DE10145350B4

DE10145350B4 - Erhöhung der Auflösung bei Bragg-Sensor-Meßsystemen

Info

Publication number: DE10145350B4
Application number: DE2001145350
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr.-Ing. Dickmann; Holger Dipl.-Ing. Gottscheber (FH); Michael Dipl.-Ing. Holz (FH); Michael Dr. Trutzel
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2021-09-15
Also published as: DE10145350A1

Abstract

Verfahren zur Meßwertbestimmung in einer Anordnung aus mehreren faseroptischen Bragg-Gitter-Sensoren mit unterschiedlicher Frequenzselektivität, wobei die faseroptischen Bragg-Gitter-Sensoren mit Licht beaufschlagt werden und wobei die resultierenden Signale der faseroptischen Bragg-Gitter-Sensoren detektiert und anhand ihrer jeweiligen Lage im Frequenzspektrum den einzelnen faseroptischen Bragg-Gitter-Sensoren zugeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliche Meßgröße zeitliche Frequenzänderungen der Signale in ihrem dynamischen Verlauf erfaßt und ausgewertet werden und die Auswertung des dynamischen Verlaufs eine Bestimmung der Geschwindigkeit oder Geschwindigkeitsänderung der zeitlichen Frequenzänderung einschließt.

Description

Die Erfindung betrifft Meßsysteme auf der Basis von faseroptischen Bragg-Gitter-Sensoren. Insbesondere betrifft die Erfindung Meßsysteme, bei denen die Signale mehrerer Bragg-Gitter-Sensoren ausgewertet werden.
Bragg-Gitter-Sensoren sind moderne faseroptische Meßfühler, die insbesondere zur hochauflösenden Detektion von Längenänderungen eingesetzt werden können. Derartige faseroptische Bragg-Gitter-Sensoren sind beispielsweise aus dem US-Patent 4,996,419 bekannt.
Das Funktionsprinzip eines einzelnen Bragg-Sensors beruht auf einer Reflexion bzw. Transmission von eingestrahltem Licht in einem sehr kleinen Wellenlängenbereich. Dies ist die Folge einer in Durchstrahlrichtung der optischen Faser eingebrachten periodischen Änderung des Brechungsindex, wobei der Lichtleiter in diesem Bereich zusätzlich ein spezielles laterales Querschnittsprofil aufweist. Dieser Bereich wirkt als frequenzselektives Filter, d.h. der von dieser Anordnung transmittierte oder reflektierte Licht- Wellenlängenbereich ist sehr schmal: die Halbwertsbreite der Intensitätskurve bei Verschiebung der eingestrahlten Lichtwellenlänge beträgt typischerweise nur einige wenige Nanometer. Entscheidend für die Lage (Frequenz) des Intensitätsmaximums ist dabei die räumliche Distanz innerhalb der periodischen Abfolge der Zonen mit unterschiedlichem Brechungsindex. – Dies wird für den Einsatz von solchen Bragg-Gitter-Sensoren zur Detektion von Längenänderungen genutzt:
Wird der Lichtleiter im Bereich der periodischen Änderung des Brechungsindex gedehnt oder gestaucht, so verändert sich die Lage des Intensitätsmaximums. Diese Verschiebung des Intensitätsmaximums zu anderen Frequenzwerten läßt sich erfassen und im Sinne einer Bestimmung der Größe der verursachenden Längenänderung auswerten.
Einsatzgebiete sind bei allen mechanisch belasteten Teilen gegeben, bei denen Deformationen auftreten können, die in Folge zu Schäden (z.B. durch Materialermüdung, plastische Verformung, Rißbildung, usw.) führen können. Als Beispiel sei hier die Tragfläche eines Flugzeugs genannt. Bei Objekten dieser Art müssen die mechanischen Belastungswerte i.a. an verschiedenen Orten erfaßt werden, d.h. es ist im allgemeinen eine Vielzahl von Bragg-Gitter-Sensoren angebracht, deren Signale aufgenommen und ausgewertet werden müssen. Eine individuelle Ansteuerung und Auswertung jedes einzelnen Bragg-Gitter-Sensors ist dabei vom Aufwand her nicht vertretbar, so dass moderne Systeme Gruppen von Bragg-Gitter-Sensoren zu sog. Arrays kombinieren.
Herkömmliche Systeme dieser Art, lösen dabei die individuellen Signale einzelner Bragg-Gitter-Sensoren eines solchen Arrays beispielsweise dadurch auf, dass jeder Bragg-Gitter-Sensor in seiner Ruhelage (also nicht gedehnt oder gestaucht) einen gegenüber den anderen Sensoren im Frequenzspektrum leicht verschobenen Reflexions- bzw. Transmissionsbereich aufweist, so dass die einzelnen Signale durch ihre unterschiedlichen Frequenzen selektiert und den jeweiligen Bragg-Gitter-Sensoren zugeordnet werden können. Angesteuert werden solche Systeme beispielsweise mit einem in der Frequenz durchstimmbaren Laser, wobei dann die Antwortsignale der Bragg-Gitter-Sensoren spektral aufgelöst werden.
Bei einer solchen Anordnung muß gewährleistet sein, dass die individuellen Signale auch bei auftretenden Dehnungs- oder Stauchungsvorgängen – bei denen sich ja die Reflexions- bzw. Transmissionsbereiche der betroffenen Bragg-Gitter-Sensoren in der Frequenz entsprechend verschieben – immer noch eindeutig den jeweiligen Sensoren zugeordnet werden können. Um diese Separierung zu erreichen, müssen die Ruhelagen (also ohne mechanische Deformation) der Reflexions- bzw. Transmissionsbereiche der einzelnen Bragg-Gitter-Sensoren in ihren Frequenzen so weit auseinander liegen, dass auch bei Verschiebungen durch mechanische Belastungen keine Überschneidungen der Frequenzbereiche auftreten können. Somit ist bei einer größeren Anzahl von Bragg-Gitter-Sensoren in einem Array ein entsprechend breiter Frequenzbereich erforderlich. Durchstimmbare Laser sind aber i.a. nur für einen relativ schmalen Frequenzbereich verfügbar, so dass entweder die Zahl der zu einem Array verbundenen Bragg-Gitter-Sensoren limitiert ist, oder der technische Aufwand (z.B. andere Lichtquellen oder mehrere durchstimmbare Laser mit unterschiedlichen Frequenzbereichen) entsprechend hoch ist.

Aus US 5 401 956 ist eine derartige Anordnung bekannt, wobei eine Anpassung an den dynamischen Verlauf der Frequenzänderung mittels eines starren, üblichen Regelkreises erfolgt. Eine möglichst verlässliche Aussage über eine erwartete Frequenzlage der Bragg-Reflexe ist nicht möglich. Mit dem starren Regelkreis ist keine dynamische, variable Anpassung möglich, was zudem keine optimale Reaktionszeit ermöglicht.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und System zu entwickeln, das die genannten Nachteile weitgehend überwindet.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Die Merkmale einer entsprechenden Vorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sind in Anspruch 7 aufgeführt. Weitere Einzelheiten der Erfindung und Vorzüge verschiedener Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung wird im folgenden näher beschrieben, wobei Bezug genommen wird auf die Bezeichnungen in den Abbildungen. Es zeigt:
1: Eine Darstellung der Signalintensitäten zweier Bragg-Sensoren mit unterschiedlicher Ruhelage in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
2: Ein Diagramm zur Darstellung der dynamischen Veränderung der Meßwerte eines Bragg-Sensors.
3: Die Erhöhung der Auflösung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Aus 1 wird ersichtlich, wie nach dem konventionellen Verfahren die Signale unterschiedlicher Bragg-Gitter-Sensoren separiert werden können. Das dargestellte Diagramm gibt dabei exemplarisch einen Frequenzabschnitt (Abzisse) für zwei Sensoren wieder. Jedem Sensor ist dabei ein individueller Frequenzbereich zugewiesen (Freiraum), wobei diese Bereiche untereinander durch einen nicht genutzten freien Bereich getrennt sind. Jeder Sensor liefert eine charakteristische Reflexions- bzw. Transmissionskurve, deren Maximalwert der Intensität (Ordinate) im unbelasteten Zustand (= deformationsfrei) bei einem für jeden Sensor definierten Frequenzwert (Ruhelage) liegt.
Bei mechanischer Belastung eines Bragg-Gitter-Sensors verschiebt sich die Ruhelage der entsprechenden Reflexions- bzw. Transmissionskurve, d.h. das Maximum der Intensität liegt bei einer anderen Frequenz (die Form der Reflexions- bzw. Transmissionskurve bleibt nahezu unverändert). Wird bei konventionellen Systemen allein die verschobene Lage des Intensitätsmaximums als Information über eine korrespondierende Dehnung/Stauchung des jeweiligen Bragg-Gitter-Sensors herangezogen, so darf die Verschiebung den diesem Sensor zugewiesenen Freiraum im Frequenzspektrum nicht verlassen, da andernfalls dieses Signal nicht mehr korrekt zugeordnet werden kann: erreicht das verschobene Intensitätsmaximum den freien Bereich, der als Abgrenzung zum benachbarten Frequenzabschnitt eines anderen Sen sors eingefügt ist, so läßt sich das Signal nicht mehr zuordnen, da dieser freie Bereich nicht als Meßbereich definiert ist.
Erreicht die Verschiebung im Extremfall über den freien Bereich hinaus den benachbarten Frequenzbereich (Freiraum) eines anderen Sensors, so wird es (fehlerhaft) diesem Sensor zugeordnet werden, wobei zusätzliche Fehler auftreten, wenn dieser Sensor weniger mechanisch belastet ist, so dass seine Signale (inkl. Intensitätsmaximum) gleichzeitig innerhalb desselben Frequenzintervalls liegen.
Durch eine Vergrößerung der den einzelnen Sensoren zugewiesenen Frequenzintervalle oder/und des freien Bereichs dazwischen kann ein solcher Meßfehler zwar weitgehend ausgeschlossen werden (z.B. durch Erweiterung der individuellen Freiräume bis über die mechanische Belastungsgrenze der jeweiligen Sensoren hinaus), dafür ist jedoch durch diese Sicherheitstoleranzen der im Normalbetrieb für ein Sensor-Array nutzbare Frequenzbereich stark eingeschränkt: Innerhalb einer i.a. vorgegebenen Breite der Frequenzvariation des zur Anregung eingestrahlten Lichts (z.B. modensprungfreie, kontinuierliche Durchstimmung eines Lasers) lassen sich deutlich weniger Sensoren mit (verbreiterten) individuell zugewiesenen Frequenzabschnitten unterbringen.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Tatsache, dass mechanische Verformungen nicht diskontinuierlich auftreten, da die verursachenden Spannungsänderungen in einem Meßobjekt (z.B. Tragfläche) bei nichtzerstörenden Belastungen immer einen stetigen Verlauf aufweisen.
Damit verändert sich auch die Lage (Frequenz) der korrespondierenden Verschiebungen der Intensitätsmaxima der Bragg-Gitter-Sensoren nicht abrupt, sondern erfolgt ebenfalls in stetiger Weise. Diese dynamische Veränderung des Signals eines Bragg-Gitter-Sensors ist in 2 schematisch dargestellt: Stau chungen und Dehnungen bewirken eine zeitlich kontinuierliche Lageänderung des Intensitätsmaximums.
Diese Dynamik wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit als Meßgröße erfaßt. Ausgewertet wird daher nicht allein die aktuelle Lage des jeweiligen Intensitätsmaximums des von einem Bragg-Gitter-Sensor reflektierten oder transmittierten Lichts, sondern zusätzlich auch die dynamische Veränderung dieser Lage (als Folge einer Änderung der mechanischen Verformung). Dabei werden solche Veränderungen durch Vergleich der in aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten detektierten Signale erfaßt.
Dieses Verfolgen (Tracking) einer Drift des Intensitätsmaximums kann auch (beispielsweise bei hoher mechanischer Belastung) über die Grenzen des zugeordneten Frequenzintervalls hinaus erfolgen, d.h. auch in den freien Bereich hinein oder sogar bis in ein benachbartes Frequenzintervall (Freiraum), das im Ruhezustand einem anderen Sensor zugewiesen ist. Aufgrund des Trackings können auch in diesem Fall die Signale eindeutig dem richtigen Sensor zugeordnet werden, d.h. Fehlinterpretationen wie oben beschrieben können weitgehend ausgeschlossen werden. Da im Einzelfall die Intensitätsmaxima zweier (oder mehr) Sensoren durch aufeinander 'zulaufende' Verschiebungen im Spektrum sehr nahe beieinander liegen können, erfordert eine Separierung in solchen Fällen entsprechende Präzision des Trackings.
Für das Tracking werden vorzugsweise verschiedene Größen und deren Änderungen ausgewertet. So wird im einfachsten Fall die Lage des Intensitätsmaximums in einem definierten zeitlichen Intervall laufend detektiert. Aus aktueller und zeitlich vorhergehender Position läßt sich einmal die Richtung der Lageverschiebung und auch die Geschwindigkeit dieser Änderung ermitteln und damit auch eine (lineare) Vorhersage der nach Verstreichen des nächsten Zeitabschnitts zu erwartenden Lage des Intensitätsmaximums errechnen. Da nur in einfachsten Fällen mechanische Spannungsänderungen einen linearen Verlauf zeigen, ist es vorteilhaft, die Drift des Intensitätsmaximums ebenfalls als nichtlineare Veränderung zu erfassen und die zu erwartende Entwicklung über nichtlineare Methoden zu bestimmen. Solche Tracking-Methoden wie die der αβ-Tracker-Verfahren, der αβγ-Tracker-Verfahren oder die der Verfahren mittels Kalmanfilter für Radaranwendungen sind beispielsweise beschrieben in Meinke, Gundlach "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik" 5. Auflage, Springer-Verlag, Seiten S 6 ff. bzw. Skolnik "Radar Handbook", 2^nd. edn. New York, McGraw-Hill 1980 S. 8.28 ff Vorzugsweise kommen diese Tracking-Methoden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz.
Dabei können die erforderlichen Berechnungen beispielsweise über Prozessoren (μ-Prozessor, PC) oder direkt über entsprechend ausgelegte IC's elektronisch durchgeführt werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass eine höhere Sensordichte bei gleichem Frequenzbereich der Anregungsquelle (Laser) möglich wird. Die den einzelnen Sensoren jeweils zugewiesenen Frequenzintervalle können relativ schmal ausgelegt werden, denn eine (z.B. durch starke Dehnung hervorgerufene) hohe Drift des Intensitätsmaximums eines Sensors in den benachbarten Freiraum eines anderen Sensors wird als dynamischer Ablauf verfolgt, so dass auch in dieser Situation die Signale korrekt dem jeweiligen Sensor zugeordnet werden können, d.h. insbesondere auch dann, wenn z.B. innerhalb eines Freiraums die Antwortsignale zweier verschiedener Bragg-Gitter-Sensoren nebeneinander liegen.
Die Erfassung der durch Spannungsänderungen bewirkten Dynamik der Signalverschiebung bietet daher auch den Vorteil einer erhöhten Meßgenauigkeit, da im Prinzip die den unterschiedlichen Sensoren individuell zugewiesenen Freiräume als starr fixierte Frequenzintervalle (1) aufgegeben werden können und statt dessen jedem Sensor ein – in den Grenzen um die Ruhelage – variabler Freiraum zur Verfügung steht, der mit den (variablen) Freiräumen anderer Sensoren überlappen kann. Damit entfallen zusätzlich auch die freien Bereiche (1) als meßtechnisch ungenutzte Frequenzbereiche, so dass, wie in 3 dargestellt, das gesamte Spektrum der anregenden Quelle (z.B. durchstimmbarer Laser) ohne Lücke für die Auswertung der Signale der Bragg-Gitter-Sensoren verwendet werden kann.
Das beschriebene Verfahren zeichnet sich aus durch eine hohe Auflösung und geringe Fehleranfälligkeit. Es ist insbesondere geeignet für den Einsatz in Bereichen, bei denen eine Vielzahl von Bragg-Gitter-Sensoren als Array verbunden sind.

Claims

Verfahren zur Meßwertbestimmung in einer Anordnung aus mehreren faseroptischen Bragg-Gitter-Sensoren mit unterschiedlicher Frequenzselektivität, wobei die faseroptischen Bragg-Gitter-Sensoren mit Licht beaufschlagt werden und wobei die resultierenden Signale der faseroptischen Bragg-Gitter-Sensoren detektiert und anhand ihrer jeweiligen Lage im Frequenzspektrum den einzelnen faseroptischen Bragg-Gitter-Sensoren zugeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliche Meßgröße zeitliche Frequenzänderungen der Signale in ihrem dynamischen Verlauf erfaßt und ausgewertet werden und die Auswertung des dynamischen Verlaufs eine Bestimmung der Geschwindigkeit oder Geschwindigkeitsänderung der zeitlichen Frequenzänderung einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Richtung der Frequenzänderung detektiert und bei der Auswertung berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des dynamischen Verlaufs eine Vorherberechnung der in einem oder mehreren der nächsten Zeitabschnitte zu erwartenden Frequenzlage eines Signals umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des dynamischen Verlaufs eine Vorherberechnung der in dem oder den nächsten Zeitabschnitten zu erwartenden Frequenzänderung eines Signals umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorherberechnung über Approximationsmethoden erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des dynamischen Verlaufs der Frequenzänderung eines Signals für die Zuordnung dieses Signals zu einem individuellen faseroptischen Bragg-Gitter-Sensor herangezogen wird.
Vorrichtung zur Meßwertbestimmung mit einer Anordnung aus mehreren faseroptischen Bragg-Gitter-Sensoren mit unterschiedlicher Frequenzselektivität, mit einer Lichtquelle, die die faseroptischen Bragg-Gitter-Sensoren mit Licht beaufschlagt, mit Mitteln zur Erfassung der Signale der faseroptischen Bragg-Gitter-Sensoren und deren Zuordnung zu einzelnen faseroptischen Bragg-Gitter-Sensoren, wobei Mittel zur Speicherung der zu verschiedenen Zeitabschnitten erfaßten Meßwerte vorhanden sind und ferner weitere Mittel vorhanden sind, die aus den gespeicherten Meßwerten eine Ermittlung der Geschwindigkeit oder Geschwindigkeitsänderung der zeitlichen Änderung der Frequenzlage vornehmen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung geeignet ist, auch die Richtung der Frequenzänderung zu detektieren und bei der Auswertung zu berücksichtigen.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass, die Vorrichtung geeignet ist, eine Vorausberechnung der Frequenzlage oder Frequenzänderung eines Signals in dem oder den nächsten Zeitabschnitten vorzunehmen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung geeignet ist, aus den vorausberechneten Werten für die Frequenzlage oder Frequenzänderung des Signals eine Zuordnung des Signals zu einem individuellen faseroptischen Bragg-Gitter-Sensor vorzunehmen.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7, 8, 9 und 10 zur Erfassung mechanischer Verformungen.