DE102009020115B4 - Error correction method for a fiber optic sensor and measuring device - Google Patents

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Abstract

Fehlerkorrekturverfahren für einen faseroptischen Sensor, umfassend (a) Bereitstellen von Rückstreu-Meßdaten einer optischen Polymerfaser; (b) Ermitteln eines gemessenen Streuprofils aus den Rückstreu-Meßdaten; (c) Bereitstellen eines Modells der optischen Polymerfaser, wobei das Modell angepaßt ist, einen Zeitverlauf des Rückstreuverhaltens der optischen Polymerfaser zu beschreiben; (d) Ermitteln des Zeitverlaufs des Rückstreuverhaltens anhand des Modells; und (e) Kompensieren des ermittelten Zeitverlaufs des Rückstreuverhaltens.An error correction method for a fiber optic sensor, comprising (a) providing backscatter measurement data of an optical polymer fiber; (b) determining a measured scattering profile from the backscatter measurement data; (c) providing a model of the optical polymer fiber, wherein the model is adapted to describe a time course of the backscattering behavior of the optical polymer fiber; (d) determining the time course of the backscatter behavior using the model; and (e) compensating the determined time course of the backscattering behavior.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fehlerkorrekturverfahren für einen faseroptischen Sensor, insbesondere für einen Sensor mit einer optischen Polymerfaser. Weiterhin wird eine Meßvorrichtung bereitgestellt, die ein solches Fehlerkorrekturverfahren ausführt.The present invention relates to an error correction method for a fiber optic sensor, in particular for a sensor with a polymer optical fiber. Furthermore, a measuring device is provided which carries out such an error correction method.
  • Faseroptische Sensoren spielen zunehmend eine Rolle bei der Überwachung ausgedehnter Strukturen wie beispielsweise Gebäude, Dämme oder Deiche. Dabei können die faseroptischen Sensoren unter anderem zur Dehnungsmessung verwendet werden, da sich die Streueigenschaften der Faser für verschiedene Dehnungszustände unterscheiden. Typischerweise werden für solche Untersuchungen Rückstreu-Meßverfahren eingesetzt. Diese Rückstreu-Meßverfahren erlauben, eine örtliche Verteilung der Meßgröße entlang der Faser zu erfassen. Unter den Rückstreu-Meßverfahren ist die optische Rückstreumessung im Zeitbereich, auch kurz OTDR (engl.: Optical Time Domain Reflectometry) die am weitesten verbreitete Meßtechnik. Beispielsweise wird beim OTDR-Verfahren ein kurzer Lichtpuls in die Faser eingestrahlt und das rückgestreute Licht als Funktion der Zeit aufgezeichnet. Die Laufzeit des Lichts in der Faser ergibt sich zu 2·d/c·n, wobei d die einfache Strecke entlang der Faser zur Streustelle, c die Lichtgeschwindigkeit und n die effektive Brechzahl in der Faser ist. Die Größe c/n entspricht also der effektiven Geschwindigkeit v des Lichts in der Faser. Auf diese Weise kann ein Bezug zwischen dem zeitlichen Verlauf und dem örtlichen Verlauf des Signals hergestellt werden und der Ort eines Streuzentrums in der Faser lokalisiert werden. Neben der Zeitbereichsanalyse (OTDR) sind dem Fachmann weiterhin die Korrelationsbereichsanalyse und die Frequenzbereichsanalyse als Rückstreu-Meßverfahren bekannt.Fiber optic sensors are increasingly playing a role in monitoring extended structures such as buildings, dams or dykes. The fiber optic sensors can be used, inter alia, for strain measurement, since the scattering properties of the fiber differ for different strain states. Typically, backscatter measurements are used for such studies. These backscatter measuring methods allow to detect a local distribution of the measured quantity along the fiber. Among the backscatter measuring methods, the optical backscatter measurement in the time domain, also known as OTDR (Optical Time Domain Reflectometry), is the most widely used measuring technique. For example, in the OTDR method, a short pulse of light is radiated into the fiber and the backscattered light is recorded as a function of time. The transit time of the light in the fiber is 2 × d / c × n, where d is the simple distance along the fiber to the scattering point, c is the speed of light, and n is the effective refractive index in the fiber. The quantity c / n thus corresponds to the effective velocity v of the light in the fiber. In this way, a relationship between the time course and the local course of the signal can be established and the location of a scattering center in the fiber can be located. In addition to time domain analysis (OTDR), those skilled in the art are also familiar with correlation range analysis and frequency domain analysis as backscatter measurement methods.
  • Typischerweise werden Glasfasern als optische Fasersensoren verwendet, wobei bereits faseroptische Dehnungssensoren aus Glasfaser im Stand der Technik bekannt sind. Allerdings sind Glasfasern nicht zur Messung größerer Dehnungen, beispielsweise über 1% geeignet. Im Gegensatz zu den Glasfasersensoren sind Sensoren auf Basis optischer Polymerfasern, kurz POF (engl.: Polymer Optical Fiber), auch zur Dehnungsmessung für Dehnungen bis über 45% geeignet.Typically, glass fibers are used as optical fiber sensors, fiber optic strain sensors made of glass fiber already being known in the art. However, glass fibers are not suitable for measuring larger strains, for example over 1%. In contrast to the glass fiber sensors, sensors based on optical polymer fibers, in short POF (English: Polymer Optical Fiber), are also suitable for strain measurement for strains of more than 45%.
  • Allerdings ist die Höhe der Rückstreuung in POF-Sensoren ab etwa 1% Dehnung nicht mehr allein abhängig von der Dehnung sondern auch vom zeitlichen Verlauf der Dehnung, d. h. beispielsweise dem Zeitpunkt der Dehnung in Bezug zum Meßzeitpunkt aber auch wie schnell die Dehnung durchgeführt wurde.However, the amount of backscattering in POF sensors from about 1% strain no longer depends solely on the elongation but also on the time course of the elongation, d. H. For example, the time of stretching in relation to the time of measurement but also how fast the strain was performed.
  • Aufgrund der Zeitabhängigkeit der Rückstreuung wird die Auswertung der Meßsignale erschwert. Der Fehler, der durch die zeitliche Abnahme der Streuung entsteht, kann eine zuverlässige quantitative Auswertung des Streuprofils in ein Dehnungsprofil für Dehnungen oberhalb von ca. 2–5% praktisch unmöglich machen.Due to the time dependence of the backscatter the evaluation of the measuring signals is made more difficult. The error caused by the temporal decrease in scattering can make a reliable quantitative evaluation of the scattering profile in a strain profile for strains above about 2-5% virtually impossible.
  • Im Hinblick auf das oben Gesagte wird ein Fehlerkorrekturverfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Meßvorrichtung gemäß Anspruch 16 bereitgestellt. Weitere Aspekte, Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen.In view of the above, an error correction method according to claim 1 and a measuring apparatus according to claim 16 are provided. Other aspects, details, advantages and features of the present invention will become apparent from the dependent claims, the description and the accompanying drawings.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Fehlerkorrekturverfahren für einen faseroptischen Sensor bereitgestellt. Dabei werden zunächst Rückstreu-Meßdaten bereitgestellt, insbesondere Rückstreu-Meßdaten, die aus einer optischen Polymerfaser gewonnen wurden. Aus den Rückstreu-Meßdaten wird ein gemessenes Streuprofil ermittelt. Weiterhin wird ein Modells der optischen Polymerfaser bereitgestellt. Das Modell ist angepaßt, einen Zeitverlauf des Rückstreuverhaltens der optischen Polymerfaser zu beschreiben. Anhand dieses Modells wird nun der Zeitverlauf des Rückstreuverhaltens ermittelt. Der so anhand des Modells ermittelte Zeitverlauf des Rückstreuverhaltens wird nun verwendet, um das Zeitverhalten der Sensorfaser zu kompensieren. Auf diese Weise kann ein korrigiertes Dehnungsprofil erhalten werden.According to one embodiment, an error correction method for a fiber optic sensor is provided. First, backscatter measurement data are provided, in particular backscatter measurement data obtained from a polymer optical fiber. From the backscatter measurement data, a measured scattering profile is determined. Furthermore, a model of the optical polymer fiber is provided. The model is adapted to describe a time course of the backscattering behavior of the optical polymer fiber. Based on this model, the time course of the backscatter behavior is determined. The time response of the backscatter behavior thus determined by the model is now used to compensate for the time behavior of the sensor fiber. In this way, a corrected strain profile can be obtained.
  • Das beschriebene Fehlerkorrekturverfahren erlaubt es, zeitliche Veränderungen im Rückstreuverhalten der Sensorfaser zu kompensieren. Auf diese Weise kann die Auswertung der Rückstreu-Meßdaten verbessert werden. Insbesondere erlaubt das Fehlerkorrekturverfahren eine verläßliche quantitative Auswertung von Rückstreu-Meßdaten aus POF-Sensoren. Dabei handelt es sich typischerweise um Rückstreu-Meßdaten, die durch eine optische Rückstreumessung im Zeitbereich, eine optische Rückstreumessung im Korrelationsbereich, oder eine optische Rückstreumessung im Frequenzbereich erhalten wurden. Weiterhin kann ein korrigiertes Dehnungsprofil der optischen Polymerfaser ermittelt werden, wobei aufgrund des Fehlerkorrekturverfahrens auch größere Dehnungen, insbesondere Dehnungen im Bereich von 3% bis 50% der Faserlänge, quantitativ bestimmt werden können.The described error correction method makes it possible to compensate for temporal changes in the backscattering behavior of the sensor fiber. In this way, the evaluation of the backscatter measurement data can be improved. In particular, the error correction method allows a reliable quantitative evaluation of backscatter measurement data from POF sensors. These are typically backscatter measurements obtained by time domain optical backscatter, optical backscatter in the correlation domain, or optical backscatter in the frequency domain. Furthermore, a corrected elongation profile of the optical polymer fiber can be determined, wherein due to the error correction method, even larger strains, in particular strains in the range of 3% to 50% of the fiber length, can be determined quantitatively.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das zur Fehlerkorrektur verwendete Modell ein nichtlineares Zeitverhalten auf.According to one embodiment, the model used for error correction has a non-linear time response.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Modell als ein mechanisches Modell ausgebildet. Beispielsweise weist das mechanische Modell mindestens eine Feder und mindestens ein Dämpfungsglied auf. Dabei können die mindestens eine Feder und das mindestens eine Dämpfungsglied parallel oder in Reihe angeordnet sein. Selbstverständlich kann das Modell mehrere Federn und/oder Dämpfungsglieder aufweisen, die jeweils parallel und/oder in Reihe angeordnet sind. Gemäß einer Weiterbildung weist das mindestens eine Dämpfungsglied ein nichtlineares Verhalten auf. Insbesondere kann die Spannung an einem Stoßdämpfer, abhängig von der ersten zeitlichen Ableitung der Auslenkung an einem Dämpfungsglied, ein polynomiales Verhalten aufweisen. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das Modell auch weitere Glieder aufweisen, die ein anderes Verhalten als Federn oder Dämpfungsglieder zeigen.According to one embodiment, the model is designed as a mechanical model. For example, the mechanical model indicates at least one spring and at least one attenuator. In this case, the at least one spring and the at least one attenuator can be arranged in parallel or in series. Of course, the model may comprise a plurality of springs and / or attenuators, which are each arranged in parallel and / or in series. According to a development, the at least one attenuator has a non-linear behavior. In particular, the voltage on a shock absorber, depending on the first time derivative of the deflection on an attenuator, have a polynomial behavior. According to further embodiments, the model may also have other members that exhibit behavior other than springs or attenuators.
  • Durch Modelle, wie sie oben beschrieben sind, kann das zeitliche Rückstreuverhalten der Sensorfaser hinreichend gut vorhergesagt werden. Insbesondere mechanische Modelle der Sensorfaser sind gut zur Beschreibung des Rückstreuverhaltens geeignet. Dabei lassen sich die mechanischen Modelle relativ einfach darstellen und daher auch schnell und stabil numerisch lösen.By models, as described above, the time-back scattering behavior of the sensor fiber can be predicted sufficiently well. In particular, mechanical models of the sensor fiber are well suited for describing the backscattering behavior. The mechanical models can be displayed relatively easily and can therefore be solved quickly and stably numerically.
  • Typischerweise wird das Modell durch ein Differentialgleichungssystem dargestellt, das zur Gewinnung des Zeitverlaufs des Rückstreuverhaltens gelöst wird. Für einige Modellklassen, wie sie weiter unten beschrieben werden, kann das Differentialgleichungssystem auf einfache Weise mittels des Euler-Verfahrens gelöst werden. Auf diese Weise kann die Fehlerkorrektur mit relativ geringem Rechenaufwand und insbesondere sehr schnell durchgeführt werden.Typically, the model is represented by a differential equation system that is solved to obtain the time course of the backscattering behavior. For some model classes, as described below, the differential equation system can be easily solved by the Euler method. In this way, the error correction with relatively little computational effort and in particular can be performed very quickly.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Modell-Streuprofil anhand des Modells ermittelt. Das Modell-Streuprofil wird anschließend mit dem gemessenen Streuprofil verglichen, wonach zumindest ein Parameter des Modells in der Weise angepaßt wird, daß ein Fehler zwischen dem gemessenen Streuprofil und dem angepaßten Modell-Streuprofil möglichst klein wird.According to a further exemplary embodiment, a model scattering profile is determined on the basis of the model. The model scattering profile is then compared with the measured scattering profile, after which at least one parameter of the model is adapted in such a way that an error between the measured scattering profile and the adapted model scattering profile becomes as small as possible.
  • Auf diese Weise können Abweichungen zwischen dem Modell und dem realen Verhalten der Faser verringert werden. Dadurch kann das Modell der Sensorfaser anhand tatsächlich gemessener Werte verbessert werden, und liefert dann genauere Werte für das Zeitverhalten der Rückstreuung. Insbesondere kann das Verfahren in der Weise iterativ durchgeführt werden, daß hintereinander mehrere Messungen von Rückstreu-Meßdaten erfolgen. Für eine jeweilige dieser Messung wird dann das Modell-Streuprofil wie beschrieben angepaßt, wobei bei der Anpassung jeweils von dem angepaßten Modell-Streuprofil der vorhergehenden Messung ausgegangen wird. Auf diese Weise wird das Modell mit jeder Messung verbessert und die Fehlerkorrektur immer besser.In this way deviations between the model and the real behavior of the fiber can be reduced. As a result, the model of the sensor fiber can be improved based on actually measured values, and then provides more accurate values for the time response of the backscatter. In particular, the method can be carried out iteratively in such a way that several measurements of backscatter measurement data take place in succession. For each of these measurements, the model scattering profile is then adapted as described, wherein in the adaptation of each of the adapted model scattering profile of the previous measurement is assumed. In this way, the model improves with each measurement and the error correction gets better and better.
  • Gemäß einem anderen Ausfürhungsbeispiel wird ein Modell-Dehnungsprofil anhand des Modells ermittelt, das Modell-Dehnungsprofil mit dem gemessenen Dehnungsprofil verglichen und zumindest ein Parameter des Modells in der Weise angepaßt, daß ein Fehler zwischen dem gemessenen Dehnungsprofil und dem angepaßten Modell-Dehnungsprofil möglichst klein wird. Bei dieser Variante wird also direkt das Dehnungsprofil optimiert, ohne daß der Zwischenschritt über eine Korrektur des gemessenen Streuprofils gegangen werden muß.According to another embodiment, a model strain profile is determined from the model, the model strain profile is compared to the measured strain profile, and at least one parameter of the model is adjusted such that an error between the measured strain profile and the fitted model strain profile becomes as small as possible , In this variant, therefore, the expansion profile is optimized directly, without the intermediate step must be gone through a correction of the measured scattering profile.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Meßvorrichtung bereitgestellt, die eine optische Polymerfaser, eine Lichtquelle, die eingerichtet ist, Lichtpulse in die optische Polymerfaser einzuleiten, einen Detektor, der eingerichtet ist, aus der optischen Polymerfaser rückgestreutes Licht als Rückstreu-Meßdaten aufzunehmen, und eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, auf den Rückstreu-Meßdaten das oben beschriebene Fehlerkorrekturverfahren auszuführen, umfaßt. Typischerweise weist die optische Polymerfaser als Bestandteil Polymethylmethacrylat, ein Fluoropolymer oder ein Perfluorpolymer auf. Weiterhin kann die optische Polymerfaser als Gradientenindexfaser oder Stufenindexfaser ausgebildet sein.According to another embodiment, there is provided a measuring device comprising a polymer optical fiber, a light source adapted to introduce light pulses into the optical polymer fiber, a detector adapted to receive backscattered light from the optical polymer fiber as backscattered measurement data, and an evaluation unit which is arranged to execute on the backscatter measurement data the error correction method described above. Typically, the optical polymer fiber comprises polymethyl methacrylate, a fluoropolymer or a perfluoropolymer as an ingredient. Furthermore, the optical polymer fiber may be formed as gradient index fiber or step index fiber.
  • Insbesondere können einige der optischen Polymerfasern einer Dehnung bis zu 45% ohne Beschädigung ausgesetzt werden.In particular, some of the optical polymer fibers can be subjected to elongation of up to 45% without damage.
  • Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Dabei zeigt:Reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will now be explained. Showing:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Meßvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; 1 a schematic representation of a measuring device according to an embodiment;
  • 2 eine schematische Darstellung eines Meßprinzips; 2 a schematic representation of a measuring principle;
  • 3 eine spektrale Verteilung des relativen Intensitätsanstiegs des Streulichts für verschiedene Dehnungen; 3 a spectral distribution of the relative increase in intensity of the scattered light for different strains;
  • 4 die zeitliche Abnahme der erhöhten Streuung mit der Zeit für eine Dehnung von 20%; 4 the time decrease of the increased spread with time for an elongation of 20%;
  • 5 ein Flußdiagramm eines Fehlerkorrekturverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel; 5 a flowchart of an error correction method according to an embodiment;
  • 6 ein Modell, wie es in einem Fehlerkorrekturverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet wird; 6 a model as used in an error correction method according to an embodiment;
  • 7 ein iteratives Verfahren zur Auswertung bei mehreren aufeinanderfolgenden Messungen. 7 an iterative method for evaluation in several successive measurements.
  • Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Meßvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Meßvorrichtung 100 umfaßt Lichtquellen 110, 112, die eingerichtet sind, Lichtpulse in einen optischen Fasersensor 120 einzuleiten. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Meßvorrichtung 100 eine erste Lichtquelle 110 auf, die Lichtpulse in ein vorderes Ende 122 der Sensorfaser 120 einleitet, sowie eine zweite Lichtquelle 112, die Lichtpulse in ein hinteres Ende 124 der Sensorfaser 120 einleitet. Es ist dabei zu beachten, daß Messungen am vorderen und am hinteren Ende der Sensorfaser 120 zeitlich hintereinander durchgeführt werden. Daher ist es auch möglich, daß das vordere Ende und das hintere Ende der Sensorfaser mit derselben Lichtquelle und demselben Detektor verbunden sind. Dieses Ausführungsbeispiel ist in 1 nicht gezeigt, jedoch dem Fachmann ohne weiteres geläufig. Grundsätzlich sind die Messungen jedoch auch durchführbar, wenn das Licht nur an einem Ende der Sensorfaser eingespeist wird.The 1 shows a schematic representation of a measuring device 100 according to an embodiment. The measuring device 100 includes light sources 110 . 112 configured to emit light pulses into an optical fiber sensor 120 initiate. In the present embodiment, the measuring device 100 a first light source 110 on, the light pulses in a front end 122 the sensor fiber 120 initiates, as well as a second light source 112 , the light pulses in a rear end 124 the sensor fiber 120 initiates. It should be noted that measurements at the front and at the rear end of the sensor fiber 120 be performed consecutively. Therefore, it is also possible that the front end and the rear end of the sensor fiber are connected to the same light source and the same detector. This embodiment is in 1 not shown, but readily familiar to those skilled in the art. In principle, however, the measurements can also be carried out if the light is only fed in at one end of the sensor fiber.
  • In typischen Ausführungsbeispielen ist der Fasersensor als optische Polymerfaser (POF) ausgeführt. Dabei kann der POF-Sensor als Bestandteil Polymethylmethacrylat (PMMA), ein Fluoropolymer oder ein Perfluorpolymer aufweisen. Weiterhin kann die optische Polymerfaser als Gradientenindexfaser oder als Stufenindexfaser ausgeführt sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Sensorfaser aus PMMA mit einem Kerndurchmesser von 1 mm und einem Stufenindexpofil verwendet. Solche Fasern sind beispielsweise von den Firmen Mitsubishi, Toray und Asahi erhältlich. Die Fasern sind auch mit anderen Kerndurchmessern bei gleichem Material verfügbar. Die Fasern lassen sich ohne Beschädigung einige zehn Prozent dehnen (> 45%) und weisen eine mit der Dehnung stetig steigende Streuung auf. Weiterhin zeigen diese Fasern eine Dämpfung im Bereich von 160 dB/km bei der üblichen Wellenlänge von 650 nm. Darüber hinaus weiten sich die eingespeisten Lichtpulse aufgrund des Stufenindexprofils entlang der Faser stark auf. Eine Gradientenindexfaser aus PMMA mit 1 mm Kerndurchmesser ist von der Firma optimedia erhältlich. Diese Faser weist nur im Dehnbereich zwischen 1,5% und 6% erhöhte Streuung auf. Darüber hinaus ist diese Faser deutlich zerbrechlicher als die oben genannten Stufenindexfasern. Alle diese PMMA-Fasern werden typischerweise mit Lichtquellen 110, 112 verwendet, die im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 700 nm arbeiten.In typical embodiments, the fiber sensor is implemented as optical polymer fiber (POF). In this case, the POF sensor as part of polymethylmethacrylate (PMMA), a fluoropolymer or a perfluoropolymer have. Furthermore, the optical polymer fiber may be embodied as gradient index fiber or as step index fiber. According to one embodiment, a sensor fiber of PMMA with a core diameter of 1 mm and a Stufenindexpofil is used. Such fibers are available, for example, from Mitsubishi, Toray and Asahi. The fibers are also available with different core diameters for the same material. The fibers can be tens of percent stretched without damage (> 45%) and have a with the strain steadily increasing scattering. Furthermore, these fibers exhibit attenuation in the range of 160 dB / km at the common wavelength of 650 nm. In addition, the input light pulses due to the step index profile along the fiber greatly. A gradient index fiber of PMMA with 1 mm core diameter is available from the company optimedia. This fiber has increased scattering only in the elongation range between 1.5% and 6%. In addition, this fiber is significantly more fragile than the above-mentioned step index fibers. All of these PMMA fibers are typically light sources 110 . 112 used, which work in the visible wavelength range between 400 nm and 700 nm.
  • Gemäß anderen Ausführungsbeispielen werden für den Fasersensor 120 Gradientenindexfasern der Hersteller Asahi Glas und Chromis verwendet, die aus dem Perfluorpolymer Cytop® bestehen. Dämpfung und Pulsaufweitung sind bei diesen Fasern vergleichsweise gering und liegen im Bereich von 30 dB/km. Eine Zunahme der Streuung ist aber nur im Dehnbereich zwischen 1,5% und 3% zu beobachten. Diese Fasern sind auch im sichtbaren Bereich einsetzbar, werden aber typischerweise mit Lichtquellen verwendet, die im Wellenlängenbereich von 850 nm bis 1300 nm arbeiten.According to other embodiments, for the fiber sensor 120 Gradient index fibers manufactured by Asahi Glas and Chromis, which consist of the perfluoropolymer Cytop ® . Attenuation and pulse expansion are comparatively low for these fibers and are in the range of 30 dB / km. However, an increase in scattering can only be observed in the expansion range between 1.5% and 3%. These fibers can also be used in the visible range, but are typically used with light sources operating in the wavelength range from 850 nm to 1300 nm.
  • Polymerfasern können beispielsweise aus Thermoplasten hergestellt werden. Unter den Thermoplasten können neben PMMA beispielsweise auch optische Fasern aus Polycarbonat oder Polystyrol hergestellt werden. Weiterhin können auch optische Fasern aus zyklischen Polyolefinen hergestellt werden. Weitere Fluoropolymere, die zur Herstellung optischer Fasern geeignet sind, umfassen Hexafluoroisopropyl 2-Fluoroacrylat (HFIP 2-FA), Polytetrafluoroethylen (PTFE), Tetrafluoroethylen-Hexafluoropropylen (PFE) und Tetrafluoroethylen-Perfluoroalkylvinyl-Ether (PFA). Weiterhin können optische Fasern auch mit deuteriertem Polymer auf Basis von PMMA hergestellt werden. Neben diesen Thermoplasten können optische Fasern auch aus Elastomeren wie beispielsweise Polysiloxanen hergestellt werden.Polymer fibers can be made, for example, from thermoplastics. Among the thermoplastics, for example, optical fibers made of polycarbonate or polystyrene can be produced in addition to PMMA. Furthermore, optical fibers can be made from cyclic polyolefins. Other fluoropolymers suitable for making optical fibers include hexafluoroisopropyl 2-fluoroacrylate (HFIP 2-FA), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene (PFE), and tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinyl ether (PFA). Furthermore, optical fibers can also be made with deuterated polymer based on PMMA. In addition to these thermoplastics, optical fibers can also be made from elastomers such as polysiloxanes.
  • Weiterhin umfaßt die Meßvorrichtung 100 Detektoren 130, 132, die eingerichtet sind, aus dem Fasersensor 120 rückgestreutes Licht als Rückstreu-Meßdaten aufzunehmen. Dabei kann es eine optische Rückstreumessung im Zeitbereich, eine optische Rückstreumessung im Korrelationsbereich, oder eine optische Rückstreumessung im Frequenzbereich durchgeführt werden. Beispielhaft jedoch ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird hier eine optische Rückstreumessung im Zeitbereich (OTDR) beschrieben. Dazu sind die Detektoren 130, 132 eingerichtet, das Streulicht zeitaufgelöst zu registrieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind sowohl am vorderen als auch am hinteren Ende der Sensorfaser 120 optische Koppler 140, 142 vorgesehen, die das Streulicht aus der Faser auskoppeln und an den jeweiligen Detektor 130, 132 leiten.Furthermore, the measuring device comprises 100 detectors 130 . 132 that are set up, from the fiber sensor 120 backscattered light as backscatter measurement data. In this case, an optical backscatter measurement in the time domain, an optical backscatter measurement in the correlation domain, or an optical backscatter measurement in the frequency domain can be performed. By way of example but not limited to the general public, an optical time domain backscatter measurement (OTDR) is described here. These are the detectors 130 . 132 set up to register the scattered light time-resolved. According to one embodiment, both at the front and at the rear end of the sensor fiber 120 optical couplers 140 . 142 provided, which decouple the scattered light from the fiber and to the respective detector 130 . 132 conduct.
  • Schließlich umfaßt die Meßvorrichtung 100 noch eine Auswerteeinheit 150. Die Auswerteeinheit 150 erhält die von den Detektoren 130, 132 aufgenommenen Rückstreu-Meßdaten und ist eingerichtet, auf den Rückstreu-Meßdaten ein unten beschriebenes Fehlerkorrekturverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auszuführen. Typischerweise umfaßt die Auswerteeinheit 150 einen Rechner, auf dem ein Computerprogramm ausgeführt wird, das das unten beschriebene Fehlerkorrekturverfahren durchführt. Die Auswerteeinheit 150 ist typischerweise weiterhin eingerichtet, aus den Rückstreu-Meßdaten bzw. aus mit Hilfe des Fehlerkorrekturverfahrens erhaltenen korrigierten Rückstreu-Meßdaten ein Dehnungsprofil der Sensorfaser 120 zu erhalten. Insbesondere wird das Dehnungsprofil für einen gedehnten Teil 125 der Sensorfaser 120 erhalten.Finally, the measuring device comprises 100 another evaluation unit 150 , The evaluation unit 150 receives the from the detectors 130 . 132 and is adapted to perform on the backscatter measurement data an error correction method described below according to an embodiment of the present invention. Typically, the evaluation unit comprises 150 a computer on which a computer program executing the error correction method described below is executed. The evaluation unit 150 is typically further set up, from the backscatter measurement data or from the corrected one obtained by means of the error correction method Backscatter data an expansion profile of the sensor fiber 120 to obtain. In particular, the expansion profile becomes a stretched part 125 the sensor fiber 120 receive.
  • In 2 ist das zugrundeliegende Meßprinzip schematisch dargestellt. Dabei werden zunächst am vorderen und am hinteren Ende der Sensorfaser 120 mittels der Detektoren 130, 132 jeweilige Meßsignale zeitaufgelöst aufgenommen. In den Meßsignalen werden sodann die sich entsprechenden Faserabschnitte anhand von Referenz-Reflexen (z. B. Fresnel-Reflexen an Faseranfang bzw. Faserende oder an Steckverbindungen) identifiziert. Hierbei ist zu beachten, daß die Signale, von den beiden Referenzpunkten aus betrachtet, zueinander zeitlich invertiert sind, da die Streuereignisse an den entgegengesetzten Enden der Sensorfaser aufgenommen wurden. Anschließend erfolgt eine Schärfung der Signale, um die durch die Sensorfaser verursachte Pulsverbreiterung zu kompensieren. Beispielsweise kann eine solche Schärfung mit Hilfe einer Unschärfe-Matrix erfolgen, wobei zur Schärfung die Pseudoinverse der Unschärfematrix verwendet wird. Typischerweise wird die Pseudoinverse der Unschärfematrix einmal für eine bestimmte Meßvorrichtung ermittelt und dann gespeichert. Die Schärfung des Signals wird dann durch einfache Multiplikation des Signalvektors mit der Pseudoinversen der Unschärfematrix erreicht. Anschließend wird das am hinteren Ende der Sensorfaser erhaltene Signal noch zeitlich invertiert, um beim Übereinanderlegen der beiden Meßsignale korrekte Positionswerte zu erhalten. Durch Übereinanderlegen der beiden so erhaltenen Meßsignale können das Dämpfungsprofil, das heißt die Dämpfung an einem jeweiligen Ort der Sensorfaser, und das Streuprofil, das heißt die Stärke der Rückstreuung an einem jeweiligen Ort der Sensorfaser, voneinander getrennt werden. Typischerweise wird die Stärke der Rückstreuung an einem jeweiligen Ort der Sensorfaser durch die Intensität des Streulichts, typischerweise normiert auf die vorhandene Lichtintensität, an dem Ort angegeben.In 2 is the underlying measuring principle shown schematically. First, the sensor fiber is at the front and at the rear end 120 by means of the detectors 130 . 132 respective measured signals recorded time-resolved. In the measurement signals, the corresponding fiber sections are then identified on the basis of reference reflections (eg Fresnel reflections at the beginning or end of the fiber or at plug connections). It should be noted here that the signals, viewed from the two reference points, are temporally inverted relative to one another since the scattering events were recorded at the opposite ends of the sensor fiber. This is followed by a sharpening of the signals in order to compensate for the pulse broadening caused by the sensor fiber. For example, such a sharpening can be done with the aid of a blurring matrix, wherein the pseudo inverse of the blur matrix is used for sharpening. Typically, the pseudoinverse of the blur matrix is determined once for a particular meter and then stored. The sharpening of the signal is then achieved by simply multiplying the signal vector by the pseudoinverse of the blur matrix. Subsequently, the signal obtained at the rear end of the sensor fiber is time-inverted in order to obtain correct position values when superimposing the two measuring signals. By superimposing the two measurement signals thus obtained, the attenuation profile, that is to say the attenuation at a respective location of the sensor fiber, and the scattering profile, that is to say the intensity of the backscatter at a respective location of the sensor fiber, can be separated from one another. Typically, the intensity of the backscatter at a particular location of the sensor fiber is indicated by the intensity of the scattered light, typically normalized to the light intensity present, at the location.
  • In 3 zeigt eine spektrale Verteilung des relativen Intensitätsanstiegs des Streulichts für verschiedene Dehnungen der Sensorfaser im Bereich von 1% bis 40% Dehnung. Die Auftragung ist doppeltlogarithmisch gewählt, um die typische λ–4-Abhängigkeit zu zeigen, die von der Rayleigh-Streuung in der Sensorfaser herrührt. Das in 3 gezeigte Streuverhalten der Sensorfaser für verschiedene Dehnungen erlaubt nun, einen Zusammenhang zwischen dem Streuprofil und dem Dehnungsprofil der Faser herzustellen. Mit anderen Worten kann über den in 3 gezeigten Zusammenhang die Streuintensität an einem Ort der Sensorfaser in eine Dehnung an diesem Ort überführt werden. Der relativen Zunahme der Streuung in der gedehnten Faser im Vergleich zur ungedehnten Faser kann so ein Dehnwert zugeordnet werden. Auf diese Weise kann die Sensorfaser als Dehnungssensor verwendet werden.In 3 shows a spectral distribution of the relative increase in intensity of the scattered light for different strains of the sensor fiber in the range of 1% to 40% elongation. The plot is logarithmically chosen to show the typical λ -4 dependence that results from Rayleigh scattering in the sensor fiber. This in 3 shown scattering behavior of the sensor fiber for different strains now allows to establish a relationship between the scattering profile and the elongation profile of the fiber. In other words, over the in 3 As shown, the scattering intensity at a location of the sensor fiber can be translated into a strain at that location. The relative increase in scattering in the stretched fiber compared to the unstretched fiber can thus be assigned an elongation value. In this way, the sensor fiber can be used as a strain sensor.
  • Allerdings ist die Höhe der Rückstreuung in POF-Sensoren ab etwa 1% Dehnung nicht mehr allein abhängig von der Dehnung selbst sondern ist auch zeitabhängig. Insbesondere zeigen die POF-Sensoren eine Abnahme der erhöhten Streuung mit der Zeit, d. h. ein Relaxationsverhalten. Dies ist in 4 gezeigt, in der die Erhöhung der Streuung gegen die Zeit aufgetragen ist. Die 4 zeigt deutlich die Abnahme der aufgrund der Dehnung erhöhten Streuung mit der Zeit. Im Beispiel der 4 wurde eine Dehnung von 20% eingestellt, grundsätzlich läßt sich dieses Abklingen der Streuung aber praktisch für alle Dehnungen oberhalb von ca. 1% beobachten. Im allgemeinen gilt hier, daß die relative Abnahme der Meßgröße mit der Zeit umso stärker ist, je stärker die aufgeprägte Dehnung ist. Weiterhin kann die Dehnung auch vom zeitlichen Verlauf der Dehnung, d. h. beispielsweise dem Zeitpunkt der Dehnung in Bezug zum Meßzeitpunkt aber auch wie schnell die Dehnung durchgeführt wurde, abhängen.However, the amount of backscatter in POF sensors from about 1% strain no longer depends solely on the strain itself but is also time-dependent. In particular, the POF sensors show a decrease in the increased scattering with time, ie a relaxation behavior. This is in 4 shown in which the increase in the spread is plotted against time. The 4 clearly shows the decrease in the increased due to the elongation scattering with time. In the example of 4 was set an elongation of 20%, in principle, this decay of the scattering but can be practically observed for all strains above about 1%. In general, the stronger the impressed strain, the stronger the relative decrease of the measured quantity with time. Furthermore, the elongation can also depend on the time course of the expansion, ie, for example, the time of stretching in relation to the time of measurement but also how fast the stretching was carried out.
  • Aufgrund der Zeitabhängigkeit der Rückstreuung wird die Auswertung der Meßsignale erschwert. Mit anderen Worten erscheint die Dehnung nach einer gewissen Zeit kleiner, als sie tatsächlich ist. Aufgrund der unkorrigierten Meßdaten würde man also die Dehnung in der Sensorfaser systematisch unterschätzen, wobei auch der Fehler zeitabhängig ist. Der Fehler, der durch die zeitliche Abnahme der Streuung entsteht, macht somit eine zuverlässige quantitative Auswertung des Streuprofils in ein Dehnungsprofil für Dehnungen oberhalb von ca. 2–5% ohne entsprechende Fehlerkorrektur unmöglich.Due to the time dependence of the backscatter the evaluation of the measuring signals is made more difficult. In other words, after a certain amount of time, the strain appears smaller than it really is. Due to the uncorrected measurement data, one would thus underestimate the strain in the sensor fiber systematically, whereby the error is time-dependent. The error caused by the temporal decrease in scattering thus makes a reliable quantitative evaluation of the scattering profile in a strain profile for strains above approximately 2-5% impossible without corresponding error correction.
  • In 5 ist ein Flußdiagramm eines Fehlerkorrekturverfahrens 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. In einem ersten Schritt 510 werden Rückstreu-Meßdaten einer optischen Polymerfaser bereitgestellt. Anschließend wird ein gemessenes Streuprofil aus den Rückstreu-Meßdaten ermittelt (Schritt 520). Es wurde oben bereits beschrieben, wie sich ein Streuprofil aus den Rückstreu-Meßdaten ermitteln läßt, so daß eine weitere Erläutertung dazu hier weggelassen wird. In einem Schritt 530 wird ein Modell der optischen Polymerfaser bereitgestellt. Das Modell ist angepaßt, den Zeitverlauf des Rückstreuverhaltens der Sensorfaser, insbesondere einer optischen Polymerfaser, zu beschreiben. Typischerweise weist das Modell eine inhomogene Spannungsverteilung auf. Eine solche inhomogene Spannungsverteilung ist typischerweise auch in den Sensorfasern zu finden. Weiterhin zeigt das Modell typischerweise ein nichtlineares Zeitverhalten, wie es beispielsweise auch in den Sensorfasern gefunden wird (vgl. 4). Geeignete Modelle werden weiter unten genauer beschrieben. Anhand des Modells wird nun in Schritt 540 der Zeitverlauf des Rückstreuverhaltens ermittelt. Anhand des im Modell ermittelten Zeitverlaufs des Rückstreuverhaltens wird nun eben dieses Zeitverhalten in dem gemessenen Streuprofil kompensiert.In 5 Fig. 10 is a flowchart of an error correction process 500 shown according to an embodiment. In a first step 510 Backscatter measurements of an optical polymer fiber are provided. Subsequently, a measured scattering profile from the backscatter measurement data is determined (step 520 ). It has already been described above how a scattering profile can be determined from the backscatter measurement data, so that a further explanation of this is omitted here. In one step 530 a model of the optical polymer fiber is provided. The model is adapted to describe the time course of the backscattering behavior of the sensor fiber, in particular an optical polymer fiber. Typically, the model has an inhomogeneous stress distribution. Such an inhomogeneous stress distribution is typically also found in the sensor fibers. Furthermore, the model typically exhibits a non-linear time behavior, as is also found, for example, in the sensor fibers (cf. 4 ). Suitable models are described in more detail below. Based on the model will now be in step 540 the time course of the Backscatter behavior determined. On the basis of the time course of the backscattering behavior determined in the model, this time behavior is now compensated in the measured scattering profile.
  • Das beschriebene Fehlerkorrekturverfahren erlaubt es, zeitliche Veränderungen im Rückstreuverhalten der Sensorfaser zu kompensieren. Auf diese Weise kann die Auswertung der Rückstreu-Meßdaten verbessert werden. Insbesondere erlaubt das Fehlerkorrekturverfahren eine verläßliche quantitative Auswertung von Rückstreu-Meßdaten aus POF-Sensoren. Weiterhin kann ein Dehnungsprofil der optischen Polymerfaser anhand des korrigierten Rückstreuprofils ermittelt werden, wobei aufgrund des Fehlerkorrekturverfahrens auch größere Dehnungen, insbesondere Dehnungen im Bereich von 3% bis 50% der Faserlänge, quantitativ zuverlässig bestimmt werden können.The described error correction method makes it possible to compensate for temporal changes in the backscattering behavior of the sensor fiber. In this way, the evaluation of the backscatter measurement data can be improved. In particular, the error correction method allows a reliable quantitative evaluation of backscatter measurement data from POF sensors. Furthermore, a strain profile of the optical polymer fiber can be determined on the basis of the corrected backscatter profile, wherein due to the error correction method even larger strains, in particular strains in the range of 3% to 50% of the fiber length, can be reliably determined quantitatively.
  • In 6 ist ein Modell 600 gezeigt, wie es in einem Fehlerkorrekturverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet wird. Dabei wird hier ein mechanisches Modell verwendet, d. h. ein Modell, das aus miteinander gekoppelten mechanischen Elementen besteht. Das Modell gemäß 6 weist dabei zwei zueinander parallel verlaufende Zweige auf. Der erste Zweig umfaßt eine erste Feder S1 und ein mit der ersten Feder S1 in Reihe angeordnetes erstes Dämpfungselement D1. Der zweite Zweig umfaßt eine zweite Feder S2 und ein mit der zweiten Feder S2 in Reihe angeordnetes zweites Dämpfungselement D2. Die Auslenkung der ersten bzw. der zweiten Feder ist zeitabhängig und durch z1 bzw. z2 gegeben. Die beiden Dämpfungsglieder D1, D2 weisen ein nichtlineares Verhalten auf. Das Modell 600 läßt sich durch ein Differentialgleichungssystem beschreiben, welches beispielsweise mittels des Euler-Verfahrens numerisch lösbar ist.In 6 is a model 600 as used in an error correction method according to an embodiment. Here, a mechanical model is used, ie a model consisting of coupled mechanical elements. The model according to 6 has two mutually parallel branches. The first branch comprises a first spring S 1 and disposed with the first spring S 1 in series first damping element d1. The second branch comprises a second spring S 2 and disposed with the second spring S2 in series with second damping element D. 2 The deflection of the first and the second spring is time-dependent and given by z 1 or z 2 . The two attenuators D 1 , D 2 have a non-linear behavior. The model 600 can be described by a differential equation system, which is numerically solvable, for example by means of the Euler method.
  • Das oben beschriebene Modell ist geeignet, die Abnahme der Streuungsintensität mit der Zeit quantitativ korrekt wiederzugeben. Dabei werden die Spannungen an den einzelnen Federn Fn 1 = zn 1·S1 über eine Funktion g(Fn 1) in einen Streufaktor umgerechnet. Dabei steht der Index i für die verschiedenen Zweige im Modell und der Index n für die Messung bzw. den Zeitpunkt der Messung. Im einfachsten Fall entspricht die Funktion g einer gewichteten Summe der Komponenten aus Fn 1, so daß die Umrechnung über eine einfache Multiplikation mit diesen Konstanten erfolgt. Die Summe der einzelnen Streufaktoren bildet dann den Streufaktor, der auch im Streuprofil wiederzufinden ist. Die Spannung F1(t) an einer Feder ist zeitabhängig und gegeben durch das Produkt aus Federkonstante S1 und Auslenkung z1 F1(t) = z1(t)·S1. The model described above is capable of quantitatively correctly reflecting the decrease in scattering intensity over time. In this case, the voltages at the individual springs F n 1 = z n 1 · S 1 are converted into a scatter factor by a function g (F n 1 ). The index i stands for the different branches in the model and the index n for the measurement or the time of the measurement. In the simplest case, the function g corresponds to a weighted sum of the components of F n 1 , so that the conversion takes place via a simple multiplication with these constants. The sum of the individual scattering factors then forms the scattering factor, which can also be found in the scattering profile. The voltage F 1 (t) on a spring is time-dependent and given by the product of spring constant S 1 and deflection z 1 F 1 (t) = z 1 (t) · S 1 .
  • Dadurch wird auch der aus Fn 1 berechnete Streufaktor zeitabhängig, wodurch sich beispielsweise das in 4 gezeigte Relaxationsverhalten beschreiben läßt. Wie bereits erläutert können die Dämpfungsglieder entweder ebenso wie die Federn linear sein (F1(t)d/dt(z(t) – z1(t))·D1) oder ein nichtlineares Zeitverhalten aufweisen (z1(t)·S1)m = d/dt(z(t) – z1(t))·D1. As a result, the scattering factor calculated from F n 1 is also time-dependent, as a result of which, for example, the in 4 Describes relaxation behavior described. As already explained, the attenuators, as well as the springs, can be linear (F 1 (t) d / dt (z (t) -z 1 (t)) * D 1 ) or have a non-linear time response (z 1 (t) * S 1 ) m = d / dt (z (t) -z 1 (t)) * D 1 .
  • Dabei ist d/dt(z – z1) die Änderung der Auslenkung des Dämpfungsglieds mit der Zeit und m ein Exponent. Die Variable z ist dabei äquivalent zur Dehnung ε am jeweiligen Ort der Faser. Insofern ist also die zeitliche Änderung von z äquivalent zur zeitlichen Änderung der Dehnung ε. Im einfachsten Fall wird angenommen, dass sich die Änderung der Dehnung gleichförmig über das Zeitintervall zwischen den Messungen dt verteilt. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen werden aber auch Modelle mit anderen zeitlichen Dehnungsverläufen verwendet.Here, d / dt (z-z 1 ) is the change of the attenuation of the attenuator with time and m is an exponent. The variable z is equivalent to the strain ε at the respective location of the fiber. In this respect, therefore, the temporal change of z is equivalent to the temporal change of the strain ε. In the simplest case, it is assumed that the change in the elongation is uniformly distributed over the time interval between the measurements dt. According to other embodiments, however, models with different temporal expansion curves are also used.
  • Grundsätzlich können in dem Modell auch andere als polynomielle Funktionsverläufe (m = 1, 2, 3...) verwendet werden. Jedoch zeigt bereits das relativ einfache abgebildete Modell mit zwei parallel angeordneten nichtlinearen Dämpfungsgliedern gute Ergebnisse für m = 2. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß grundsätzlich die Anzahl der Federn und Dämpfungsglieder in dem Modell beliebig ist. Genauso ist die Topologie des Netzwerks, das die Kopplungen der mechanischen Glieder miteinander beschreibt, grundsätzlich beliebig. Jedoch ist es zur schnellen und einfachen Ermittlung des Zeitverhaltens sinnvoll, eine möglichst einfache Netzwerktopologie mit möglichst wenigen Knoten, d. h. mechanischen Gliedern, zu verwenden.In principle, other than polynomial functional characteristics (m = 1, 2, 3...) Can also be used in the model. However, even the relatively simple model shown with two nonlinear attenuators arranged in parallel shows good results for m = 2. It should be noted, however, that in principle the number of springs and attenuators in the model is arbitrary. Likewise, the topology of the network, which describes the couplings of the mechanical members together, is basically arbitrary. However, it makes sense to quickly and easily determine the timing, a simple network topology with as few nodes as possible, d. H. mechanical links, to use.
  • Das Modell liefert zunächst eine Reihe gewöhnlicher Differentialgleichungen für F1(t). Weiterhin sind die Konstanten S1 und D1 an jedem Ort der Faser identisch gewählt. Allerdings gibt es für jeden Ortspunkt entlang der Faser jeweils eine Dehnung z bzw. ε sowie eigene Auslenkungen z1 der jeweiligen Federn. Durch Lösung des Differentialgleichungssystems für jeden Ort entlang der Faser können nun die F1 bestimmt werden. Die Zeitabhängigkeit wird dabei so berücksichtigt, daß die F1(t) jeweils für Meßzeitpunkte n = 1, 2, 3, ... als Fn 1 bestimmt werden. Dazu werden aus vorherigen Messungen die Startwerte zn, zn 1 des Modells verwendet, sowie ein geschätztes Δz und das Zeitintervall Δtn zwischen der aktuellen und der vorhergehenden Messung. Aus den Fn 1 lassen sich dann die Streufaktoren für den jeweiligen Ort der Faser neu ermitteln. Diese können nun zum Abgleich mit den gemessenen Streufaktoren verwendet werden. Die ermittelte Zeitabhängigkeit der lokalen Streufaktoren kann nun dazu verwendet werden, um in dem gemessenen Streuprofil die Zeitabhängigkeit zu kompensieren. Mit anderen Worten kann nun die zeitabhängige Abnahme der Streuintensität berücksichtigt werden.The model first gives a series of ordinary differential equations for F 1 (t). Furthermore, the constants S 1 and D 1 are selected identically at each location of the fiber. However, there is for each location along the fiber in each case an expansion z or ε and own displacements z 1 of the respective springs. By solving the differential equation system for each location along the fiber, the F 1 can now be determined. The time dependence is taken into account so that the F 1 (t) in each case for measurement times n = 1, 2, 3, ... as F n 1 are determined. For this purpose, the starting values z n , z n 1 of the model are used from previous measurements, as well as an estimated Δz and the time interval Δt n between the current and the preceding measurement. The scatter factors for the respective location of the fiber can then be newly determined from the F n 1 . These can now be used for comparison with the measured dispersion factors. The determined time dependence of the local scattering factors can now be used to compensate for the time dependence in the measured scattering profile. In other words, the time-dependent decrease of the scattering intensity can now be taken into account.
  • In 7 ist ein iteratives Verfahren zur Auswertung bei mehreren aufeinanderfolgenden Dehnungsmessungen gezeigt. Dabei werden zunächst die Auslenkungen zn-1 und zn-1 1 der vorangegangenen Messung sowie der Zeitabstand Δtn zu dieser Messung als Eingangsgrößen des Modells verwendet. Weiterhin wird eine lokale Änderung der Dehnung Δεn geschätzt und als Eingangsgröße verwendet, um daraus das sich ergebende Streuprofil zu berechnen. Es wird nun der geratene Wert Δεn für die Änderung der Dehnung solange optimiert, bis das errechnete Modell-Streuprofil möglichst gut mit dem gemessenen Streuprofil übereinstimmt. Für die Berechnung des Dehnprofils aus der nächsten Messung werden neben den Dehnwerten für jeden Ortspunkt entlang der Sensorfaser außerdem jeweils die Zustände für alle zn 1 gespeichert, da diese wieder als Startpunkt für die nächste Berechnung dienen. Mit andern Worten enthält das Modell für jeden Ort entlang der Faser einen eigenen Zustand mit den lokalen Zustandsgrößen zn bzw. εn und zn 1, die die gesamte Historie der Faser ausreichend beschreiben und nach jeder Berechnung mit neuen Messdaten angepasst werden.In 7 an iterative method for evaluation in several consecutive strain measurements is shown. In this case, first the deflections z n-1 and z n-1 1 of the preceding measurement and the time interval Δt n for this measurement are used as input variables of the model. Furthermore, a local change of the strain Δε n is estimated and used as an input quantity in order to calculate the resulting scattering profile therefrom. The advised value Δε n for the change in the elongation is then optimized until the calculated model scattering profile agrees as well as possible with the measured scattering profile. In addition to the strain values for each location point along the sensor fiber, the states for all z n 1 are also stored for the calculation of the strain profile from the next measurement, since these again serve as the starting point for the next calculation. In other words, the model contains a separate state for each location along the fiber with the local state variables z n or ε n and z n 1 , which sufficiently describe the entire history of the fiber and are adapted with new measurement data after each calculation.
  • Bei dem iterativen Verfahren wird also ein Modell-Streuprofil anhand des Modells ermittelt, das Modell-Streuprofil mit dem gemessenen Streuprofil verglichen wird, und anschließend die geschätzte Dehnung in der Weise angepaßt, daß der Fehler zwischen dem gemessenen Streuprofil und dem angepaßten Modell-Streuprofil möglichst klein wird. Beispielsweise kann diese Optimierung mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate erfolgen, jedoch sind auch andere Optimierungsverfahren geeigent. Typischerweise wird das Verfahren wie beschrieben in der Weise iterativ durchgeführt, daß mehrere Messungen von Rückstreu-Meßdaten erfolgen und für eine jeweilige Messung das Modell-Streuprofil angepaßt wird. Bei der Anpassung wird jeweils von dem angepaßten Modell-Streuprofil der vorhergehenden Messung ausgegangen wird.In the iterative method, therefore, a model scattering profile is determined on the basis of the model, the model scattering profile is compared with the measured scattering profile, and then the estimated elongation adjusted in such a way that the error between the measured scattering profile and the matched model scattering profile is as far as possible gets small. For example, this optimization can be done with the least squares method, but other optimization methods are also suitable. Typically, as described above, the method is carried out iteratively in such a way that several measurements of backscatter measurement data are made and for each measurement the model scattering profile is adapted. In the adaptation, it is assumed in each case of the adapted model scattering profile of the previous measurement.
  • Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden.The present invention has been explained with reference to exemplary embodiments. These embodiments should by no means be construed as limiting the present invention.

Claims (20)

  1. Fehlerkorrekturverfahren für einen faseroptischen Sensor, umfassend (a) Bereitstellen von Rückstreu-Meßdaten einer optischen Polymerfaser; (b) Ermitteln eines gemessenen Streuprofils aus den Rückstreu-Meßdaten; (c) Bereitstellen eines Modells der optischen Polymerfaser, wobei das Modell angepaßt ist, einen Zeitverlauf des Rückstreuverhaltens der optischen Polymerfaser zu beschreiben; (d) Ermitteln des Zeitverlaufs des Rückstreuverhaltens anhand des Modells; und (e) Kompensieren des ermittelten Zeitverlaufs des Rückstreuverhaltens.Error correction method for a fiber optic sensor, comprising (a) providing backscatter measurement data of a polymer optical fiber; (b) determining a measured scattering profile from the backscatter measurement data; (c) providing a model of the optical polymer fiber, wherein the model is adapted to describe a time course of the backscattering behavior of the optical polymer fiber; (d) determining the time course of the backscatter behavior using the model; and (e) compensating for the determined time course of the backscattering behavior.
  2. Fehlerkorrekturverfahren nach Anspruch 1, wobei weiterhin ein gemessenes Dehnungsprofil der optischen Polymerfaser anhand des Rückstreuprofils ermittelt wird.The error correction method of claim 1 further comprising determining a measured strain profile of the optical polymer fiber from the backscatter profile.
  3. Fehlerkorrekturverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Modell eine inhomogene Spannungsverteilung aufweist.Error correction method according to one of the preceding claims, wherein the model has an inhomogeneous stress distribution.
  4. Fehlerkorrekturverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Modell ein nichtlineares Zeitverhalten aufweist.An error correction method according to any one of the preceding claims, wherein the model has non-linear timing.
  5. Fehlerkorrekturverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Modell ein mechanisches Modell ist.An error correction method according to any one of the preceding claims, wherein the model is a mechanical model.
  6. Fehlerkorrekturverfahren nach Anspruch 5, wobei das mechanische Modell mindestens eine Feder und mindestens ein Dämpfungsglied umfaßt.The error correction method of claim 5, wherein the mechanical model comprises at least one spring and at least one attenuator.
  7. Fehlerkorrekturverfahren nach Anspruch 6, wobei mindestens eine Feder und mindestens ein Dämpfungsglied parallel angeordnet sind.Error correction method according to claim 6, wherein at least one spring and at least one attenuator are arranged in parallel.
  8. Fehlerkorrekturverfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei mindestens eine Feder und mindestens ein Dämpfungsglied in Reihe angeordnet sind.Error correction method according to claim 6 or 7, wherein at least one spring and at least one attenuator are arranged in series.
  9. Fehlerkorrekturverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das mindestens eine Dämpfungsglied ein nichtlineares Zeitverhalten aufweist.An error correction method according to any one of claims 6 to 8, wherein the at least one attenuator has non-linear timing.
  10. Fehlerkorrekturverfahren nach Anspruch 9, wobei die erste zeitliche Ableitung des mindestens einen Dämpfungsglieds ein polynomiales Verhalten aufweist.The error correction method of claim 9, wherein the first temporal derivative of the at least one attenuator has a polynomial behavior.
  11. Fehlerkorrekturverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Modell durch ein Differentialgleichungssystem dargestellt wird und das Differentialgleichungssystem in Schritt (d) gelöst wird.Error correction method according to one of the preceding claims, wherein the model is represented by a differential equation system and the differential equation system is solved in step (d).
  12. Fehlerkorrekturverfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3 bis 11 soweit auf Anspruch 2 zurückbezogen, wobei ein Modell-Dehnungsprofil anhand des Modells ermittelt wird, das Modell-Dehnungsprofil mit dem gemessenen Dehnungsprofil verglichen wird, und zumindest ein Parameter des Modells in der Weise angepaßt wird, daß ein Fehler zwischen dem gemessenen Dehnungsprofil und dem angepaßten Modell-Dehnungsprofil möglichst klein wird.An error correction method according to any one of claims 2 and 3 to 11 as far as dependent on claim 2, wherein a model strain profile is determined from the model, the model strain profile is compared to the measured strain profile, and at least one parameter of the model is fitted in such a way that a mistake between the measured strain profile and the adapted model-strain profile is as small as possible.
  13. Fehlerkorrekturverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Modell-Streuprofil anhand des Modells ermittelt wird, das Modell-Streuprofil mit dem gemessenen Streuprofil verglichen wird, und zumindest ein Parameter des Modells in der Weise angepaßt wird, daß ein Fehler zwischen dem gemessenen Streuprofil und dem angepaßten Modell-Streuprofil möglichst klein wird.Error correction method according to one of the preceding claims, wherein a model scattering profile is determined based on the model, the model scattering profile is compared with the measured scattering profile, and at least one parameter of the model is adapted in such a way that an error between the measured scattering profile and the adapted model scattering profile is as small as possible.
  14. Fehlerkorrekturverfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Verfahren in der Weise iterativ durchgeführt wird, daß mehrere Messungen von Rückstreu-Meßdaten erfolgen und für eine jeweilige Messung das Modell-Dehnungsprofil bzw. das Modell-Streuprofil angepaßt wird, wobei bei der Anpassung jeweils von dem angepaßten Modell-Dehnungsprofil bzw. dem Modell-Streuprofil der vorhergehenden Messung ausgegangen wird.Error correction method according to claim 12 or 13, wherein the method is performed iteratively in such a way that a plurality of measurements of backscatter measurement data takes place and for each measurement the model expansion profile or the model scattering profile is adapted, wherein in the adaptation of each adapted model strain profile or the model scattering profile of the previous measurement is assumed.
  15. Fehlerkorrekturverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rückstreu-Meßdaten durch eine optische Rückstreumessung im Zeitbereich, eine optische Rückstreumessung im Korrelationsbereich, oder eine optische Rückstreumessung im Frequenzbereich erhalten wurden.Error correction method according to one of the preceding claims, wherein the backscatter measurement data were obtained by an optical backscatter measurement in the time domain, an optical backscatter measurement in the correlation domain, or an optical backscatter measurement in the frequency domain.
  16. Meßvorrichtung, umfassend eine optische Polymerfaser, eine Lichtquelle, die eingerichtet ist, Lichtpulse in die optische Polymerfaser einzuleiten, einen Detektor, der eingerichtet ist, aus der optischen Polymerfaser rückgestreutes Licht als Rückstreu-Meßdaten aufzunehmen, und eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, auf den Rückstreu-Meßdaten ein Fehlerkorrekturverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.Measuring device comprising an optical polymer fiber, a light source adapted to introduce light pulses into the optical polymer fiber, a detector configured to receive backscattered light from the optical polymer fiber as backscatter measurement data, and an evaluation unit which is set up to execute an error correction method according to one of the preceding claims on the backscatter measurement data.
  17. Meßvorrichtung nach Anspruch 16, wobei die optische Polymerfaser als Bestandteil Polymethylmethacrylat, ein Fluorpolymer oder ein Perfluorpolymer aufweist.A measuring device according to claim 16, wherein the optical polymer fiber comprises polymethyl methacrylate, a fluoropolymer or a perfluoropolymer as an ingredient.
  18. Meßvorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei die optische Polymerfaser eine Gradientenindexfaser oder eine Stufenindexfaser ist.A measuring device according to claim 16 or 17, wherein said optical polymer fiber is a gradient index fiber or a step index fiber.
  19. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die optische Polymerfaser einer Dehnung bis zu 45% ohne Beschädigung ausgesetzt werden kann.A measuring device according to any one of claims 16 to 18, wherein the optical polymer fiber can be subjected to elongation of up to 45% without damage.
  20. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die optische Polymerfaser ein Thermoplast, insbesondere Polycarbonat, Polystyrol, ein zyklisches Polyolefin, Hexafluoroisopropyl 2-Fluoroacrylat (HFIP 2-FA), Polytetrafluoroethylen (PTFE), Tetrafluoroethylen-Hexafluoropropylen (PFE), Tetrafluoroethylen-Perfluoroalkylvinyl-Ether (PFA) oder ein deuteriertes Polymer auf Basis von PMMA, oder ein Elastomer, insbesondere ein Polysiloxan, umfaßt.Measuring device according to one of claims 16 to 19, wherein the optical polymer fiber is a thermoplastic, in particular polycarbonate, polystyrene, a cyclic polyolefin, hexafluoroisopropyl 2-fluoroacrylate (HFIP 2-FA), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene (PFE), tetrafluoroethylene Perfluoroalkylvinyl-ether (PFA) or a deuterated polymer based on PMMA, or an elastomer, in particular a polysiloxane.
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