Messungen mit Glasfasersensoren

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1 Fertigungs- & Maschinenautomation Messungen mit Glasfasersensoren Standardsensoren für physikalische Größen, wie Temperatur, Last, Druck und Dehnung, kommen an vielen Stellen zum Einsatz. Ihrer Anwendung sind jedoch, zum Beispiel durch Übertragungsverluste oder die Anfälligkeit gegenüber elektro magnetischen Störungen, Grenzen gesetzt. Mit Glasfasersensoren können die Anwendungsgebiete ausgeweitet werden, da sie handelsübliche Glasfasern anstelle von Kupferleitungen und Licht anstelle von Strom bzw. Spannung nutzen. In den letzten Jahrzehnten wurden viele Fortschritte im Bereich der Sensormesstechnik erzielt, darunter eine erweiterte Signalkonditionierung, eine höhere Leistung der A/D-Wandler, eine gesteigerte Präzision und vieles mehr. Dank dieser Verbesserungen können die zunehmenden Anforderungen an leistungsstarke Messungen in den Branchen Luft- und Raumfahrt bis hin zum Hoch- und Tiefbau erfüllt werden. Die grundlegende Vorgehensweise bleibt jedoch unverändert: Mithilfe von Standardsensoren werden physikalische Größen, wie Temperatur, Last, Druck und Dehnung, in Strom oder Spannung umgewandelt, die dann durch Signalkonditionierung, entsprechende Abtastraten und Skalierung an die erforderlichen physikalischen Größen angepasst werden. Diese Sensoren finden beinahe überall Verwendung; dennoch sind ihnen Grenzen gesetzt, zum Beispiel durch Übertragungsverluste oder die Anfälligkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen (Rauschen). Diese Nachteile gestalten viele Anwendungen schwierig oder machen sie fast unmöglich. Die Messung mit optischen Glasfasersensoren bietet eine gute Lösung für diese Anfor- Nathan Yang derungen, da sie handelsübliche Glasfasern anstelle von Kupferleitungen und Licht anstelle von Strom bzw. Spannung einsetzen. Dank weitreichender Entwicklungen in den letzten zwanzig Jahren, etwa in den Bereichen Optoelektronik und glasfaserbasierter Kommunikation, konnten entscheidende Preissenkungen bei höherer Qualität bei optischen Bauteilen verzeichnet werden. Glasfasersensoren und die zugehörigen Messgeräte haben sich dank dieser Vorteile so weit entwickelt, dass sie sich nicht nur in der experimentellen Forschung im Labor, sondern auch in praxisorientierten Anwendungen bewährt haben, zum Beispiel für die Überwachung von Bauwerken jeglicher Art (Bild 1). Physikalische Grundlagen Grundsätzlich wird ein optischer Glasfasersensor durch Modulierung einer oder mehrerer Eigenschaften einer Bild 1. An der Donghai-Brücke wird ein optisches FBG-Sensormesssystem für die Strukturüberwachung eingesetzt 2 Heft S4/2010

2 Cladding Core Buffer Coating Bild 2. Querschnitt eines typischen Glasfaserkabels sich ausbreitenden Lichtwelle, wie Intensität, Phase, Polarisation und Frequenz, charakterisiert. Der Sensor reagiert deshalb auf die ihn umgebenden Parameter. Die Grundlage der optischen Sensortechnologie bildet die Glasfaser ein dünner Glasstrang, der Licht in seinem Kern überträgt und hauptsächlich aus einem Kern, einem Mantel und einer Schutzschicht besteht. Der Mantel dient beispielsweise dazu, Streulicht zurück in den Kern zu lenken und so minimalen Verlust bei der Übertragung des Lichts durch den Kern zu gewährleisten. 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 sichert das Innere gegen Einflüsse von außen oder Beschädigungen und kann je nach Schutzanforderungen und gewünschter Robustheit zahlreiche Schichten umfassen (Bild 2). Sensoren mit Faser-Bragg-Gitter Die bereits verfügbaren Technologien für Messungen mit Glasfasersensoren bieten unterschiedliche Funktionen und Messeigenschaften. Einer der am häufigsten eingesetzten und weit verbreiteten optischen Sensoren ist der Sensor mit Faser-Bragg- Gitter (FBG), mit einer periodischen Abweichung des Brechungsindexes im Glasfaserkern (Bild 3). Dieser Sensor reflektiert eine Wellenlänge des Lichts, die durch Temperatur- und Dehnungsabweichungen verändert wird. Dabei wirken sich die Reflexionen jedes Abschnitts des sich ändernden Brechungsindexes nur auf eine spezielle Wellenlänge des Lichts entscheidend aus, wenn ein Lichtstrahl mit einem breiten Spektrum durch ein FBG geschickt wird. Diese Wellenlänge wird als Bragg-Wellenlänge bezeichnet und mit folgender Gleichung errechnet: l = 2nL b In der Gleichung ist l b die Bragg- Wellenlänge, n der effektive Brechungsindex des Faserkerns und L der Abstand Heft S4/2010 3

3 Core Fiber Bragg Grating Cladding Λ Buffer Coating Bild 3. Aufbau eines FBG zwischen den Gittern, auch Gitterperiode genannt. Somit reflektiert das FBG wirksam eine spezielle Lichtfrequenz, während alle übrigen unverändert übertragen werden (Bild 4). Die reflektierte Wellenlänge wird durch veränderte Temperatur- und Dehnungswerte beeinflusst, die zu Auswirkungen im effektiven Brechungsindex und in der Gitterperiode eines FBG führen. Die Gleichung stellt diese Änderungen in etwa dar: D l = (1 - pe) e + ( a + L an ) D T l o Δl steht dabei für die Änderung der Wellenlänge und l o für die ursprünglich eingefallene Wellenlänge. Mit dem ersten Ausdruck wird gezeigt, wie sich die Dehnung auf die Änderung der Wellenlänge auswirkt, wobei p e für den photoelastischen Koeffizienten und e die Dehnung des Gitters steht. Der zweite Ausdruck bezieht sich auf die thermische Auswirkung und somit auf die Änderung der Wellenlänge, wobei a L stellvertretend für den Wärmeausdehnungskoeffizienten und a n für den thermooptischen Koeffizienten steht. In Abhängigkeit der Temperatur veranschaulicht a n also die Änderung des Brechungsindexes, wohingegen mit a L die Ausdehnung des Gitters bezeichnet wird. Da FBG auf Dehnung und Temperatur reagieren, muss zwischen beiden Einflüssen unterschieden werden, wobei das FBG für eine Messung der Temperatur nicht gedehnt werden darf. FBG-Temperatursensoren sind so ummantelt, dass sie keinen Biege-, Spannungs-, Druck- oder Torsionskräften ausgesetzt sind (Bild 5). Die Wärmeausdehnung von Glas kann dabei vernachlässigt werden. Soll also ermittelt werden, wie sich temperaturbedingte Änderungen in der reflektierten Wellenlänge auswirken, kann dies hauptsächlich durch Abweichungen im Brechungsindex der Faser geschehen. FBG-Dehnungssensoren sind etwas komplexer, da sie sowohl durch die Temperatur als auch durch die reflektierte Wellenlänge beeinflusst werden. Korrekte Dehnungsmessergebnisse machen hier eine Kompensation der Temperaturauswirkungen auf das FBG erforderlich. Wird ein FBG- Temperatursensor in unmittelbarer Nähe zu FBG-Dehnungssensoren appliziert, können diese Änderungen ausgeglichen werden. Die Abweichung der Wellenlänge, die durch den FBG-Temperatursensor hervorgerufen wird, kann dabei einfach von der Änderung der Wellenlänge des FBG-Dehnungssensors subtrahiert werden, woraus ein temperaturbereinigter Dehnungsmesswert resultiert. Methoden der Interrogation Da die Herstellung von FBG mit unterschiedlichen Bragg-Wellenlängen möglich ist, kann die Methode des Wavelength Division Multiplexing (WDM) eingesetzt werden. Bei diesem Verfahren erfolgt die Reihenschaltung mehrerer Broadband Light Optical Fiber Fiber Core Fiber Bragg Grating λ Bragg Wavelength λ Reflected Bragg Wavelength Bild 4. Funktionsweise eines optischen FBG-Sensors 4 Heft S4/2010

4 Sensoren mit unterschiedlichen Bragg- Wellenlängen auf bzw. in einer einzigen Faser über weite Entfernungen. WDM liefert für jeden FBG-Sensor den passenden Wellenlängenbereich innerhalb des Lichtspektrums. Die Wellenlängenbeschaffenheit von FBG macht es möglich, im Verlauf von Sensormessungen auch bei Lichtintensitätsverlusten bzw. -dämpfungen durch Biegung oder Übertragung genaue Ergebnisse zu erhalten. Die Anzahl der Sensoren, die in einer einzelnen 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 Temperaturänderungen, liegt dieser Bereich bei FBG-Dehnungssensoren oft bei etwa 5 nm, wohingegen er bei FBG-Temperatursensoren bei etwa 1 nm liegt. Bei Interrogatoren reicht der Messbereich für gewöhnlich von 60 nm bis 80 nm. Ein Array aus faseroptischen Sensoren kann sich aus diesem Grund üblicherweise aus einem bis zu mehr als 80 Sensoren zusammensetzen vorausgesetzt, die reflektierten Wellenlängen überschneiden sich nicht (Bild 6). Optische Interrogatoren müssen Messungen mit einer Auflösung im Pikometerbereich ausführen können, wenn typische FBG-Sensorwellenlängen Verwendung finden, die im Bereich von wenigen Nanometern liegen. Dabei stehen einige Methoden für das Erfassen optischer FBG-Sensoren zur Verfügung. Durch den Einsatz von Interferometern für Laboranlagen können hochauflösende optische Spektralmessungen durchgeführt werden. Allerdings sind diese Geräte normalerweise groß, empfindlich und teuer und bieten außerdem in Form von optischen Interferometern entweder Präzision oder Geschwindigkeit, aber niemals beides. Dies ist jedoch für optische Sensormessungen erforderlich. Eine robustere Methode verwendet ein CCD-Gerät und ein festes dispersives Element, wodurch eine Umwandlung der Wellenlängen in Positionswerte möglich wird. Dabei belichtet eine breitbandige Lichtquelle das FBG (bzw. mehrere FBG in einem Array). Die reflektierte Lichtwelle wird durch ein dispersives Element geleitet, das die verschiedenen Bestandteile der Wellenlänge während Bild 5. Optischer Temperatursensor von Micron Optics Inc. der Reflexion an unterschiedliche Stellen auf einem linearen CCD-Sensor verteilt (Bild 7). Bei dieser Vorgehensweise können schnelle Messungen gleichzeitig an allen FBG in einem Array durchgeführt werden. Diese liefern jedoch eine begrenzte Auflösung und einen begrenzten Signal- Rausch-Abstand. Zum Beispiel ist für eine Änderung der FBG-Amplitude um 1 pm über einen Bereich von 80 nm ein lineares CCD-Gerät mit mindestens Pixel nötig, also mehr als das Dreifache an Pixeln, die das beste erhältliche lineare CCD-Gerät derzeit erreichen kann (Stand Juli 2010). Zudem wird die Leistung einer breitbandigen Lichtquelle über einen großen Wellenlängenbereich verteilt, wodurch FBG-Reflexionen mit Heft S4/2010 5

5 Pegel Nathan Yang, Bachelor of Engineering (BEng) in Electrical Engineering (McGill University), ist Product Manager Structural Test & Monitoring bei Natio nal Instruments in Austin, Texas. 4 nm nm 2 nm 2 nm Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Sensor Wellenlänge Bild 6. Jeder optische FBG-Sensor in einem Array befindet sich in einem besonderen Bereich des Spektrums geringer Energieleistung entstehen, die nur schwer erfasst werden können. Bei der bekanntesten Methode wird ein durchstimmbarer Fabry-Perot-Filter eingesetzt, um einen schnellen, abstimmbaren Laser zu entwickeln, der so die konventionelle schwache, breitbandige Lichtquelle ersetzt. Ein abstimmbarer Laser konzentriert Energie in einem schmalen Band und dient als leistungsstarke Lichtquelle mit hervorragendem Signal-Rausch-Abstand. Die hohe optische Energie, die durch diese Architektur entsteht, ermöglicht, eine einzelne Lichtquelle mit mehreren Kanälen, die aus Faser-Arrays bestehen, zu verbinden, wodurch Kosten, Komplexität und Größe von Mehrkanal-Interrogatoren reduziert werden (Bild 8). Bei Interrogatoren, die auf einer Architektur mit abstimmbarem Laser basieren, wird ein sehr schmales Lichtband über einen Wellenlängenbereich durchlaufen, während ein Fotodetektor synchron Messwerte von den Reflexionen eines oder mehrerer FBG erfasst. Stimmt die Wellenlänge des abstimmbaren Lasers mit der Bragg-Wellenlänge des FBG überein, erkennt der Fotodetektor die entsprechende Reflexion. Diese Methode kann eine Genauigkeit von etwa 1 pm liefern, was einer Präzision von etwa 1,4 Microstrain und 0,1 C (sensorabhängig) für gängige FBG-Sensoren entspricht. Durch das Verfahren mit abstimmbarem Laser werden dank der im Vergleich zu anderen Methoden starken optischen Leistung auch Messungen über längere Faserstrecken (mehr als 10 km) möglich. Neben der Abfragemethode spielt auch der Formfaktor eines optischen Sensor- Interrogators eine wichtige Rolle. Gängige optische Messgeräte verfügen über eine festgelegte Softwarefunktionalität und Benutzeroberfläche. Das System ist aufgrund dessen weniger flexibel einsetzbar und kann nicht alle Anforderungen an Strukturprüfungen und Überwachungsanwendungen erfüllen. Für die meisten Anwendungen ist mehr als ein einfacher Interrogator nötig, zum Beispiel ein Controller oder eine im System integrierte Datenspeicherung, die die Synchronisation mit anderen Messgeräten und das Protokollieren von Umweltbedingungen oder sogar die Darstellung von Echtzeitdaten im Internet erlaubt. Einen Interrogator auf der Grundlage einer offenen modularen Plattform, wie PXI [1], zu wählen kann das Erreichen dieser Anforderungen vereinfachen. Installation optischer Sensoren Da die Installation und die Nutzung optischer Sensoren der von konventionellen elektrischen Sensoren ähnlich sind, gestaltet sich ein Wechsel auf ein optisches Sensormesssystem denkbar einfach. FBG-Dehnungsmessstreifen beispielsweise sind mit einer Vielzahl an Formfaktoren und Befestigungsmöglichkeiten erhältlich, darunter Epoxide und Schweißverfahren. Da Glasfasern in der Telekommunikationsbranche weit verbreitet sind, unterliegen sie strengen Vorschriften, die aus ihnen eine robuste Systemkomponente machen. Allerdings müssen bei einem Umstieg von elektrischen auf optische Sensoren zwei entscheidende Punkte beachtet werden. Zum einen sind optische Anschlüsse anfällig gegenüber vielen Umwelteinflüssen, darunter Staubpartikel, Fette und Wasserdampf. Glasfaserteile müssen deshalb regelmäßig gereinigt werden, wenn sie angeschlossen oder vom Netz getrennt werden. Zum anderen spielt der 6 Heft S4/2010

6 Biegeradius der Glasfasern eine wichtige Rolle. Für Messungen mit Glasfasersensoren ist es oft erforderlich, Glasfasern sowohl über kurze als auch weite Entfernungen zu biegen und so die Signaldämpfung zu erhöhen. Dafür werden die zulässigen Biegeradien für kleine und große Krümmungen bei unterschiedlichen Glasfaserlängen von den Herstellern spezifiziert. Tunable Laser Photodetector Coupler FBG Broadband Source Coupler Bild 8. Erfassen des optischen FBG-Sensors mit abstimmbarem Laser Anwendungsbereiche optischer FBG-Sensormessungen Die optische Sensormessung eignet sich für Anwendungen, in denen herkömmliche elektrische Sensoren, wie Folien-DMS, Thermoelemente und Schwingsaiten-Sensoren, aufgrund von schwierigen Umweltbedingungen oder großen Entfernungen nicht wirkungsvoll eingesetzt werden können. Sowohl große oder schwere als auch kleine oder leichte Strukturen können von den Vorteilen der verteilten Architektur einzelner Glasfasern profitieren und deren Installation vereinfachen sowie Gewicht reduzieren. Die nicht leitenden und nicht korrosiven Eigenschaften der Glasfaser können für Außen- und Industrieanwendungen eingesetzt werden, bei denen giftige Gase sowie Hochspannungen auftreten. Da Glasfasern nicht anfällig gegenüber Rauschen durch elektromagnetische Störung sind, entfallen kostenintensive und oft schwierige Signalkonditionierungsanwendungen für Messungen in der Nähe von rauschintensiven Signalquellen, wie Energiewandlern. In folgenden Anwendungen können die Vorteile von optischen FBG-Sensormessungen genutzt werden: bei Struktur-, Leistungs- und Energieüberwachungen an Windturbinenblättern, Pipelines, Stromleitungen und Offshore-Plattformen, FBG im Transportwesen, bei der Luft- und Raumfahrt, dem Schienenverkehr und der Schifffahrt, und im Hoch- und Tiefbau bei öffentlichen Gebäuden, bei Brücken und Straßen, Start- und Landebahnen sowie Dämmen. Dank der Einführung der optischen Sensormessung können Wissenschaftler und Ingenieure nun auch Messungen dort durchführen, wo herkömmliche elektrische Sensoren zuvor schwierig oder, in einigen Fällen, gar nicht eingesetzt werden konnten. Gegenwärtig müssen für viele Anwendungen in der Praxis Lösungen gefunden werden, die beide Ansätze verbinden und sowohl elektrische als auch optische Sensormessungen bzw. -technologien einsetzen. Gute Kenntnisse über Glasfasern und das FBG-Verfahren sind hilfreich, um die FBG-Technologie für Sensormessungen schnell einsetzen und ihre Vorteile nutzen zu können. CCD Sensor Dispersion Element Bild 7. Erfassen optischer FBG-Sensoren durch Umwandlung der Wellenlängen in Positionswerte Literatur [1] National Instruments Germany GmbH, München: SPS: Halle 7, Stand 381 Heft S4/2010 7