DE102012214441A1

DE102012214441A1 - Faseroptischer Sensor und Messverfahren

Info

Publication number: DE102012214441A1
Application number: DE102012214441.2A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schade
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2014-02-20
Anticipated expiration: 2032-08-15
Also published as: DE102012214441B4; WO2014026839A2; WO2014026839A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Faseroptischer Sensor (1) mit zumindest zwei Kernen (10) aus einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex (n1) und einem die Kerne umgebenden Mantel (11) aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex (n2), wobei in jeden Kern (10) zumindest ein Faser-Bragg-Gitter (12) eingebracht ist und in zumindest einem ersten Längsabschnitt (21) des faseroptischen Sensors (1) die Faser-Bragg-Gitter (12) an unterschiedlichen Orten entlang der Längserstreckung angeordnet sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Erfassung mechanischer Zustandsgrößen.

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor mit zumindest zwei Kernen aus einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex und einem die Kerne umgebenden Mantel aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex, wobei in jeden Kern zumindest ein Faser-Bragg-Gitter eingebracht ist.
Aus der DE 10 2010 001 197 A1 ist ein faseroptischer Sensor der oben genannten Art bekannt. Das Sensorelement umfasst eine optische Faser, welche einen Kern und einen Mantel aufweist. Im Kern kann ein optisches Signal übertragen werden. Weiterhin sind in den Kern in vorgebbaren Abständen Faser-Bragg-Gitter eingebracht. Das Faser-Bragg-Gitter reflektiert eine vorgebbare Wellenlänge, welche von der Gitterkonstanten abhängt. Licht anderer Wellenlängen kann das Faser-Bragg-Gitter durchdringen. Bei Einwirken einer mechanischen Spannung oder bei Änderung der Temperatur ändert sich die Gitterkonstante, so dass aus der Änderung der reflektierten Wellenlänge auf einwirkende Kräfte oder Temperaturänderungen geschlossen werden kann.
Dieses vorbekannte Sensorelement weist jedoch den Nachteil auf, dass für die Realisierung einer Vielzahl von Messstellen, beispielsweise für eine Überwachung eines mechanischen Bauteils mit guter Ortsauflösung, eine große Anzahl von Sensorelementen erforderlich ist. Sofern eine unabhängige Temperaturüberwachung erforderlich ist, erhöht sich die Anzahl der erforderlichen Sensorelemente weiter. Dadurch steigt der Aufwand der Messung und die Betriebssicherheit sinkt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, einwirkende Temperaturen und/oder mechanische Spannungen großflächig mit hoher Ortsauflösung zu erfassen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen faseroptischen Sensor gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, einen faseroptischen Sensor mit zumindest zwei Kernen aus einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex und einem die Kerne umgebenden Mantel aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex einzusetzen. Der erste Brechungsindex ist dabei größer als der zweite Brechungsindex, so dass an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel Totalreflexion auftreten kann. Dadurch kann Licht einer vorgebbaren Wellenlänge bzw. Wellenlängenverteilung im Kern geführt werden, wobei keine oder nur ein geringer Teil der Intensität in den Mantel übertritt. Das erste Material und/oder das zweite Material kann ausgewählt sein aus Quarz oder einem Polymer, beispielsweise Polymethylmethacrylat oder Polycarbonat. Um den Brechungsindex von Kern und Mantel an vorgebbare Werte anzupassen, kann das erste Material und/oder das zweite Material dotiert sein, beispielsweise mit Germanium, Phosphor oder Fluor.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, eine Mehrzahl von Kernen in einem einzigen Mantel anzuordnen. Aufgrund der Totalreflexion an den jeweiligen Grenzflächen zwischen Kern und Mantel ist das Übersprechen zwischen den Kernen nur gering, so dass die optischen Signale weitgehend unabhängig voneinander in den verschiedenen Kernen geführt werden.
In jeden Kern ist zumindest ein Faser-Bragg-Gitter eingebracht. Sofern die Faser-Bragg-Gitter an unterschiedlichen Orten entlang der Längserstreckung angeordnet sind, können unterschiedliche Messstellen realisiert werden. Unter dem Ort des Faser-Bragg-Gitters wird dabei im Sinne der vorliegenden Beschreibung der geometrische Schwerpunkt der Längsausdehnung des Faser-Bragg-Gitters verstanden.
Das Erzeugen der Faser-Bragg-Gitter kann in einer Ausführungsform der Erfindung durch punktweises Belichten des Faserkerns mit Femtosekunden Laserpulsen erfolgen. Der Laserstrahl kann dazu auf einen Fokus von weniger als 20 µm fokussiert sein, so dass die hohe Lichtintensität des Lasers nur mit dem jeweils adressierten Kern wechselwirkt. Dadurch ist es möglich, einzelne Kerne in der Sensorfaser zu adressieren und in die verschiedenen Kerne an unterschiedlichen Orten Faser-Bragg-Gitter mit unterschiedlichen Gitterkonstanten zu schreiben.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann eine Mehrzahl von Faser-Bragg-Gittern unter Verwendung von Phasenmasken zur großflächigen Belichtung erzeugt werden, was eine schnelle und rationelle Herstellung des Sensors ermöglicht.
Eine Mehrzahl von Faser-Bragg-Gittern in einem Kern kann aufgrund unterschiedlicher Gitterkonstanten durch die jeweils unterschiedliche Wellenlänge des reflektierten Lichtes unterschieden werden. Alternativ oder zusätzlich können unterschiedliche Faser-Bragg-Gitter in einem Kern auch durch die Signallaufzeit getrennt voneinander ausgelesen werden. Durch mehrere Kerne in einem Mantel kann die Anzahl verfügbarer Faser-Bragg-Gitter und damit die maximale Anzahl von Messorten vergrößert werden, so dass eine großflächige und engmaschige Überwachung der Temperatur und/oder der einwirkenden mechanischen Spannung mit nur einem einzigen Sensor ermöglicht wird. Dieser eine Sensor ist einfach handhabbar, einfach auslesbar und zuverlässig in oder an einer mechanischen Komponente zu befestigen.
Um eine großflächige Erfassung von Spannungen oder Temperaturen zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass der faseroptische Sensor zumindest einen ersten Längsabschnitt aufweist, in welchem die Faser-Bragg-Gitter an unterschiedlichen Orten entlang der Längserstreckung angeordnet sind. Dies schließt jedoch nicht aus, dass daneben ein weiterer Längsabschnitt vorhanden ist, in welchem zumindest zwei Faser-Bragg-Gitter in unterschiedlichen Kernen am gleichen Ort vorhanden sind. Dies erlaubt an bestimmten Stellen die redundante Erfassung von Temperatur und/oder mechanischer Spannung bzw. die unabhängige Erfassung von Temperatur und Spannung. Unter einer großflächigen Messung im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei eine Messung an einem Bauteil verstanden, welches eine große Abmessung in zumindest zwei Dimensionen aufweist, so dass der vorgeschlagene faseroptische Sensor in Mäandern in oder auf diesem Bauelement befestigt wird. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der faseroptische Sensor auch in einem langgestreckten Bauteil entlang dessen Längserstreckung eingebracht sein und die mechanische Belastung und/oder die Temperatur entlang der Längserstreckung dieses Bauteiles erfassen.
Als möglicher Anwendungsfall kann der faseroptische Sensor in Bauwerken eingesetzt werden, beispielsweise zur Bestimmung der Bodenbelastung eines Gebäudes oder zur Bestimmung einwirkender Kräfte auf eine Staumauer. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der vorgeschlagene Sensor zur Dauerüberwachung der Rotorblätter einer Windenergieanlage oder eines Hubschraubers verwendet werden. In wiederum einer anderen Ausführungsform kann der vorgeschlagene Sensor die mechanische Struktur eines Flugzeuges überwachen, so dass unzulässige Flugmanöver oder die Ermüdung der mechanischen Strukturen, wie beispielsweise Rumpf oder Tragflächen, rechtzeitig erkannt werden. Sofern die zu überwachende mechanische Komponente aus faserverstärkten Kunststoffen hergestellt wird, kann der faseroptische Sensor beim Laminieren der mechanischen Komponente eingebracht werden und ist damit integraler Bestandteil der mechanischen Komponente. In anderen Fällen kann der faseroptische Sensor durch Kleben, Verweben, Löten oder Schweißen mit dem zu überwachenden Bauteil verbunden werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung betrifft diese einen faseroptischer Sensor mit zumindest zwei Kernen aus einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex und einem die Kerne umgebenden Mantel aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex, wobei in jeden Kern zumindest ein Faser-Bragg-Gitter eingebracht ist, wobei eine größere Anzahl von Faser-Bragg-Gittern an unterschiedlichen Orten entlang der Längserstreckung angeordnet sind als Faser-Bragg-Gitter an identischen Orten eingebracht sind.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung betrifft diese einen faseroptischer Sensor mit zumindest einem Kern aus einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex und einem die Kerne umgebenden Mantel aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex, wobei im Kern zumindest zwei Faser-Bragg-Gitter eingebracht sind und der faseroptische Sensor zumindest einen zweiten Längsabschnitt aufweist, in welchem der Mantel eine Mehrzahl von Nanodrähten und der Kern zumindest ein Faser-Bragg-Gitter enthält.
Der erfindungsgemäße Sensor kann in einigen Ausführungsformen zwischen 5 und 25 Kernen aufweisen, welche in einem Mantel angeordnet sind. Dies erlaubt einerseits eine hinreichend große Anzahl von Faser-Bragg-Gittern und damit eine hinreichende Anzahl an Messstellen und andererseits einen hinreichend kleinen Gesamtdurchmesser, so dass der faseroptische Sensor die Funktion der mechanischen Komponente nicht beeinträchtigt und hinreichend enge Biegeradien bei der Verlegung erlaubt.
Die Verwendung einer faseroptischen Sensorfaser mit mehreren Kernen eröffnet die Möglichkeit, beispielsweise nur 10 verschiedene Faser-Bragg-Gitter mit unterschiedlichen Wellenlängen λ₁ bis λ₁₀ in einer Sensorfaser zu verwenden und dennoch eine große Anzahl von Faser-Bragg-Gittern in einer einzigen Faser einzusetzen. Beispielsweise kann eine Faser 10 Kerne enthalten, wobei jeder individuelle Faserkern die genannten beispielsweise 10 Faser-Bragg-Gitter an verschiedenen Orten enthält. Auf diese Weise können 100 Faser-Bragg-Gitter verwendet werden.
Zur Auslese kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung das Breitbandlicht einer Superlumineszenzdiode simultan in sämtliche Kerne eingekoppelt werden. Das Auslesen der reflektierten Strahlung aus den einzelnen Kernen kann über zeitliches und/oder räumliches Multiplexing erfolgen. Die vergleichsweise geringe Zahl von Faser-Bragg-Gittern pro Kern ermöglicht einen hohen dynamischen Bereich bei Dehnungsmessungen. Sofern eine größere Anzahl von Faser-Bragg-Gittern in einem Faserkern angeordnet ist, liegen die einzelnen Bragg Wellenlängen dichter beisammen, was dazu führen kann, dass sich die verschiedenen Bragg Wellenlängen beim Auftreten größerer Dehnungen vermischen. Der Fachmann wird daher die Anzahl der Kerne pro Faser und die Anzahl der Faser-Bragg-Gitter pro Kern so aufeinander abstimmen, das eine hinreichende Ortsauflösung und ein hinreichender dynamischer Bereich der Dehnungsmessung für die geplante Anwendung bereitgestellt werden. Durch die erfindungsgemäß verwendete Faser mit einer Mehrzahl von Kernen kann der Wellenlängenabstand der Faser-Bragg-Gitter entsprechend groß gewählt werden und dennoch kann eine große Zahl von Faser-Bragg-Gittern und damit eine große Anzahl von Messstellen bereitgestellt werden.
Der Durchmesser eines Kernes kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung zwischen 3,5 und 200 µm betragen. Der Durchmesser des Mantels kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung zwischen 50 µm und 2000 µm betragen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Mantel mit einer optionalen Beschichtung versehen werden, beispielsweise aus einem Polymer. Hierdurch wird die Widerstandsfähigkeit gegen mechanische oder chemische Angriffe erhöht, so dass die Zuverlässigkeit und/oder die Lebensdauer weiter ansteigen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann jeder Kern zwischen 5 und 25 Faser-Bragg-Gitter enthalten. Diese Anzahl erlaubt einerseits eine Mehrzahl von Messorten, welche durch einen einzigen faseroptischen Sensor abgedeckt werden können und andererseits eine einfache Auswertung der optischen Messsignale. Auf diese Weise kann ein einzelner Sensor mehr als 50 Faser-Bragg-Gitter oder mehr als 100 Faser-Bragg-Gitter oder mehr als 250 Faser-Bragg-Gitter enthalten. Daraus ergibt sich entweder eine große Längserstreckung, um sehr große Bauteile zu überwachen oder eine große Ortsauflösung, so dass einwirkende Kräfte bzw. mechanische Spannungen sehr genau bestimmt werden können.
Die Auslese der in einem Kern angeordneten Faser-Bragg-Gitter kann entweder mit einer Mehrzahl von Spektrometern und einer Mehrzahl von Lichtquellen erfolgen. Dadurch können gleichzeitig in mehreren Kernen optische Abfragesignale eingekoppelt werden und die von den jeweiligen Faser-Bragg-Gittern reflektierten Signale erfasst werden. Die Abfragefrequenz bzw. Messgeschwindigkeit kann dadurch erhöht sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der faseroptische Sensor über einen optischen Schalter mit einer einzigen Lichtquelle und/oder einem Spektrometer verbunden sein. Auf diese Weise können die in mehreren Kernen angeordneten Faser-Bragg-Gitter sequentiell ausgelesen werden, so dass der apparative Aufwand reduziert ist, ohne auf die gute Ortsauflösung und/oder großflächige Messung zu verzichten. Ein Spektrometer kann ein planaroptisches Filterelement enthalten.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der faseroptische Sensor einen zweiten Längsabschnitt aufweisen, in welchem der Mantel eine Mehrzahl von Nanodrähten enthält und der Kern zumindest ein Faser-Bragg-Gitter enthält. Durch die Verstärkung des Mantels mit Nanodrähten ändert sich der Elastizitätsmodul des faseroptischen Sensors im betreffenden Längsabschnitt. Dadurch ergibt sich bei einer vorgebbaren einwirkenden Kraft eine geringere Änderung der Gitterkonstanten des Faser-Bragg-Gitters im zweiten Längsabschnitt, verglichen mit Faser-Bragg-Gittern in Längsabschnitten, an welchen keine Nanodrähte im Mantel angeordnet sind. Sofern sich die Gitterkonstante der Faser-Bragg-Gitter aufgrund von Temperaturänderungen ändert, ist diese Änderung jedoch unabhängig von der Anwesenheit der Nanodrähte. Damit können thermische Änderungen der Gitterkonstanten von mechanisch induzierten Änderungen der Gitterkonstanten getrennt werden. Damit wird es möglich, einen einzigen faseroptischen Sensor sowohl zur Erfassung der mechanischen Spannung als auch der Temperatur einzusetzen. Die Verwendung eines zweiten faseroptischen Sensors zur Temperaturkompensation ist nicht erforderlich, so dass der apparative Aufwand sinkt und die Zuverlässigkeit ansteigt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest ein Nanodraht Zinkoxid und/oder Kohlenstoff enthalten oder daraus bestehen. Dieses Material zeigt eine gute Verbindung mit Polymermaterialien, welche für die Herstellung des Mantels verwendbar sind.
Die Nanodrähte können in einigen Ausführungsformen der Erfindung einen Durchmesser von etwa 10 nm bis etwa 500 nm aufweisen. Hierdurch ergibt sich eine hinreichende mechanische Stabilisierung des Faseroptischen Sensors im zweiten Längsabschnitt ohne störende Einflüsse auf die mechanischen und/oder optischen Eigenschaften.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der faseroptische Sensor selbstverständlich eine Mehrzahl von zweiten Längsabschnitten aufweisen, welche jeweils zumindest ein Faser-Bragg-Gitter und eine Mehrzahl von Nanodrähten enthalten. Dies erlaubt die exakte Temperaturbestimmung entlang der Längserstreckung des faseroptischen Sensors ebenso wie die Kraftmessung mit erhöhter Genauigkeit.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt:
1 einen faseroptischen Sensor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt einen faseroptischen Sensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt einen faseroptischen Sensor gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens zur Bestimmung von Temperatur und mechanischer Spannung.
5 zeigt einen faseroptischen Sensor gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der faseroptische Sensor 1 enthält einen Lichtwellenleiter, welcher aus einem Mantel 11 und einer Mehrzahl von Kernen 10 aufgebaut ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier Kerne dargestellt. Selbstverständlich kann die Anzahl der Kerne im Mantel 11 auch größer oder geringer sein und beispielsweise zwischen 1 und 50 liegen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung liegt die Anzahl der Kerne zwischen 5 und 25.
Jeder Kern 10 unterscheidet sich vom Mantel 11 darin, dass der Kern 10 aus einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex n₁ besteht und der Mantel 11 aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex n₂. Dabei ist der erste Brechungsindex größer als der zweite Brechungsindex. Kern und Mantel können aus einem Polymer oder einem Glas gefertigt sein, beispielsweise Polymethylmethacrylat, Polycarbonat oder Quarz. Der Brechungsindex kann durch Dotierstoffe an vorgebbare Sollwerte angepasst werden. An der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel tritt Totalreflexion auf, so dass Licht im Inneren des Kernes 10 geführt werden kann. In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist der Kern so ausgestaltet, dass nur eine Mode ausbreitungsfähig ist. Auf der Außenfläche des Mantels 11 kann eine nicht dargestellte optionale Umhüllung bzw. Beschichtung angebracht sein, um den Mantel 11 und die Kerne 10 vor mechanischer Beanspruchung oder chemischer Zersetzung in aggressiver Umgebung zu schützen.
In den Kernen 10 sind Faser-Bragg-Gitter 12 eingebracht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeder Kern 10 mit vier Faser-Bragg-Gittern versehen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der Faser-Bragg-Gitter größer oder geringer sein und beispielsweise zwischen 1 und etwa 50 liegen, insbesondere zwischen etwa 5 und etwa 25.
Jedes der vier Faser-Bragg-Gitter 12 in einem Kern 10 kann eine unterschiedliche Gitterkonstante aufweisen, so dass jedes Faser-Bragg-Gitter eine unterschiedliche Wellenlänge reflektiert. Auf diese Weise kann anhand der reflektierten Wellenlänge unterschieden werden, von welchem Faser-Bragg-Gitter das reflektierte Licht stammt. Auf diese Weise kann eine Ortsauflösung des faseroptischen Sensors erzielt werden.
Die Faser-Bragg-Gitter 12 können in einigen Ausführungsformen der Erfindung durch Materialmodifikation mittels eines Femtosekundenlasers in die Kerne 10 eingeschrieben werden. Somit können die Orte der jeweiligen Faser-Bragg-Gitter frei gewählt werden. Dies erlaubt es, den faseroptischen Sensor bezüglich seiner Länge und seiner räumlichen Auflösung an den gewünschten Anwendungszweck anzupassen.
Wie beispielhaft am ersten Längsabschnitt 21 erläutert ist, sind die Faser-Bragg-Gitter eines eines Kernes im Vergleich zu den Faser-Bragg-Gitter eines benachbarten Kernes 10 an unterschiedlichen Orten angeordnet. Dadurch kann der Sensor verlängert werden, so dass eine größere Anzahl von Faser-Bragg-Gittern 12 und damit eine Mehrzahl von Messorten mit einem Sensor bereitgestellt werden kann. Würde nur der Abstand der Faser-Bragg-Gitter auf dem einzigen Kern vergrößert werden, könnte zwar ebenfalls ein größerer Messbereich abgedeckt werden, jedoch mit reduzierter Auflösung. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann durch Selektion des Kernes 10 und der Signallaufzeit bzw. der reflektierten Wellenlänge jedes der im Ausführungsbeispiel 16 Faser-Bragg-Gitter separat ausgelesen werden und die dadurch erhaltenen Messewerte können einem Messort zugeordnet werden.
Im Längsabschnitt 21 sind die Faser-Bragg-Gitter mit jeweils unterschiedlichen Orten entlang der Längserstreckung angeordnet, d.h. hintereinander. Dies schließt nicht aus, dass in anderen Ausführungsformen der Erfindung der faseroptische Sensor auch weitere Längsabschnitte aufweist, in welchen Faser-Bragg-Gitter unterschiedlicher Kerne am gleichen Ort angeordnet sind, d.h. nebeneinander.
Weiter zeigt 1 eine einfache Signalauslese, welche einen geringen apparativen Aufwand erfordert. Die vier Kerne 10 sind mit jeweils einem Lichtwellenleiter 31 an einem optischen Schalter bzw. Multiplexer 3 angeschlossen. Der Multiplexer 3 weist neben den vier Anschlüssen für die vier Kerne 10 einen Anschluss 33 für eine Lichtquelle 5 auf sowie einen Anschluss 32 für ein Spektrometer 4.
Die Lichtquelle 5 dient der Erzeugung eines optischen Abfragesignals für die Faser-Bragg-Gitter 12 in den Kernen 10. Hierzu kann die Lichtquelle 5 eine Superlumineszenzdiode oder einen durchstimmbaren Halbleiterlaser enthalten. Darüber hinaus kann die Lichtquelle 5 optional weitere Elektronik enthalten, beispielsweise um die Lichtquelle zu pulsen, mit einer Betriebsspannung zu versorgen oder zu kühlen. Die von der Lichtquelle 5 ausgesandte Strahlung wird über den Lichtwellenleiter 33 dem Multiplexer 3 zugeführt.
Über die jeweils mit dem Ausgang verbundene Faser 31 koppelt das Licht in einen Kern 10 des faseroptischen Sensors 1 ein. Dort wird von jedem Faser-Bragg-Gitter 12 ein schmaler Wellenlängenbereich reflektiert. Die mittlere Wellenlänge und die Breite des reflektierten Spektrums wird durch die Gitterkonstante des Faser-Bragg-Gitters 12 festgelegt. Die Gitterkonstante wiederum wird zum einen bei der Herstellung des Faser-Bragg-Gitters 12 festgelegt und andererseits durch einwirkende Temperatur oder mechanische Spannung verändert. Somit ist im reflektierten Spektrum der Ort des Faser-Bragg-Gitters 12, die Temperatur und die mechanische Spannung bzw. die einwirkende Kraft codiert.
Zur Analyse des reflektierten Spektrums steht ein Spektrometer 4 zur Verfügung. Diesem wird Licht über die Anschlusswellenleiter 31, den Multiplexer 3 und den Verbindungswellenleiter 32 zugeführt. Das Spektrometer 4 kann die Intensität in vorgebbaren Wellenlängenbereichen bestimmen. Hierzu kann das Spektrometer 4 ein planaroptisches Filterelement enthalten, beispielsweise ein Arrayed-Waveguide-Grating oder eine Schaltung von mehreren Faser-Bragg-Gittern, Kopplern und Wellenleitern, wie aus der unveröffentlichten DE 10 2011 017 622 bekannt. Durch ein solches planaroptisches Filterelement ergibt sich ein kompakter Aufbau, so dass die gesamte Auswerteschaltung für eine große Anzahl von Faser-Bragg-Gittern nur einen geringen Bauraum einnimmt.
Im Spektrometer 4 kann optional eine Wandlung der optischen Signale in elektrische Signale vorgenommen werden, welche dann weiterverarbeitet werden können. Das planaroptische Filterelement weist in der Regel so viele Kanäle auf, wie Faser-Bragg-Gitter 12 in einem Kern 10 vorhanden sind, wobei die Mittenwellenlänge der Kanäle auf die mittlere reflektierte Wellenlänge der Faser-Bragg-Gitter 12 abgestimmt ist. Dadurch können alle in einem Kern 10 angeordneten Faser-Bragg-Gitter 12 in einem Abfragetakt ausgelesen werden.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Spektrometer 4 und die Lichtquelle 5 mehrfach vorhanden sein, so dass der Multiplexer 3 entfallen kann. In diesem Fall können alle Faser-Bragg-Gitter in allen Kernen 10 in einem Abfragetakt ausgelesen werden, so dass sich die Frequenz der Messdatenerfassung erhöht.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt. Auch der faseroptische Sensor gemäß der zweiten Ausführungsform weist einen Mantel 11 auf, in welchem eine Mehrzahl von Kernen 10 ausgebildet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Kerne 10a, 10b und 10c dargestellt. In jedem Kern sind vier Faser-Bragg-Gitter ausgebildet. Auch im zweiten Ausführungsbeispiel weist der faseroptische Sensor einen ersten Längsabschnitt 21 auf, in welchem die Faser-Bragg-Gitter an unterschiedlichen Orten angeordneten sind. Zusätzlich weist der Sensor gemäß der zweiten Ausführungsform einen zweiten Längsabschnitt 22 auf, welcher eine Mehrzahl von Nanodrähten 15 und zumindest ein Faser-Bragg-Gitter 12 enthält. Der zweite Längsabschnitt 22 kann ein Teilabschnitt des ersten Längsabschnittes 21 sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der zweite Längsabschnitt 22 unabhängig vom ersten Längsabschnitt 21 sein bzw. an diesen angrenzen.
2 zeigt eine vergrößerte Darstellung aus dem zweiten Längsabschnitt 22. Daraus ist erkennbar, dass der zweite Längsabschnitt 22 ein Faser-Bragg-Gitter 12 enthält, welches im Kern 10b ausgebildet ist. Die Nanodrähte 15 sind im Mantel 11 dispergiert, wobei diese zumindest einen Bereich um das Faser-Bragg-Gitter 12 ausfüllen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Nanodrähte 15 aus Zinkoxid bestehen oder Zinkoxid enthalten. Die Nanodrähte können einen Durchmesser von 200 bis 600 nm aufweisen. Die Nanodrähte 15 können nasschemisch hergestellt sein und im Material des Mantels 11 dispergiert werden.
Die Nanodrähte können in etwa entlang der Längserstreckung des faseroptischen Sensors ausgerichtet sein, wobei die Längsachsen der Nanodrähte mit der Längserstreckung des Sensors einen Winkel von weniger als 25°, weniger als 20°, weniger als 15° oder weniger als 5° einschließen.
Die Nanodrähte haben die Wirkung, dass sich der Elastizitätsmodul des Mantels 11 lokal ändert, so dass einwirkende Kräfte eine geringere Verformung und damit eine geringe Veränderung der Gitterkonstanten des Faser-Bragg-Gitters 12 im zweiten Längsabschnitt 22 bewirken. Eine Änderung der Gitterkonstanten aufgrund der Temperatur findet jedoch innerhalb und außerhalb des zweiten Längsabschnittes 22 gleichermaßen statt. Somit kann durch Auslese eines Faser-Bragg-Gitters 12 in einem zweiten Längsabschnitt 22 und eines Faser-Bragg-Gitters 12 außerhalb eines zweiten Längsabschnittes 22 die Temperatur und die einwirkende Kraft unabhängig voneinander bestimmt werden. Wie aus 2 ersichtlich ist, können mehrere zweite Längsabschnitte 22 in einem faseroptischen Sensor vorhanden sein, im dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei zweite Längsabschnitte dargestellt. Die zweiten Längsabschnitte 22 können separiert von den ersten Längsabschnitten 21 sein oder einen Teil des ersten Längsabschnittes 21 einnehmen.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen faseroptischen Sensors. 3 zeigt einen Lichtwellenleiter 1, welcher als faseroptischer Sensor verwendet wird. Der faseroptische Sensor weist einen Mantel 11 und einen einzigen Kern 10 auf, wie vorstehend beschrieben. Im Kern 10 sind Faser-Bragg-Gitter 12 eingebracht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier Faser-Bragg-Gitter 12a, 12b, 12c und 12d gezeigt. Eines der Faser-Bragg-Gitter, im dargestellten Ausführungsbeispiel das Gitter 12b, ist mit Nanodrähten 15 im Mantel 11 umgeben. Somit ist das Faser-Bragg-Gitter 12b in einem zweiten Längsabschnitt 22 angeordnet.
Aufgrund der räumlichen Nähe des zweiten Längsabschnittes 22 zum Faser-Bragg-Gitter 12c befinden sich die Faser-Bragg-Gitter 12b und 12c auf gleicher Temperatur, so dass durch Verhältnisbildung der Signale der Faser-Bragg-Gitter 12b und 12c eine Temperaturkompensation bzw. eine Temperaturmessung erfolgen kann. Somit erlaubt das Einbringen von Nanoröhrchen 15 in zumindest einen Längsabschnitt 22 des faseroptischen Sensors 1 eine einfache Temperatur- und Kraftmessung mit einem faseroptischen Sensor.
Auch wenn in 2, 3, 5 und 6 die Lichtquelle 5, der optionale Multiplexer 3 und das Spektrometer 4 nicht dargestellt sind, so versteht sich von selbst, dass auch die faseroptischen Sensoren gemäß der zweiten, dritten und vierten Ausführungsform mit diesen Komponenten verbindbar sind, um auf diese Weise die Messwerte durch optische Auslese bzw. Spektroskopie zu erzeugen und zu erfassen.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Messverfahrens zur Erfassung mechanischer Zustandsgrößen. Im ersten Verfahrensschritt 51 wird ein faseroptischer Sensor mit zumindest zwei Kernen aus einem ersten Material mit ersten Brechungsindex und einem die Kerne umgebenden Mantel aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex bereitgestellt. Beispielsweise kann es sich dabei um einen faseroptischen Sensor gemäß den 1, 2 oder 3 handeln.
Im zweiten Verfahrensschritt 52 kann der faseroptische Sensor mit einer mechanischer Komponente, beispielsweise einem Rumpf oder einer Tragfläche oder einer Triebwerksgondel eines Flugzeuges, einem Turm oder einem Rotorblatt einer Windkraftanlage, einem Teppich oder einem anderen Bodenbelag, einem Seil oder einem Spanngurt oder einem anderen Bauteil verbunden werden. Die Verbindung des Sensors mit dem Bauteil kann durch Laminieren, Verkleben, Verflechten, Schweißen oder Löten erfolgen.
Im dritten Verfahrensschritt 53 wird Licht in die Kerne des faseroptischen Sensors eingekoppelt, beispielsweise aus einem Halbleiterlaser, einer Superlumineszenzdiode oder einer anderen gepulsten oder im Dauerstrichbetrieb betriebenen Lichtquelle. Das Licht breitet sich entlang der Kerne 10 der faseroptischen Sensoren 1 aus und wird von den Faser-Bragg-Gittern 12 teilweise reflektiert. Die reflektierte Wellenlänge hängt dabei von der Gitterkonstanten des Faser-Bragg-Gitters, der Temperatur und der einwirkenden Kraft ab.
Im vierten Verfahrensschritt 54 wird das von den Faser-Bragg-Gittern reflektierte Licht erfasst und einem Spektrometer zugeführt.
Im fünften Verfahrensschritt 55 wird die Intensität in vorgebbaren Wellenlängenbereichen erfasst, um auf diese Weise Rückschlüsse auf die effektive Gitterkonstante der Faser-Bragg-Gitter 12 an vorgebbaren Orten zu erhalten. Aus dieser Gitterkonstanten kann schließlich die einwirkende Kraft und/oder die Temperatur bestimmt werden.
Zur Entkopplung beider Messgrößen kann in einem optionalen sechsten Verfahrensschritt 56 das Verhältnis der Intensität des von zumindest einem Faser-Bragg-Gitter 12 außerhalb des zweiten Längsabschnittes 22 und des von zumindest einem Faser-Bragg-Gitter 12 innerhalb des zweiten Längsabschnittes reflektierten Lichtes durchgeführt werden.
Zur fortlautenden Messwerterfassung können die Verfahrensschritte 53 bis 56 zyklisch wiederholt werden.
5 zeigt einen faseroptischen Sensor gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Teile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränken kann.
Auch der Sensor gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung enthält einen Lichtwellenleiter 1, welcher als faseroptischer Sensor verwendet wird. Der faseroptische Sensor weist einen Mantel 11 und zumindest einen Kern 10 auf, wie vorstehend beschrieben. Die Anzahl der Kerne 10 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung zwischen eins und etwa 25 liegen. Im Kern 10 sind Faser-Bragg-Gitter 12 eingebracht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind fünf Faser-Bragg-Gitter 12a, 12b, 12c, 12d und 12e gezeigt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl größer oder geringer sein und zwischen eins und etwa 25 liegen. Der Mantel 11 enthält ein piezoelektrisches Material oder besteht aus einem solchen Material. Das piezoelektrische Material kann im Mantel 11 so angeordnet sein, dass es zumindest einen Kern 10 umgibt. Das piezoelektrische Material kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein Polymer oder ein Kristall sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das piezoelektrische Material Nanodrähte 15 enthalten. Die Nanodrähte können ZnO enthalten oder daraus bestehen.
Weiterhin enthält der Sensor gemäß der vierten Ausführungsform elektrische Anschlusskontakte 16, an welche eine elektrische Spannung anlegbar ist. Dadurch kann ein elektrisches Feld im Sensor erzeugt werden. Beim Anlegen eines elektrischen Feldes wird der Mantel 11 des Sensors 1 aufgrund des piezoelektrischen Materials 3 gedehnt oder gestaucht. Durch das piezoelektrische Material bewirkt daher die Anwesenheit einer elektrischen Spannung eine mechanische Spannung im Sensor 1. Die mechanische Spannung führt zu einer Längenänderung, welche mittels der sich verändernden Gitterkonstanten der Faser-Bragg-Gitter nachgewiesen werden kann. Somit kann der Sensor gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung eine elektrische Spannung erfassen.
Sofern die elektrische Spannung zyklisch an die Anschlusskontakte 16 angelegt wird, kann in den spannungsfreien Pausenzeiten eine Temperatur und/oder eine Kraft gemessen werden, wie vorstehend beschrieben. Der Sensor kann beispielsweise in ein Batteriegehäuse eingebracht werden und auf diese Weise zur Erfassung von Temperatur und/oder Kraft und/oder elektrischer Spannung dienen. Damit kann erstmals ein Batteriemanagement vollständig auf optischer Sensorik basierend realisiert werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit ansteigen.
6 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Teile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränken kann.
Auch die fünfte Ausführungsform der Erfindung ist zur Erfassung von Temperatur und/oder Kraft und/oder elektrischer Spannung ausgebildet. Der Sensor gemäß 6 weist eine Mehrzahl von Kernen 10 in einem gemeinsamen Mantel 11 auf, wobei die Kerne 10 jeweils zumindest ein Faser-Bragg-Gitter 12 enthalten.
In einem Längsabschnitt 23 des Sensors 1 enthält der Mantel ein piezoelektrisches Material wie vorstehend beschrieben. Ebenso sind elektrische Anschlusskontakte 16 vorgesehen, mit welchen zumindest in einem Teilbereich des im Längsabschnittes 23 ein elektrisches Feld erzeugt werden kann. Auf diese Weise kann im Längsabschnitt 23 mit dem dort angeordneten, zumindest einem Faser-Bragg-Gitter 12 fortlaufend die elektrische Spannung gemessen werden. Die Faser-Bragg-Gitter 12 außerhalb des Längsabschnittes 23 stehen dann zur Messung der Temperatur und/oder der Kraft zur Verfügung.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Merkmale aus unterschiedlichen, vorstehend detailliert beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können zu weiteren Ausführungsformen kombiniert werden. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010001197 A1 [0002]
DE 102011017622 [0042]

Claims

Faseroptischer Sensor (1) mit zumindest zwei Kernen (10) aus einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex (n₁) und einem die Kerne umgebenden Mantel (11) aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex (n₂), wobei in jeden Kern (10) zumindest ein Faser-Bragg-Gitter (12) eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem ersten Längsabschnitt (21) des faseroptischen Sensors (1) die Faser-Bragg-Gitter (12) an unterschiedlichen Orten entlang der Längserstreckung angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zwischen 5 und 25 Kernen (10) in einem Mantel (11) enthält.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mehr als 50 Faser-Bragg-Gitter (12) oder mehr als 100 Faser-Bragg-Gitter (12) enthält.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kern (10) zwischen 5 und 25 Faser-Bragg-Gitter (12) enthält.
Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Faser-Bragg-Gitter (12) in einem Kern eine unterschiedliche Gitterkonstante aufweist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin enthaltend einen optischen Schalter (3), welcher dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl von Kernen (10) sequentiell mit einer Lichtquelle (5) und/oder einem planaroptischen Filterelement (4) zu verbinden.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der faseroptische Sensor zumindest einen zweiten Längsabschnitt aufweist, in welchem der Mantel (11) eine Mehrzahl von Nanodrähten (15) und der Kern (10) zumindest ein Faser-Bragg-Gitter enthält.
Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Nanodraht (15) Zinkoxid enthält oder daraus besteht.
Verfahren zur Erfassung mechanischer Zustandsgrößen, enthaltend die folgenden Schritte: – Bereitstellen (51) eines faseroptischen Sensors (1) mit zumindest zwei Kernen (10) aus einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex (n₁) und einem die Kerne umgebenden Mantel (11) aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex (n₂), wobei in jeden Kern (10) zumindest ein Faser-Bragg-Gitter (12) eingebracht ist und in zumindest einem ersten Längsabschnitt (21) des faseroptischen Sensors (1) die Faser-Bragg-Gitter (12) an unterschiedlichen Orten entlang der Längserstreckung angeordnet sind, – Verbinden (52) des faseroptischen Sensors (1) mit einer mechanischen Komponente, – Einkoppeln (53) von Licht in zumindest zwei Kerne (10a, 10b, 10c), – Erfassen (54) des von den Faser-Bragg-Gittern (12) reflektierten Lichtes, – Auswerten (55) der Intensität in vorgebbaren Wellenlängenbereichen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (11) des faseroptischen Sensors (1) in zumindest einem zweiten Längsabschnitt (22) eine Mehrzahl von Nanodrähten (15) und zumindest ein Faser-Bragg-Gitter (12) enthält und eine Verhältnisbildung (56) der Intensität des von zumindest einem Faser-Bragg-Gitter (12) außerhalb des zweiten Längsabschnittes (22) und des von zumindest einem Faser-Bragg-Gitter (12) innerhalb des zweiten Längsabschnittes (22) reflektierten Lichtes durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Spannung und die Temperatur an einer Mehrzahl von Messstellen erfasst wird.
Faseroptischer Sensor mit zumindest einem Kern aus einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex und einem die Kerne umgebenden Mantel aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex, wobei im Kern zumindest zwei Faser-Bragg-Gitter eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass der faseroptische Sensor zumindest einen zweiten Längsabschnitt aufweist, in welchem der Mantel eine Mehrzahl von Nanodrähten und der Kern zumindest ein Faser-Bragg-Gitter enthält.
Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Nanodraht (15) Zinkoxid enthält oder daraus besteht.
Faseroptischer Sensor mit zumindest einem Kern aus einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex und einem die Kerne umgebenden Mantel aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex, wobei im Kern zumindest ein Faser-Bragg-Gitter eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel des faseroptischen Sensors weiterhin ein piezoelektrisches Material enthält.
Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Material Nanodrähte (15) enthält, welche Zinkoxid enthalten oder daraus bestehen.
Sensor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zumindest zwei elektrische Anschlusskontakte enthält.