Faseroptische Messtechnik

Messen mit faseroptischen Sensoren

22. November 2007, 8:15 Uhr | Von Dr. Florian Krug

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Messungen mit faseroptischen Sensoren

Die experimentelle Spannungsanalyse beruht auf leistungsfähigen Messsystemen für statische und dynamische Belastungsuntersuchungen. Neben Röntgen-, Spannungsoptik- und laserextensometrischen Verfahren ist der Einsatz von Dehnungsmessstreifen (DMS) weit verbreitet.

Allerdings haben die Forschungsaktivitäten zur Realisierung neuartiger, verteilter Sensoren auf Basis von Lichtleitfasern, insbesondere im Zusammenhang mit der Integration von Sensorfasern in technischen Anlagen und Verbundwerkstoffen, in den letzten Jahren beachtlich zugenommen. Wesentliche Gründe hierfür sind der Bedarf an räumlich ausgedehnten, ortsauflösenden Messsystemen und die Forderung nach minimaler Beeinflussung der zu untersuchenden Struktur durch die Sensorik[7].

Aus diesem Grund stellen FBGs zur Dehnungs- und Spannungsmessung eine interessante Alternative dar. Die wenige Millimeter langen FBGs erreichen eine bessere Messgenauigkeit als konventionelle elektrische DMS. Mit FBGs können Dehnungsmessungen im Mikro-Epsilon-Bereich durchgeführt werden. Die Wiederholgenauigkeiten erlauben durch Mittelwertbildung hier sogar eine Auflösung von 0,2 Mikro-Epsilon.

Zusätzlich können in derselben Faser mehrere hundert FBGs hintereinander angeordnet werden. Dies hat einen wesentlich geringeren Verkabelungs- und Installationsaufwand zur Folge. Außerdem tritt im Gegensatz zu den DMS bei zyklischen Belastungen mit mehreren Prozent Dehnung keine Nullpunktverschiebung auf.

Sensoren zur Spannungsmessung
Bild 4. Sensoren zur Spannungsmessung zeichnen sich durch eine extrem kleine Bauweise aus.
© Micron Optics

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass sich optische Signale ohne Verstärkung und ohne Störung durch elektromagnetische Felder zu einem viele Kilometer weit entfernten Messgerät übertragen lassen und dass unmittelbar an der Messstelle keine Hilfsenergie nötig ist. Aufgrund der kleinen Abmessungen und den bereits erläuterten Vorteilen eignen sich diese Sensoren besonders für Messungen an schwer zugänglichen Stellen oder zur direkten Integration in Strukturen und Materialien[1].

Beispielhaft ist in Bild 4 ein Sensor zur Spannungsmessung und in Bild 5 eine Ausleseeinheit zur Erfassung der Sensordaten der Firma Micron Optics abgebildet.

Bei einem FBG-Sensor werden mit einem Laser in Monomode- Fasern periodische, irreversible Brechzahländerungen in die Faser eingebracht. Diese Störungen wirken gemeinsam als wellenlängenselektiver Spiegel, dessen Wellenlänge gemessen wird. Bedingt durch die thermische Ausdehnung der Faser kommt es zu einer Wellenlängenänderung, die mit der Temperatur korreliert.

Ausleseeinheit
Bild 5. Ausleseeinheit zur Erfassung der Sensordaten.
© Micron Optics

FBG-Sensoren als intrinsisches Messverfahren gestatten im Gegensatz zu alternativen Verfahren Messungen entlang einer Faser, wobei die Messorte durch unterschiedliche Wellenlängen codiert sind. Die mögliche Messstellenanzahl wird hauptsächlich durch den insgesamt verfügbaren Spektralbereich begrenzt[5].

Neben FBGs lassen sich für die Temperaturmessung auch folgende temperaturabhängige Sensoreffekte für extrinsische Messverfahren ausnutzen. Bei den vorgestellten Messmethoden wird der Sensoreffekt meist an der Spitze einer Glasfaser in Form eines Festkörpers, eines fluoreszierenden Farbstoffes oder als mikroskopische Struktur realisiert[5].

  • Abhängigkeit der Lage der Bandkante von Gallium-Arseniden (GaAs) (Bandkantenverfahren): Beim so genannten Bandkantenverfahren ändert sich die Lage der elektronischen Bandkante eines an die Faserspitze geklebten GaAs-Kristalls mit etwa 0,4 nm/Kelvin. Ein in der Auswerteeinheit befindliches Spektrometer registriert das vom Kristall reflektierte Licht einer Miniaturlichtquelle. Aus der Lage der Bandkante wird die Temperatur ermittelt.
  • Spektrale Änderung eines faserimplementierten Fabry-Perot-Interferometers: Bei einem Sensor nach dem Prinzip eines Fabry-Perot-Interferometers befinden sich zwei sehr kurze, partiell verspiegelte Faserenden in einer Mikrokapillare aus Glas (Fabry-Perot-Cavity). Die beiden gegenüberliegenden Faserenden bilden ein Interferenzfilter, dessen spektrale Reflektivität vom Abstand der Endflächen abhängt. Ein thermisch bedingtes Schrumpfen bzw. Ausdehnen der Mikrokapillare ändert den Abstand der Faserenden und somit das Verhalten des Filters im Spektralbereich.
  • Fluoreszenzabklingzeit eines Farbstoffes (Relaxationszeit): Ein bereits seit längerem eingesetztes Verfahren ist die Abhängigkeit der Fluoreszenzabklingzeit von der Temperatur. Das Licht einer Blitzlampe, oder neuerdings einer gepulsten blauen LED, beleuchtet einen am Faserende befindlichen fluoreszierenden Farbstoff. Die Abklingkurven der Fluoreszenz (Relaxation) sind temperaturabhängig. Dadurch kann ohne Spektrometer zu zwei festen Zeitpunkten im Abstand von einigen Millisekunden nach dem Puls die Intensität gemessen und daraus die Temperatur ermittelt werden.

Alle vorgestellten Messverfahren zeichnen sich durch ihre Immunität gegenüber elektromagnetischen Feldern aus, da die eigentlichen Sensorelemente nur aus dielektrischen Materialien (Glas, Klebstoff, Teflon, dielektrischer Verspiegelung, GaAs, Fluorophor u.a.) bestehen. Die maximal messbare Temperatur wird durch die thermische Stabilität der eingesetzten Materialien bestimmt und liegt in der Regel bei etwa 300 °C. Sensorlängen bis zu einigen hundert Metern sind bei allen Verfahren möglich[5].


  1. Messen mit faseroptischen Sensoren
  2. Messungen mit faseroptischen Sensoren
  3. Anwendungen faseroptischer Messtechniken
  4. Autor und Quellen