -dämpfungen durch Biegung oder Übertragung genaue Ergebnisse.
Die Anzahl der Sensoren, die in eine einzelne Faser implementiert werden kann, hängt vom Wellenlängenbereich jedes Sensors während des Einsatzes und vom gesamten verfügbaren Wellenlängenbereich des Interrogators ab. Da Änderungen der Wellenlänge bei Dehnung üblicherweise ausgeprägter sind als bei Temperatur, liegt dieser Bereich bei FBG-Dehnungssensoren oft bei etwa 5 nm, wohingegen er bei FBG-Temperatursensoren bei etwa 1 nm liegt.
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Interrogatoren verfügen für gewöhnlich über einen Messbereich zwischen 60 und 80 nm, weshalb ein Array aus faseroptischen Sensoren normalerweise aus einem bis mehr als 80 Sensoren bestehen kann – solange sich die reflektierten Wellenlängen nicht überschneiden (Bild 4). Die Auswahl der nominalen Wellenlängen und Bereiche muss für FBG-Sensoren in einem Array sorgfältig getroffen werden, damit jeder Sensor innerhalb eines besonderen Spektralbereichs betrieben werden kann.
Bei typischen FBG-Sensorwellenlängen, die im Bereich von wenigen Nanometern eingesetzt werden, müssen optische Interrogatoren Messungen mit einer Auflösung im Pikometerbereich ausführen können – ein verschwindend geringer Wert für eine Maßangabe. Dabei stehen einige Methoden für das Erfassen optischer FBG-Sensoren zur Verfügung. Interferometer werden oft für Laboranlagen eingesetzt und können hochauflösende optische Spektralmessungen durchführen. Diese Geräte sind normalerweise kostenintensiv, groß und nicht robust genug für Vor-Ort-Überwachungsanwendungen, zum Beispiel Konstruktionen für Windturbinenblätter, Brücken, Pipelines und Dämme.
Ungleich robuster hingegen ist eine Methode, bei der ein CCD-Gerät und ein festes dispersives Element zum Einsatz kommen. Mit dieser Lösung kann man Wellenlängen in Positionswerte umwandeln; und zwar in der Weise, dass man mit einer breitbandigen Lichtquelle das FBG (bzw. mehrere FBGs in einem Array) beleuchtet. Die reflektierte Lichtwelle wird durch ein dispersives Element geleitet, das die verschiedenen Bestandteile der Wellenlänge während der Reflexion an unterschiedliche Stellen auf einem linearen CCD-Sensor verteilt (Bild 5).
Bei dieser Vorgehensweise können schnelle Messungen gleichzeitig an allen FBGs in einem Array durchgeführt werden. Sie liefert jedoch begrenzte Auflösungs- und Signal-Rausch-Abstandswerte. Beispielsweise ist für eine Auflösung von 1 pm über einen Bereich von 80 nm ein lineares CCDGerät mit 80.000 Pixeln nötig, also mehr als das Zehnfache an Pixeln, die das beste erhältliche lineare CCDGerät derzeit erreichen kann (Stand: Juli 2010). Zudem wird die Leistung einer breitbandigen Lichtquelle über einen großen Wellenlängenbereich verteilt, wodurch FBG-Reflexionen mit geringer Energieleistung entstehen, die nur schwer erfasst werden können.
Die heute bekannteste Methode bedient sich eines durchstimmbaren Fabry-Perot-Filters, um einen schnellen, leistungsstarken, abstimmbaren Laser zu entwickeln, und ersetzt so die konventionelle schwache breitbandige Lichtquelle. Ein abstimmbarer Laser konzentriert Energie in einem schmalen Band und bietet so eine leistungsstarke Lichtquelle mit einem hervorragenden Signal-Rausch-Abstand. Durch diese architekturbedingt hohe optische Energie kann eine einzelne Lichtquelle an mehrere Kanäle, die aus Faser-Arrays bestehen, angeschlossen werden.
Bei Interrogatoren, die auf einer Architektur mit abstimmbarem Laser beruhen, wird ein sehr schmales Lichtband über einen Wellenlängenbereich durchlaufen, während ein Fotodetektor synchron die Reflexionen eines oder mehrerer FBGs misst. Wenn die Wellenlänge des abstimmbaren Lasers mit der Bragg-Wellenlänge des FBG übereinstimmt, erkennt der Fotodetektor die entsprechende Reflexion. Die Wellenlänge, bei der diese Reflexion auftritt, entspricht der Temperatur und/ oder Dehnung des FGB (Bild 6).
Diese Methode kann eine Genauigkeit von etwa 1 pm liefern, was den konventionellen Genauigkeiten von etwa 1,2 Microstrain (1,2 μm/m) und 0,2 K (sensorabhängig) für gängige FBG-Sensoren entspricht. Das Verfahren mit abstimmbarem Laser ermöglicht dank seiner im Vergleich zu anderen Methoden starken optischen Leistung auch Messungen über längere Faserstrecken (mehr als 10 km).
- Grundlagen der optischen Sensormessung mit Faser-Bragg-Gittern
- Methoden der Interrogation
- Vorteile der optischen FBG-Sensormessung
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