Daniela Poppinga Seminar: Op1sche Messtechnik, Universität Oldenburg Sommersemester 2012 Seminarleiter: Dr. Gerd Gülker.

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1 Daniela Poppinga Seminar: Op1sche Messtechnik, Universität Oldenburg Sommersemester 2012 Seminarleiter: Dr. Gerd Gülker Fasersensorik

2 Anwendungsgebiete Lagekontrolle (Gyroskop) Druckmessung Dehnungsmessung Temperaturmessung 2

3 Gliederung Anwendungsgebiete Glasfaser Fasersensoren Übersicht Ortsauflösungen Extrinsisch / intrinsisch Fasersensoren im Detail Thermochromisch Fabry- Pelot Faserkreisel Faser Bragg GiVer Raman- Sensor Brillouin- Sensor Zusammenfassung 3

4 Glasfaser - Kurzüberblick n M < n K Do1ertes Quarzglas Quarzglas (SiO 2 ) 4

5 Fasersensoren - Übersicht Extrinsisch Intrinsisch Temperatur Dehnung Faser Faser Ak1ves Material Druck Faser Temperatur

6 Fasersensoren - Übersicht Messbereich lokal begrenzt Fabry- Perot Sensor Thermochromischer Sensor Faserkreisel Messbereich diskret ortsaufgelöst Faser Bragg GiVer Messbereich kon1nuierlich ortsaufgelöst Raman Sensor Brillouin Sensor 6

7 Thermochromischer Sensor Spiegel in out Do1erter Bereich oder Thermochromisches Material (bspw. Cobalt II Salz) Temperaturabhängig! 7

8 Thermochromischer Sensor Temperaturmessung bis zu 1000 C möglich! Datenquelle: [Bernhard] 8

9 Fabry- Perot Sensor Fabry- Perot Element Teildurchlässiger Spiegel Spiegel Elas1sches Material Druckeinwirkung 9

10 Fabry- Perot Sensor Phase change (degree) Differen1al pressure (mmhg) Datenquelle: [Joung 2001] 10

11 Fabry- Perot Sensor In- vivo Messung im Menschen möglich! (~50mmHg) Phase change (degree) Differen1al pressure (mmhg) Datenquelle: [Joung 2001] 11

12 Faserkreisel Phasenverschiebung ~ Winkelgeschwindigkeit 12

13 Faserkreisel 13

14 Fasersensoren - Übersicht Messbereich lokal begrenzt Fabry- Perot Sensor Thermochromischer Sensor Faserkreisel Messbereich diskret ortsaufgelöst Faser Bragg GiVer Messbereich kon1nuierlich ortsaufgelöst Raman Sensor Brillouin Sensor 14

15 Fasersensoren - Übersicht Messbereich lokal begrenzt Fabry- Perot Sensor Thermochromischer Sensor Faserkreisel Messbereich diskret ortsaufgelöst Faser Bragg GiVer Messbereich kon1nuierlich ortsaufgelöst Raman Sensor Brillouin Sensor 15

16 Faser Bragg GiVer (FBG) Breitbandiges Eingangsspektrum GiVerperiode Λ 1 λ B1 λ Bn = 2 n eff Λ n 16

17 1µε = 1µm pro 1m Verformung ( Mikrostrain ) FBG Sensor T, ε ΔT = 1K - > Δλ 10pm [IPTH Jena] ε = > Δλ 1pm [IPTH Jena] λ B1 Bildquelle: [TU Dresden] 17

18 FBG Sensor λ B1 λ B2 λ B3 λ Bn Jedes Faserbragg GiVer ermöglicht eine Temperatur bzw. Dehnungsmessung Ein FBG Sensor ist somit ein diskret ortsaufgelöster Temperatur- oder Dehnungssensor 18

19 ... FBG Sensor - Beispiele Temperaturbereich: - 50 C 800 C (Auflösung 0,1 C / 1mm) [Polytec] C C (Auflösung 0,1K) [IPTH Jena] Dehnungen bis über µε *) [Polytec] Ausdehnung von mehreren Kilometern *) µε = Mikrostrain 19

20 ... FBG Sensor - Beispiele Strain [µm/m] : Theorie (FEM) : DMS : FBG Sensor-Position Oberfl und el Flugzeugflügel [IPTH Jena] FBG-Sensoranwen [IPTH Jena] 20

21 Ramanstreuung Wechselwirkung zwischen Photon und op1schem Phonon Stokes- Raman- Streuung An1- Stokes- Ramen- Streuung 21

22 Raman Fasersensor Streulicht ~Faktor 10 6 kleiner! Temperatur 22

23 Raman Fasersensor - Beispiele Verhältnis aus An1- Stokes und Stokes Intensität ist temperaturabhängig Mit einer Laufzeitmessung ergibt sich ein kon7nuierlich ortsaufgelöster Temperatursensor Temperaturauflösung von ~1 C Ortsauflösung von 3-10m bei einer Länge von mehreren Kilometern 23

24 Raman Fasersensor - Beispiele Tunnelüberwachung Gaspipeline Hochöfen 24

25 Brillouin Streuung 25

26 Brillouin Streuung Temperatur und Dehnung 26

27 Brillouin Streuung Datenquelle: [Krebber 2002] 27

28 Brillouin Fasersensor Datenquelle: [Nöther 2006] 28

29 Zusammenfassung Fasersensoren sind geeignet zur Messung von Druck Temperatur Dehnung... Am meisten verbreitet Faser Bragg GiVer Raman Sensor Fabry Perot Sensor Vielfäl1ges Anwendungsgebiet Vermessung von mehreren Kilometern Vermessung von schwer zugänglichen Bereichen 29

30 Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit! 30

31 Literatur [TU Dresden] hvp://tu- dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/ fakultaet_elektrotechnik_und_informa1onstechnik/iee/pmp/studium/lehre/lmt/download/ LMT_Nr15.pdf [Polytec] hvp://www.polytec.com/fileadmin/user_uploads/solu1ons/faserop1sche_sensorik/documents/ PH_KF_Faserop1sche_Sensorik_2012_05_1000_D.pdf [IPTH Jena] hvp://www.leibniz- ins1tut.de/cms/pdf/willsch- Op1sche_Fasersensorsysteme_fuer_die_strukturintegrie.pdf [Joung 2001] Joung, Kim, Kim and Park: Miniature Fiber Op1c Fabry- Perot Pressure Sensor, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 51, No. 1, July 2007, pp [Krebber 2002] Krebber und Schiffner: Monomode.Fasersensor zur ortsaufgelösten Temperatur bzw. Dehnungsmessung basierend auf der s1mulierten Brillouin- Streuung, e&i Elektrotechnik und Informa1onstechnik, He 4, April 2002, 119.Jahrgang [Nöther 2006] Nöther, Thiele, Wosniok, Krebber: Sensorbasierte Geotex1lien zur Deichertüch1gung, RIMAX- Seminar auf der acqua alta 6. Oktober 2006 [Brückner] Volkmar Brückner: Elemente op1scher Netze, Vieweg + Teubner, 2. Auflage, 2011 [Bernhard] Frank Bernhard: Technische Temperaturmessung, Springer Verlag,

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