DE102009058520B4 - Vorrichtung und Verfahren zur schnellen Dehnungsmessung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Dehnungsmessung an einer Sensorfaser, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen mindestens einer Sensorfaser, die an n vorbestimmten Positionen (zr) jeweils eine Reflektionsstelle aufweist, wobei n ≥ 1 ist; (b) Bereitstellen einer Referenzübertragungsfunktion (H0, Hr) der Sensorfaser, wobei die Referenzübertragungsfunktion (H0, Hr) in einem vorbestimmten Ausgangszustand der Sensorfaser ermittelt wurde; (c) Durchführen von m ≥ n optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messungen bei m voneinander verschiedenen Meßfrequenzen (fk) zur Ermittlung von m Meßübertragungsfunktionen (Mk); (d) Ermitteln einer örtlichen Verschiebung (Δzr) mindestens einer Reflektionsstelle anhand der Referenzübertragungsfunktion (H0, Hr) und der Meßübertragungsfunktionen (Mk); und (e) Ermitteln der Dehnung eines zu der mindestens einen Reflektionsstelle benachbarten Abschnitts der Sensorfaser anhand der ermittelten örtlichen Verschiebung (Δzr) der Reflektionsstelle.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur schnellen Dehnungsmessung sowie ein zugehöriges Verfahren zur Durchführung einer schnellen Dehnungsmessung.
• Viele Bauteile und Bauwerke, die dynamischen Belastungen ausgesetzt sind, lassen sich durch herkömmliche Sensorik nicht zur Zufriedenheit überwachen. Punktuelle Sensoren, wie etwa Dehnungsmeßstreifen (DMS) oder Faser-Bragg-Gitter (FBG) liefern zwar schnell und genau Dehnungswerte für bestimmte Punkte, ihnen fehlt jedoch die Meßbasis, um integrative Längenänderungen, d. h. Längenänderungen zwischen zwei Punkten, zu erfassen. Daher ist es bei solchen Systemen möglich, daß Schädigungen, die zwischen zwei Meßpunkten liegen, nicht erkannt werden. Diese Informationslücke stellt ein großes Risiko im Betrieb von Anlagen, Bauteilen und Gebäuden dar.
• Die im Stand der Technik bekannten Faser-Bragg-Gitter (FBG) können zwar hochfrequent und genau die Dehnung messen, allerdings nur punktuell an bestimmten Stellen einer Faser. Daher sind FBG-Systeme für die oben beschriebenen Anwendungen nicht geeignet. Darüber hinaus sind FBGSysteme zudem vergleichsweise teuer.
• Weiterhin sind faseroptische Sensoren auf Basis direkter Phasenmessung eines intensitätsmodulierten Signals in Transmission bekannt. Diese Systeme sind ebenfalls in der Lage, Längenänderungen hochfrequent und genau zu messen. Jedoch können diese Sensoren nur die Gesamtlängenänderung entlang der Faser ermitteln, nicht aber die Längenänderung definierter Faserabschnitte.
• Weiterhin sind die sogenannte Optische Zeitbereichsreflektometrie (OTDR-Technik) und die Optische Frequenzbereichsreflektometrie (OFDR-Technik) als Dehnungsmeßverfahren bekannt. Mit Hilfe der OTDR-Technik bzw. der OFDR-Technik können Reflektionsstellen relativ genau gemessen werden. Jedoch benötigen die OTDR-Technik bzw. der OFDR-Technik eine vergleichsweise lange Meßzeit, die die Anwendung dieser beiden Techniken für dynamische Anwendungen ausschließt.
• Die ebenfalls bekannten elektrische Sensoren, wie z. B. Dehnungsmeßstreifen, können ähnlich wie FBGs die Dehnung nur punktuell messen und haben darüber hinaus die üblichen Nachteile elektrischer Sensoren gegenüber faseroptischen Sensoren.
• Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Brillouin-Frequenzbereichsanalyse aus der WO 2007/131794 A2 bekannt. Darin wird ein Überwachungssystem beschrieben, das mittels Brillouin-Frequenzbereichsanalyse die Dehnung einer optischen Faser überwacht, um beispielsweise Veränderungen in einem Deich oder einer ähnlichen sicherheitsrelevanten Struktur zu erkennen.
• Ebenfalls ist eine Vorrichtung zur Brillouin-Frequenzbereichsanalyse aus dem Fachartikel „Brillouin optical-fiber frequency-domain analysis for distributed temperature and strain measurements” von Garus et al., Journal of Lightwave Technology, Bd. 15, Nr. 4, Seiten 654 bis 662, 1997, bekannt. Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Brillouin-Frequenzbereichsanalyse aus dem Fachartikel „Distributed fiber-optic frequency-domain Brillouin sensing” von Bernini et al., Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 123–124, Eurosensors XVIII 2004 – The 18th European conference on Solid-State Transducers, Seiten 337–342, 2005, bekannt.
• Im Hinblick darauf ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dehnungsmessung bereitzustellen, die die genannten Nachteile zumindest teilweise überwindet.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Dehnungsmessung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein System gemäß Anspruch 8. Weitere Aspekte, Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Dehnungsmessung an einer Sensorfaser die Schritte des Bereitstellens mindestens einer Sensorfaser, die an n vorbestimmten Positionen jeweils eine Reflektionsstelle aufweist, wobei n ≥ 1 ist; des Bereitstellens einer Referenzübertragungsfunktion der Sensorfaser, wobei die Referenzübertragungsfunktion in einem vorbestimmten Ausgangszustand der Sensorfaser ermittelt wurde; des Durchführens von m ≥ n optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messungen bei m voneinander verschiedenen Meßfrequenzen zur Ermittlung von m Meßübertragungsfunktionen; des Ermittelns einer örtlichen Verschiebung mindestens einer Reflektionsstelle anhand der Referenzübertragungsfunktion und der Meßübertragungsfunktionen; und des Ermittelns der Dehnung eines zu der mindestens einen Reflektionsstelle benachbarten Abschnitts der Sensorfaser anhand der ermittelten örtlichen Verschiebung der Reflektionsstelle.
• Mit dem oben beschriebenen Verfahren sind sehr schnelle Dehnungsmessungen möglich, da jeweils nur n Frequenzen für n Reflexionen gemessen werden müssen, d. h. man kommt mit der Meßwiederholrate in die Größenordnung von 100 Hz oder mehr. Auf diese Weise können insbesondere dynamische Vorgänge, etwa die Durchbiegung von Rotorblättern von Windkraftanlagen im Betrieb, sehr gut erfaßt werden. Gleichzeitig liefert das Verfahren eine sehr hohe Genauigkeit bis in den Mikrometerbereich hinein. Die Genauigkeit der Messung läßt sich dabei erhöhen, wenn mehr Messungen vorgenommen werden, als Reflektionsstellen in der Sensorfaser vorhanden sind (m > n).
• Das Verfahren erlaubt darüber hinaus die gleichzeitige Messung von n Reflexionen, d. h. n einzelnen Faserstrecken, in Reflexion. Daher kann von einer Seite der Faser aus gemessen werden und es muß auch nur eine Sensorfaser in der zu überwachenden Struktur installiert werden.
• Im Gegensatz zu herkömmlichen Phasenauswertungsverfahren weist das vorliegende Verfahren einen stark erweiterten Meßbereich bei gleichzeitig großer Genauigkeit auf. Dabei ist die Präzision der Messung jedoch nicht, wie bei herkömmlichen Phasenauswertungsverfahren, von der maximalen Modulationsfrequenz abhängig, sondern lediglich von der Genauigkeit des verwendeten Gerätes zur Messung der Übertragungsfunktion. Daher stellt das vorliegende Verfahren vergleichsweise geringere Ansprüche an den Frequenzbereich der verwendeten Komponenten, wodurch kostengünstigere Komponenten verwendet werden können.
• Typischerweise umfassen die Reflektionsstellen der Sensorfaser ein Ende der Sensorfaser, einen Steckverbinder, der zwei benachbarte Abschnitte der Sensorfaser miteinander verbindet, eine bei der Herstellung der Sensorfaser erzeugte Reflektionsstelle oder eine nach der Herstellung der Sensorfaser eingebrachte Reflektionsstelle.
• Gemäß einer Weiterbildung umfaßt das Bereitstellen der Referenzübertragungsfunktion das Durchführen einer Frequenzbereichsreflektometrie-Messung an der Sensorfaser im Ausgangszustand zur Ermittlung der Übertragungsfunktion der Sensorfaser im Frequenzbereich; das Ermitteln der Impulsantwort im Zeitbereich der Sensorfaser mittels inverser Fouriertransformation der Übertragungsfunktion; das Zerlegen der Impulsantwort in n Einzelimpulsfunktionen und eine Zeitbereich-Untergrundfunktion, die durch Subtraktion der Einzelimpulsfunktionen von der Impulsantwort erhalten wird; und das Durchführen einer Fouriertransformation für die n Einzelimpulsfunktionen und die Zeitbereich-Untergrundfunktion, um die Referenzübertragungsfunktion im Frequenzbereich als n Einzelreflektionsstellenfunktionen und eine Frequenzbereich-Untergrundfunktion bereitzustellen.
• Gemäß einer Ausführungsform können die Modulationsfrequenzen für die optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messungen im Bereich von 1 Hz bis 10 GHz liegen.
• Wie bereits oben gesagt hängt die Genauigkeit der Messung von dem verwendeten Gerät zur Messung der Übertragungsfunktion ab. Beispielsweise können Netwerkanalysatoren im Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 10 GHz verwendet werden. Wird eine hohe Genauigkeit angestrebt, so ist bei den Geräten eine kleine Filterbandbreite zu verwenden. Bei der genauen Messung sehr kurzer Abschnitte sind Geräte im Frequenzbereich über 10 GHz zu verwenden.
• Gemäß noch einer Weiterbildung kann das Ermitteln der örtlichen Verschiebung das Subtrahieren der Frequenzbereich-Untergrundfunktion für eine jeweilige Meßfrequenz von der Meßübertragungsfunktion bei dieser Meßfrequenz; das Bestimmen einer Phasenverschiebung für eine jeweilige Reflektionsstelle; und das Bestimmen der örtlichen Verschiebung mittels der Phasenverschiebung umfassen. Typischerweise können diese Schritte mindestens einmal wiederholt werden, und wobei als neuer Eingangswert für die Positionen der Reflektionsstellen, die um die vorhergehend ermittelte örtlichen Verschiebung korrigierten Positionen der Reflektionsstellen verwendet wird.
• Die Meßfrequenzen sind frei wählbar und jede Kombination von Meßfrequenzen ergibt eine Lösung, so daß das beschriebene Verfahren sehr flexibel ist.
• Gemäß noch einer Weiterbildung kann das Verfahren weiterhin eine optische Frequenzbereichsreflektometrie-Messung an einer Referenzsensorfaser oder einem Referenzabschnitt der Sensorfaser umfassen, um eine Temperaturabhängigkeit der optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messungen an der Sensorfaser zu ermitteln. Im Anschluß kann dann die Kompensation der ermittelten Temperaturabhängigkeit in der ermittelten Dehnung der Sensorfaser und/oder die Bestimmung der Temperatur mindestens eines Abschnitts der Sensorfaser erfolgen.
• Auf diese Weise kann das Meßverfahren auch in Bereichen eingesetzt werden, die starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.
• Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein System zur Dehnungsmessung an einer Sensorfaser eine Sensorfaser, die an n vorbestimmten Positionen jeweils eine Reflektionsstelle aufweist, wobei n ≥ 1 ist, eine mit der Sensorfaser verbundene Einrichtung zur Durchführung einer optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messung, und eine mit der Einrichtung verbundene Auswerteeinheit zur Ermittlung einer Dehnung der Sensorfaser, wobei das System eingerichtet ist, ein oben beschriebenes Verfahren auszuführen.
• Ein solches System kann die oben beschriebenen Vorteile des vorliegenden Dehnungsmeßverfahrens in geeigneter Weise verwirklichen.
• Gemäß einer Weiterbildung umfaßt das System mehrere Sensorfasern, die mit der Einrichtung zur Durchführung einer optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messung über mindestens einen optischen Splitter verbunden sind, wobei die Reflektionsstellen in den mehreren Sensorfasern so angeordnet sind, daß ihre jeweilige Positionen voneinander so verschieden sind, daß auch bei maximaler Dehnung der Sensorfasern die Positionen unterscheidbar sind.
• Auf diese Weise können mit einem einzelnen System gleich mehrere Strukturen oder verschiedene Abschnitte einer Struktur gleichzeitig überwacht werden. Der Einsatz eines oder mehrer weiterer Systeme wird dadurch überflüssig.
• Gemäß noch einer Weiterbildung umfaßt das System weiterhin eine Referenzsensorfaser oder einen Referenzabschnitt der Sensorfaser, wobei die Referenzsensorfaser oder der Referenzabschnitt der Sensorfaser im wesentlichen parallel zur mindestens einen Sensorfaser verlaufen, wobei die Referenzsensorfaser oder der Referenzabschnitt der Sensorfaser eingerichtet sind, eine Temperaturabhängigkeit der optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messung zu ermitteln.
• Auf diese Weise kann das System unter Erhalt seiner Genauigkeit auch in Bereichen eingesetzt werden, in denen starke Temperaturschwankungen auftreten.
• Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Dabei zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
• 2 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
• 3 ein Beispiel für eine Übertragungsfunktion der Sensorfaser im Frequenzbereich, die im Ausgangszustand der Sensorfaser ermittelt wurde.
• 4 die aus der Übertragungsfunktion gemäß 3 ermittelte Impulsantwort im Zeitbereich.
• 5 die Zerlegung der Impulsantwort in Einzelimpulsfunktionen.
• 6 die Subtraktion der Einzelimpulsfunktionen von der Impulsantwort, um eine Zeitbereich-Untergrundfunktion zu erhalten.
• 7 die aus den Einzelimpulsfunktionen mittels Fouriertransformation gewonnenen Einzelreflektionsstellenfunktionen im Frequenzbereich.
• 8 die aus der Zeitbereich-Untergrundfunktion mittels Fouriertransformation gewonnene Frequenzbereich-Untergrundfunktion.
• 9 eine Dehnungsmessung an der in 2 gezeigten Faser.
• 10 eine weitere Dehnungsmessung an einer schwingenden Platte.
• 11 eine schematische Darstellung eines Systems mit mehreren Sensorfasern gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
• 12 eine schematische Darstellung eines Systems mit Temperaturkompensation gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
• Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Darin ist eine Sensorfaser 110 mit einer Einrichtung 120 zur Durchführung einer optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messung (OFDR-Messung) verbunden. Die Einrichtung 120 umfaßt ein Gerät zur Messung der komplexen Übertragungsfunktion 122, beispielsweise einen Netzwerkanalysator, typischerweise einen Vektor-Netzwerkanalysator, der mit einer Laserquelle 124, typischerweise einer Dauerstrich-Laserquelle, verbunden ist. Der Netzwerkanalysator 122 erzeugt ein sinusförmiges Ausgangssignal mit der Frequenz f. Mittels dieses Signals wird eine Amplitudenmodulation der Laserquelle 124 vorgenommen, wobei der Netzwerkanalysator 122 die Frequenz f in einem vorbestimmten Frequenzintervall mit vorgebbaren Frequenzschritten durchstimmen kann. Beispielsweise kann ein Frequenzintervall von 1 MHz bis 500 MHz in 1 MHz-Schritten durchlaufen werden. Das von der Laserquelle 124 abgegebene Licht wird über einen optischen Zirkulator 126 in die Sensorfaser 110 eingekoppelt. Der Zirkulator 126 koppelt weiterhin das in der Sensorfaser 110 reflektierte Signal aus und gibt dieses an eine Photodiode 128 weiter. Die Photodiode 128 wandelt das optische Signal vom Zirkulator 126 in ein elektrisches Signal um und gibt dieses Signal S an den Netzwerkanalysator 122 aus. Der Netzwerkanalysator 122 bestimmt nun anhand des Signals S die Übertragungsfunktion der Sensorfaser 110. Mit der Einrichtung 120, und typischerweise mit dem Netzwerkanalysator 122, ist eine Auswerteeinheit 130 zur Ermittlung einer Dehnung der Sensorfaser 110 verbunden. Die Auswerteeinheit 130 ist eingerichtet, ein Verfahren gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden auszuführen. Insbesondere kann die Auswerteeinheit 130 ein Computer sein, der programmtechnisch zur Ausführung eines solchen Verfahrens eingerichtet ist. Die Auswerteeinheit 130 kann mit einer Ausgabeeinheit (nicht gezeigt), beispielsweise einem Bildschirm oder einem Drucker, verbunden sein. Die von der Auswerteeinheit 130 ermittelte Dehnung kann dann auf der Ausgabeeinheit angezeigt bzw. ausgegeben werden.
• In 2 ist eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Darin weist die Sensorfaser 110 an vorbestimmten Positionen z₁, z₂ jeweils eine Reflektionsstelle R1, R2 auf. Die Reflektionsstellen R1, R2 der Sensorfaser können beispielsweise durch Steckverbinder, insbesondere solche mit 0°-Schliff, gebildet sein, wobei die Steckverbinder zwei benachbarte Abschnitte der Sensorfaser miteinander verbinden. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden also auch mehrere miteinander verbundene Fasern als eine Sensorfaser verstanden, da sie, wie im Ausführungsbeispiel der 2, eine gemeinsame Fasermeßstrecke bilden können. Die Reflektionsstellen R1, R2 können jedoch auch anders gebildet sein. Beispielsweise können die Reflektionsstellen R1, R2 durch bei oder nach der Herstellung der Sensorfaser erzeugte Reflektionsstellen gebildet sein. Desweiteren kann auch das offene Ende der Sensorfaser 110 selbst als Reflektionsstelle dienen, so es denn in einer Weise gestaltet ist, daß das Licht im wesentlichen reflektiert wird. Beispielsweise kann das Faserende einen 0°-Schliff aufweisen und/oder verspiegelt sein. Selbstverständlich ist die Anzahl und die Position der Reflektionsstellen in der Sensorfaser im wesentlichen frei wählbar. Es können also statt der in 2 gezeigten zwei Reflektionsstellen ganz allgemein n ≥ 1 Reflektionsstellen in der Sensorfaser 110 vorgesehen sein.
• Im Folgenden wird nun ein Verfahren zur Dehnungsmessung an der Sensorfaser 110 gemäß 2 beispielhaft erläutert. Dazu wird zunächst eine Referenzübertragungsfunktion der Sensorfaser bereitgestellt. Die Referenzübertragungsfunktion wurde in einem vorbestimmten Ausgangszustand der Sensorfaser ermittelt. Dies kann beispielsweise ein ungedehnter Zustand der Sensorfaser sein, wenn anschließend Dehnungen beobachtet werden sollen. Umgekehrt kann die Sensorfaser aber auch in gedehntem Ausgangszustand eingebaut sein, wenn anschließend Stauchungen beobachtet werden sollen. Zur Ermittlung der Referenzübertragungsfunktion wird zunächst einer OFDR-Messung an der Sensorfaser 110 im Ausgangszustand und nach Kalibrierung des Meßsystems vorgenommen. Anhand dieser Messung wird die Übertragungsfunktion H(f) der Sensorfaser im Frequenzbereich ermittelt. Das Ergebnis dieser Messung ist in 3 gezeigt, wobei sowohl Betrag als auch Phase der Übertragungsfunktion dargestellt sind.
• In einem nächsten Schritt wird nun aus der Übertragungsfunktion H(t) eine Impulsantwort im Zeitbereich ermittelt. Dazu wird die Übertragungsfunktion H(f) einer inversen Fouriertransformation unterworfen. Typischerweise wird die inversen Fouriertransformation als inverse Fast-Fouriertransformation ausgeführt. Die auf diese Weise erhaltene Impulsantwort h(z) im Zeitbereich ist in 4 gezeigt. Die beiden Reflexionsstellen R1, R2 sind in der Impulsantwort h(z) deutlich erkennbar. Dabei ist zu erwähnen, daß die Signallaufzeiten mittels der Lichtgeschwindigkeit in der Sensorfaser direkt in Entfernungen umgerechnet wurden. Dennoch handelt es sich bei der Darstellung in 4 um eine Zeitbereichsdarstellung.
• In einem nächsten Schritt wird nun die Impulsantwort h(z) in zwei Einzelimpulsfunktionen h₁(z) und h₂(z) zerlegt. Dies ist in 5 gezeigt. Dazu wird um jeden Einzelimpuls herum ein Bereich definiert (schraffierte Kasten in 5) und die Impulsantwort außerhalb dieser Bereiche gleich Null gesetzt. Auf diese Weise erhält die jeweiligen Impulsantworten separat für h₁(z) und h₂(z). Beispielsweise treten typischerweise Überschwinger neben dem jeweiligen Hauptpeak eines Einzelimpulses auf. In diesem Fall kann beispielsweise auf jeder Seite des Einzelimpulses das Minimum zwischen dem Hauptpeak und dem erstem Seitenpeak bestimmt werden. Der Bereich des Einzelimpulses wäre dann zwischen diesen beiden Minima gelegen. Allerdings hat sich gezeigt, daß die Ergebnisse des vorliegenden Verfahrens robust gegenüber dem Ausschneidekriterium sind, so daß auch andere als das gerade beschriebene Kriterium zur Auswahl des Bereichs für einen jeweiligen Einzelimpuls herangezogen werden können. Die Zerlegung in Einzelimpulse erfolgt analog, falls die Sensorfaser eine andere Anzahl als zwei Reflektionsstellen aufweist.
• Hat man die Einzelimpulsfunktionen h_r(z) isoliert, so wird anschließend eine Zeitbereich-Untergrundfunktion h₀(z) durch Subtraktion der Einzelimpulsfunktionen h_r(z) von der Impulsantwort h(z) erhalten.
• 
• Dieser Vorgang sowie das Ergebnis sind in 6 veranschaulicht.
• Anschließend werden die für die Einzelimpulsfunktionen h_r(z), also h₁ und h₂ im vorliegenden Ausführungsbeispiel, mittels einer Fouriertransformation wieder in den Frequenzbereich überführt, um Einzelreflektionsstellenfunktionen H_r(f) zu erhalten. Die Einzelreflektionsstellenfunktionen H₁(f) und H₂(f) für die erste und die zweite Reflektionsstelle R1, R2 sind in 7 gezeigt, wobei jeweils Betrag und Phase dargestellt sind. Gleichermaßen wird die Zeitbereich-Untergrundfunktion h₀(z) mittels Fouriertransformtaion in den Frequenzbereich überführt, um eine Frequenzbereich-Untergrundfunktion H₀(f) zu erhalten. Die Frequenzbereich-Untergrundfunktion H₀(f) für das konkrete Ausführungsbeispiel ist in 8 gezeigt. Der Betrag |H_r(f)| und Phase φ_r(f) aller Reflexe für jede gemessene Frequenz f sowie H₀(f) sind nun bekannt und bilden die Referenzübertragungsfunktion für die weiteren Verfahrensschritte. Die oben beschriebene Erstellung der Referenzübertragungsfunktion ist ein einmaliger Vorgang. Ist die Referenzübertragungsfunktion ermittelt, so kann sie vorgehalten und bei Bedarf abgerufen werden. Insofern sind die bislang beschriebenen Schritte lediglich als vorbereitend für das eigentliche Dehnungsmeßverfahren anzusehen.
• Zur Durchführung der eigentlichen Dehnungsmessung werden OFDR-Messungen an der Sensorfaser durchgeführt. Dabei werden insgesamt m Messungen bei m voneinander verschiedenen Meßfrequenzen f_k zur Ermittlung von m Meßübertragungsfunktionen M_k ausgeführt. Dabei gilt m ≥ n, d. h. heißt die Zahl der Frequenzpunkte ist mindestens gleich der Zahl der Reflektionsstellen in der Sensorfaser. Wählt man m > n, so erhält man bei der Auswertung ein überbestimmtes Gleichungssystem und kann so die Genauigkeit der Auswertung erhöhen. Dies wird nachfolgend eingehender erläutert.
• Im nächsten Schritt wird die örtliche Verschiebung Δz_r einer jeweiligen Reflektionsstelle bestimmt, da sich aus der örtlichen Verschiebung die Dehnung ermitteln läßt. Allgemein erhält man die örtliche Verschiebung Δz_r, indem man zunächst die Frequenzbereich-Untergrundfunktion H₀(f_k) für eine jeweilige Meßfrequenz f_k von der Meßübertragungsfunktion M_k bei dieser Meßfrequenz subtrahiert. Mit anderen Worten wird zunächst der Untergrund aus den Meßübertragungsfunktionen M_k entfernt. Weiterhin wird eine Phasenverschiebung Δφ_r für eine jeweilige Reflektionsstelle bestimmt und aus dieser wiederum die örtliche Verschiebung Δz_r.
• Die Ergebnisse der Messungen M_k an den beliebigen Frequenzpunkten f_k der Frequenzen f_k, k ∈ {1, ..., m}, entsprechen (im Rahmen des Meßfehlers) der Summe der Einzelreflektionsstellenfunktionen H_rk und der Frequenzbereich-Untergrundfunktion H_0k. Eine Laufzeitänderung, d. h. eine Positionsänderung, einer der Reflektionsstellen gegenüber der Ausgangsmessung bewirkt eine Änderung der Phasenlage Δφ_r der jeweiligen Reflektionsstelle R_r. Die Änderung der Phasenlage Δφ_r dient somit als Indikator für die Positionsänderung und damit auch der Dehnung. Weiterhin wird die Annahme |H_rk| = const., d. h. es tritt keine Verluständerung entlang der Faser auf, getroffen. Diese Annahme ist beispielsweise für Singlemode- und Multimode-Glasfasern im gesamten zulässigen Dehnungsbereich erfüllt. Für Polymerfasern müßte gegebenenfalls der Dehnungsbereich ermittelt werden, innerhalb dessen diese Annahme erfüllt ist. Aufgrund der Annahme |H_rk| = const. läßt sich durch Aufstellen eines komplexwertigen Gleichungssystems mit m = n Zeilen und n Spalten die jeweilige Phase φ_r berechnen. Für die Bestimmung der Phasenlage aller n Reflexionsstellen in der Faser sind somit nur n Messungen M_k = 1...n nötig. Für das konkrete Ausführungsbeispiel von zwei Reflexionen, die bei den Frequenzen f_k = 1 und f_k = 2, mit f_k > f_k-1 für k = 2...m, gemessen wurden, ergibt sich das folgende Gleichungssystem:

  
• Darin sind die einzelnen Gleichungen über die Hilfsgrößen Δ_rk miteinander verknüpft. Die Δ_rk stellen die relative Phasenverschiebung der Messung mit der Frequenz f_k = 1 zur Messung mit der Frequenz f_k dar und sind abhängig von der Position des Reflexes z_r und dem Frequenzunterschied Δf = f_k – f₁. Genauer gesagt ergeben sich die Δ_rk wie folgt:

  
• Dabei ist c₀ die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit und n_gr der Brechungsindex der Faser.
• Wie bereits erwähnt läßt sich durch Überbestimmung des Gleichungssystems auf m > n Frequenzpunkte die Genauigkeit noch erhöhen. Für den überbestimmten fall ergibt sich das folgende allgemeine Gleichungssystem für n Reflexionen und m Frequenzpunkte:

  
• Die auf die oben beschriebene Weise erhaltenen Gleichungssysteme werden nun nach

  

  aufgelöst und die Phasenverschiebung Δφ_r wird berechnet. Dabei ergibt die Änderung des berechneten φr gegenüber der zu Beginn bestimmten Phasenlage der Referenzmessung H_r,k=1 die Phasenverschiebung Δφ_r. Diese kann durch den folgenden Ausdruck bestimmt werden:

  
• Dabei ist die Funktion atan2 der Arcustangens mit zwei Argumenten, der wie folgt definiert ist:

  
• Das erste Argument ist das Kreuzprodukt und das zweite Argument das Skalarprodukt zwischen H_r,k=1 und

  
• Aus den so erhaltenen Δφ_r lassen sich die Positionsänderungen Δz_r mit sehr hoher Genauigkeit wie folgt berechnen:

  
• Aus diesen Positionsänderungen Δz_r der Reflektionsstellen R1, R2 lassen sich dann anhand der ursprünglichen Längen z₁ und z₂ der Faserabschnitte die Dehnungswerte für einen oder mehrere Abschnitte der Sensorfaser ermitteln.
• Gemäß einer Weiterbildung können die obigen Schritte auch wiederholt werden. Dabei werden dann als neue Eingangswerte für die Positionen z_r der Reflektionsstellen, die um die vorhergehend ermittelte örtlichen Verschiebung Δz_r korrigierten Positionen z_r + Δz_r der Reflektionsstellen verwendet. Da nämlich zur Berechnung von Δ_rk die Positionen der Reflektionsstellen z₁ und z₂ der Referenzmessung angenommen wurden, kann das Ergebnis mittels einer Iteration mit den neu berechneten Reflektionspositionen z_r = z_r + Δz_r präzisiert werden. Der Wert z_r konvergiert schnell und stabil, so daß nur wenige Iterationen durchzuführen sind.
• Mit dem oben beschriebenen Verfahren sind sehr schnelle Dehnungsmessungen möglich, da jeweils nur n Frequenzen für n Reflexionen gemessen werden müssen, d. h. man kommt mit der Meßwiederholrate in die Größenordnung von 100 Hz oder mehr. Auf diese Weise können insbesondere dynamische Vorgänge, etwa die Durchbiegung von Rotorblättern von Windkraftanlagen im Betrieb, sehr gut erfaßt werden. Gleichzeitig liefert das Verfahren eine sehr hohe Genauigkeit bis in den Mikrometerbereich hinein. Die Genauigkeit der Messung läßt sich dabei erhöhen, wenn mehr Messungen vorgenommen werden, als Reflektionsstellen in der Sensorfaser vorhanden sind (m > n).
• Das Verfahren erlaubt darüber hinaus die gleichzeitige Messung von n Reflexionen, d. h. n einzelnen Faserstrecken, in Reflexion. Daher kann von einer Seite der Faser aus gemessen werden und es muß auch nur eine Sensorfaser in der zu überwachenden Struktur installiert werden.
• Im Gegensatz zu herkömmlichen Phasenauswertungsverfahren weist das vorliegende Verfahren einen stark erweiterten Meßbereich bei gleichzeitig großer Genauigkeit auf. Dabei ist die Präzision der Messung jedoch nicht, wie bei herkömmlichen Phasenauswertungsverfahren, von der maximalen Modulationsfrequenz abhängig, sondern lediglich von der Genauigkeit des verwendeten Gerätes zur Messung der Übertragungsfunktion. Daher stellt das vorliegende Verfahren vergleichsweise geringere Ansprüche an den Frequenzbereich der verwendeten Komponenten, wodurch kostengünstigere Komponenten verwendet werden können.
• In 9 ist eine zeitaufgelöste Dehnungsmessung an der in 2 dargestellten Faser gezeigt. Dabei wurde die zweite Faserstrecke (z = z₁...z₂, grüne Linie) mehrmals mit der Hand gedehnt, wobei die Faserstrecke bis zur ersten Reflektionsstelle (z = z₀...z₁, blaue Linie) unverändert geblieben ist.
• In 10 ist eine weitere zeitaufgelöste Messung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Zur Demonstration der dynamischen Messung mit mehreren Reflektionsstellen wurde der nachfolgend beschriebene Demonstrator gebaut. Auf eine 8 mm starke Spanplatte wurden auf beide Seiten jeweils zwei Singlemodefasern in vorgespanntem Zustand geklebt, so daß bei einer Biegung der Spanplatte jeweils zwei Fasern gedehnt und zwei Fasern gestaucht werden. Die einzelnen Faserstrecken sind mittels Fasersteckern mit starken Reflexen verbunden. Die Messung in 10 zeigt die Spanplatte in Ruhestellung (t < 1 s), die Auslenkung zu einer Seite hin (t = (1 s ... 3,2 s)) sowie eine freie, gedämpfte Schwingung nach der Auslenkung (t > 3,2 s). Die Messung zeigt, daß sämtliche Faserabschnitte hervorragende Übereinstimmung in Betrag und Vorzeichen mit dem erwarteten Verhalten zeigen. Die Messung zeigt ebenfalls die Fähigkeit des Systems, mehrere Sensorfasern gleichzeitig und unabhängig voneinander zu überwachen.
• In 11 ist eine schematische Darstellung eines Systems 200 mit mehreren Sensorfasern gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dabei umfaß das System eine erste Sensorfaser 210 und eine zweite Sensorfaser 212. Die erste Sensorfaser 210 weist eine erste Reflektionsstelle R1 im Abstand z₁ und eine zweite Reflektionsstelle R2 im Abstand z₂ auf. Die zweite Sensorfaser 212 weist eine dritte Reflektionsstelle R3 im Abstand z₃ und eine vierte Reflektionsstelle R4 im Abstand z₄ auf. Die Reflektionsstellen R1, R2, R3, R4 in der ersten und der zweiten Sensorfaser 210, 212 sind so angeordnet, daß ihre jeweilige Positionen z₁, z₂, z₃, z₄ voneinander so verschieden sind, daß auch bei maximaler Dehnung der Sensorfasern 210, 212 die Positionen z₁, z₂, z₃, z₄ unterscheidbar sind. Beispielsweise kann z₁ = 100 m, z₂ = 200 m, z₃ = 50 m und z₄ = 150 m sein. Auf diese Weise können die Einzelimpulse eindeutig den jeweiligen Reflektionsstellen zugeordnet werden, selbst wenn die erste und die zweite Sensorfaser jeweils maximal und in entgegengesetzter Richtung gedehnt sind. Die erste und die zweite Sensorfaser 210, 212 sind über einen optischen Koppler bzw. einen optische Splitter 240 mit der Einrichtung 120 zur OFDR-Messung verbunden. Mittels des Kopplers/Splitters 240 ist ein Multiplexen der Signale in der ersten Faser 210 und der zweiten Faser 212 möglich. Aufgrund des hinreichenden Abstands zwischen den Reflektionsstellen können diese jedoch eindeutig zugeordnet werden.
• Die 12 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 300 mit Temperaturkompensation gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei langen Meßstrecken bzw. bei Anwendungen, bei denen starke Temperaturänderungen auftreten können, ist die Genauigkeit der Längenänderungsmessung im Grunde durch Temperatureinflüsse begrenzt. Die thermische Ausdehnung der Faser bzw. des Mantelmaterials oder des Kabels sowie die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex der Faser haben Auswirkung auf die absolut gemessenen Positionen der Reflexionsstellen. Eine Temperaturkompensation zur Trennung von Temperatur und Dehnung ist durch die im wesentlichen parallele Installation einer Faser gleichen Typs mit Längenreserve zu erreichen. Aufgrund der Längenreserve tritt keine Dehnung der Sensorfaser ein, so daß in diesen Fasern oder Faserabschnitten ausschließlich der temperaturinduzierte Effekt gemessen wird.
• Daher weist das System 300 gemäß 12 Referenzabschnitte 312, 314 der Sensorfaser 310 auf, die im wesentlichen parallel zur einen Sensorfaser 310 verlaufen und mit Längenreserve verlegt sind. Dabei dient der Referenzabschnitt 312 zwischen einer dritten und einer vierten Reflektionsstelle R3, R4 der Sensorfaser 310 als Temperaturreferenz zum Dehnungsmeßabschnitt zwischen z₀ und z₁, d. h. dem Faserabschnitt bis zur ersten Reflektionsstelle R1. Gleichermaßen dient der Referenzabschnitt 314 zwischen der zweiten und der dritten Reflektionsstelle R2, R3 der Sensorfaser 310 als Temperaturreferenz zum Dehnungsmeßabschnitt zwischen z₁ und z₂, d. h. dem Faserabschnitt zwischen ersten Reflektionsstelle R1 und der zweiten Reflektionsstelle R2. Aufgrund der so ermittelten Temperaturabhängigkeit kann die gemessene Dehnung der Sensorfaser entsprechend kompensiert werden. Dabei kann die gemessene Längenänderung des Referenzabschnitts auf die jeweils installierten Längen der zugeordneten Dehnungsmeßabschnitte der Sensorfaser normiert werden. Der so ermittelte temperaturabhängige Effekt wird dann von der gemessenen Längenänderung der Dehnungsmeßabschnitte abgezogen. Auf diese Weise erhält man ein temperaturkompensiertes Dehnungssignal. Zusätzlich oder alternativ kann aufgrund der Referenzabschnitte auch die Temperatur eines jeweiligen Abschnitts der Sensorfaser 310 ermittelt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Dehnungsmessung an einer Sensorfaser, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen mindestens einer Sensorfaser, die an n vorbestimmten Positionen (z_r) jeweils eine Reflektionsstelle aufweist, wobei n ≥ 1 ist; (b) Bereitstellen einer Referenzübertragungsfunktion (H₀, H_r) der Sensorfaser, wobei die Referenzübertragungsfunktion (H₀, H_r) in einem vorbestimmten Ausgangszustand der Sensorfaser ermittelt wurde; (c) Durchführen von m ≥ n optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messungen bei m voneinander verschiedenen Meßfrequenzen (f_k) zur Ermittlung von m Meßübertragungsfunktionen (M_k); (d) Ermitteln einer örtlichen Verschiebung (Δz_r) mindestens einer Reflektionsstelle anhand der Referenzübertragungsfunktion (H₀, H_r) und der Meßübertragungsfunktionen (M_k); und (e) Ermitteln der Dehnung eines zu der mindestens einen Reflektionsstelle benachbarten Abschnitts der Sensorfaser anhand der ermittelten örtlichen Verschiebung (Δz_r) der Reflektionsstelle.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (a) die mindestens eine Reflektionsstelle der Sensorfaser umfasst: ein Ende der Sensorfaser, oder einen Steckverbinder, der zwei benachbarte Abschnitte der Sensorfaser miteinander verbindet, oder eine bei der Herstellung der Sensorfaser erzeugte Reflektionsstelle, oder eine nach der Herstellung der Sensorfaser eingebrachte Reflektionsstelle.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Schritt (b) weiterhin umfaßt: (b1) Durchführen einer Frequenzbereichsreflektometrie-Messung an der Sensorfaser im Ausgangszustand zur Ermittlung der Übertragungsfunktion (H(f)) der Sensorfaser im Frequenzbereich; (b2) Ermitteln der Impulsantwort (h(z)) im Zeitbereich der Sensorfaser mittels inverser Fouriertransformation der Übertragungsfunktion (H(f)); (b3) Zerlegen der Impulsantwort (h(z)) in n Einzelimpulsfunktionen (h_k(z_r)) und eine Zeitbereich-Untergrundfunktion (h₀(z)), die durch Subtraktion der Einzelimpulsfunktionen (h_k(z_r)) von der Impulsantwort (h(z)) erhalten wird; und (b4) Durchführen einer Fouriertransformation für die n Einzelimpulsfunktionen (h_k(z_r)) und die Zeitbereich-Untergrundfunktion (h₀(z)), um die Referenzübertragungsfunktion im Frequenzbereich als n Einzelreflektionsstellenfunktionen (H_k(f)) und eine Frequenzbereich-Untergrundfunktion (H₀(f)) bereitzustellen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt (c) die Modulationsfrequenzen (f_k) für die optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messungen im Bereich von 1 Hz bis 10 GHz liegen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt (d) umfaßt: (d1) Subtrahieren der Frequenzbereich-Untergrundfunktion (H₀(f_k)) für eine jeweilige Meßfrequenz (f_k) von der Meßübertragungsfunktion (M_k) bei dieser Meßfrequenz; (d2) Bestimmen einer Phasenverschiebung (Δφ_r) für eine jeweilige Reflektionsstelle; und (d3) Bestimmen der örtlichen Verschiebung (Δz_r) mittels der Phasenverschiebung (Δφ_r).
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Schritte (d1) bis (d3) mindestens einmal wiederholt werden, und wobei als neuer Eingangswert für die Positionen (z_r) der Reflektionsstellen, die um die vorhergehend ermittelte örtlichen Verschiebung (Δz_r) korrigierten Positionen (z_r + Δz_r) der Reflektionsstellen verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: (f) eine optische Frequenzbereichsreflektometrie-Messung an einer Referenzsensorfaser oder einem Referenzabschnitt der Sensorfaser, um eine Temperaturabhängigkeit der optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messungen an der Sensorfaser zu ermitteln; und (f1) Kompensation der ermittelten Temperaturabhängigkeit in der ermittelten Dehnung der Sensorfaser; und/oder (f2) Bestimmung der Temperatur mindestens eines Abschnitts der Sensorfaser.
8. System zur Dehnungsmessung an einer Sensorfaser, umfassend eine Sensorfaser (110), die an n vorbestimmten Positionen (z_r) jeweils eine Reflektionsstelle (R1, R2) aufweist, wobei n ≥ 1 ist, eine mit der Sensorfaser (110) verbundene Einrichtung (120) zur Durchführung einer optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messung, und eine mit der Einrichtung (120) verbundene Auswerteeinheit (130) zur Ermittlung einer Dehnung der Sensorfaser (110), wobei das System eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
9. System nach Anspruch 8, wobei das System mehrere Sensorfasern (210, 212) umfaßt, die mit der Einrichtung (120) zur Durchführung einer optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messung über mindestens einen optischen Splitter (240) verbunden sind, und wobei die Reflektionsstellen (R1, R2, R3, R4) in den mehreren Sensorfasern so angeordnet sind, daß ihre jeweilige Positionen (z_r) voneinander so verschieden sind, daß auch bei maximaler Dehnung der Sensorfasern die Positionen (z_r) unterscheidbar sind.
10. System nach Anspruch 8 oder 9, weiterhin umfassend eine Referenzsensorfaser oder einen Referenzabschnitt (312, 314) der Sensorfaser (310), wobei die Referenzsensorfaser oder der Referenzabschnitt (312, 314) der Sensorfaser im wesentlichen parallel zur mindestens einen Sensorfaser (310) verlaufen, wobei die Referenzsensorfaser oder der Referenzabschnitt (312, 314) der Sensorfaser eingerichtet sind, eine Temperaturabhängigkeit der optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messung zu ermitteln.

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