DE102017011730B4 - Interrogator für zwei Faser-Bragg-Gitter Messstellen - Google Patents

Interrogator für zwei Faser-Bragg-Gitter Messstellen Download PDF

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Abstract

Schaltungsanordnung zur Auswertung von FBG-Signalen mit nachfolgenden Merkmalen:- eine Breitbandlichtquelle (1), die ausgebildet ist, Lichtimpulse auszusenden,- ein erster Strahlteiler (2) mit Anschlüssen (2a, 2b, 2c),- ein zweiter Strahlteiler (3) mit Anschlüssen (3a, 3b, 3c),- ein dritter Strahlteiler (4) mit Anschlüssen (4a, 4b, 4c),- ein vierter Strahlteiler (5) mit Anschlüssen (5a, 5b, 5c),- ein fünfter Strahlteiler (6) mit Anschlüssen (6a, 6b, 6c, 6d),- Fotodioden (7, 8, 9) und- ein optisches Verzögerungsglied (10) mit Anschlüssen (10a, 10b), wobei- die Breitbandlichtquelle (1) mittels einer optischen Faser mit dem Anschluss (2a) des ersten Strahlteilers (2) verbunden ist,- der Anschluss (2b) des ersten Strahlteilers (2) mittels einer optischen Faser mit dem Anschluss (3a) des zweiten Strahlteilers (3) verbunden ist,- der Anschluss (2c) des ersten Strahlteilers (2) mittels einer optischen Faser mit der Fotodiode (7) verbunden ist,- der Anschluss (3b) des zweiten Strahlteilers (3) mittels einer optischen Faser mit dem Anschluss (10a) des optischen Verzögerungsglieds (10) verbunden ist,- der Anschluss (3c) des zweiten Strahlteilers (3) mittels einer optischen Faser mit dem Anschluss (5b) des vierten Strahlteilers (5) verbunden ist,- der Anschluss (10b) des optischen Verzögerungsglieds (10) mittels einer optischen Faser mit dem Anschluss (4b) des dritten Strahlteilers (4) verbunden ist,- der Anschluss (4c) des dritten Strahlteilers (4) mittels einer optischen Faser mit dem Anschluss (6c) des fünften Strahlteilers (6) verbunden ist,- der Anschluss (5c) des vierten Strahlteilers (5) mittels einer optischen Faser mit dem Anschluss (6a) des fünften Strahlteilers (6) verbunden ist,- der Anschluss (6d) des fünften Strahlteilers (6) mittels einer optischen Faser mit der Fotodiode (8) verbunden ist,- der Anschluss (6b) des fünften Strahlteilers (6) mittels einer optischen Faser mit der Fotodiode (9) verbunden ist, und wobei- an den Anschluss (4a) des dritten Strahlteilers (4) ein auf Druck oder Zug belasteter FBG-Sensor (11) anschließbar ist und- an den Anschluss (5a) des vierten Strahlteilers (5) ein auf Zug oder Druck belasteter FBG-Sensor (12) anschließbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Messanordnung für Faser-Bragg-Gitter Messstellen und insbesondere eine Messanordnung für zwei Faser-Bragg-Gitter (FBG), wobei die erste Messstelle auf Zug und die zweite Messstelle auf Druck beansprucht wird oder umgekehrt. Weiterhin soll die Messanordnung kostengünstig herstellbar und langzeitstabil ist.
  • Faser-Bragg-Gitter-Sensoren sind robuste faseroptische Messfühler, die insbesondere zur hochauflösenden Erfassung von Dehnungen eingesetzt werden. Das Messprinzip derartiger Faser-Bragg-Gitter-Sensoren beruht darauf, dass in Durchstrahlrichtung eines Lichtwellenleiters eine periodische Änderung des Brechungsindexes als so genanntes Faser-Bragg-Gitter (FBG) eingebracht wird. Dieses Faser-Bragg-Gitter wirkt wie ein frequenzselektives Filter, wobei deren Gitterkonstanten so gewählt sind, dass bei einem breitbandig eingestrahlten Licht ein sehr schmalbandiges Intensitätsmaximum als ein Peak reflektiert wird. Entscheidend für die Lage (Schwerpunkt-Bragg-Wellenlänge) des Intensitätsmaximums ist dabei die räumliche Distanz innerhalb der periodischen Abfolge der Zonen mit unterschiedlichem Brechungsindex. Dies wird für den Einsatz von Messstellen mit solchen Faser-Bragg-Gitter-Sensoren vorzugsweise zur Erfassung von Dehnungen genutzt. Wird ein Lichtleiter im Bereich der periodischen Änderung des Brechungsindexes gedehnt, so verschiebt sich die Lage des Intensitätsmaximums. Diese Wellenlängen-Verschiebung ist ein Maß für die Dehnung.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren bekannt, um die Wellenlängen bzw. Wellenlängenänderungen der reflektierten Intensitätsmaximal zu messen und daraus die Dehnungswerte zu ermitteln, so z. B. aus den Dokumenten DE 19821616 A1 , US 20090092352 A1 , US 5869835 A und US 7038190 B2 .
  • Mit dem so genannten Kantenfiltermessverfahren wird das reflektierte Licht über ein optisches Filter geführt, dessen Lichtdurchlässigkeit sich mit der Wellenlänge ändert. Verändert ein Reflexionspeak seine Wellenlänge, so ändert dies die Lichtintensität hinter dem Kantenfilter, was mittels Fotodioden gemessen werden kann. Dieses Verfahren ist einfach, hat aber die Nachteile, dass es nur ein einziges Faser-Bragg-Gitter auswerten, und kein Spektrum darstellen kann, sowie bei einer Streulichteinwirkung große Fehler zeigt.
  • Bei dem so genannten CCD Charge-coupled-device-Messverfahren wird das reflektierte Intensitätsmaximum spektral aufgeweitet und dann auf eine CCD-Zeile projiziert. Die CCD-Zeile wird ausgelesen und die Wellenlänge der Reflexionspeaks durch eine Zuordnung zu den Pixeln der CCD ermittelt. Dieses Verfahren kann viele Faser-Bragg-Gitter auf einer Faser bzw. Wellenleiter messen und auch das Spektrum allerdings nur von einer Faser darstellen. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass dieses Verfahren zu tragbaren Kosten nur mit Silicium-CCDs betreibbar ist. Das bedeutet eine Beschränkung auf den Wellenlängenbereich um 800 nm. Die kostengünstigen Komponenten aus dem Telekommunikationsbereiche sind daher für dieses Anwendung nicht nutzbar, da diese vorzugsweise im Wellenlängenbereich um 1550 nm arbeiten.
  • Desweiteren ist zur Erfassung der jeweiligen Wellenlänge bzw. Wellenlängenänderung an Faser-Bragg-Gittern ein Messverfahren mit einem durchstimmbaren Laser bekannt. Bei diesem Messverfahren wird keine breitbandige Laserdiode zur Lichterzeugung eingesetzt, sondern ein Laser, der seine gesamte Strahlungsenergie in einer sehr kleinen Bandbreite von < 0,005 nm abgibt. Die Wellenlänge des Lasers wird über einen Messbereich von beispielsweise 1500 nm bis 1600 nm und wieder zurück von 1600 nm bis 1500 nm in Form einer Dreiecksfunktion linear verändert. Bei den jeweiligen Peak-Wellenlängen der Faser-Bragg-Gitter gibt es starke Reflexionen. Das gesamte reflektierte Spektrum einer Faser bzw. Wellenleiters kann mit einer Fotodiode ermittelt werden, die während der Durchstimmung des Lasers die jeweils momentan rückreflektierte Strahlungsenergie misst. Infolge der hohen verfügbaren spektralen Energie des Lasers, die sich auf die sehr kleine Bandbreite konzentriert, lassen sich sehr große Mess-Störsignalabstände erreichen, die es erlauben, die Energie des Lasers auf viele Wellenleiter bzw. Fasern aufzuteilen, so dass die Anzahl der insgesamt anschließbaren Messstellen damit sehr groß werden kann. Dabei ist die Messgenauigkeit dieses Verfahrens auch sehr hoch. Dieses Messverfahren hat beim Einsatz vieler Messstellen mit Faser-Bragg-Gittern den Nachteil, dass ein relativ breiter Wellenlängenbereich nacheinander abgetastet werden muss, was insbesondere bei dynamischen Messungen bei einem zeitlich veränderlichen Dehnungsverlauf zu Wellenlängenänderungen während der Abtastzeiträume führen kann. Dadurch ergeben sich zeitabhängige Abweichungen, durch die bei einer vergleichenden Auswertung der Messergebnisse Fehler auftreten können.
  • Aus dem Artikel von S. H. Yun, D. J. Richardson und B. Y. Kim Interrogation of fiber grating sensor arrays with a wavelength-swept fiber laser, Optics Letters, Vol. 23, S 843-845, 1998, ist bekannt, eine Wiederholfrequenz von Wellenlängen eines Lichtstrahls linear ansteigend in Form einer Messrampe zu erzeugen. Dabei ist insbesondere eine Wiederholfrequenz der Wellenlängenvariationen von 250 Hz genannt, die nur einen vorteilhaften Teilaspekt bei Faser-Bragg-Gitter-Sensoren beschreibt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Messanordnung zur Ermittlung von Faser-Bragg-Gitter-Dehnungsmesssignalen zu schaffen, die einen einfachen Aufbau aufweist und somit kostengünstig ist. Weiterhin soll die Messanordnung langzeitstabil sein.
  • Diese Aufgabe wird mit einer Messanordnung (Interrogator) für Faser-Bragg-Gitter Messstellen nach Patentanspruch 1 gelöst.
    Eine Weiterbildung der Erfindung ist in Patentanspruch 2 angegeben.
  • Die Erfindung hat den Vorteil, dass sie aus optischen Standardelementen sehr einfach aufgebaut werden kann. Die spezielle Bedingung, dass die Messanordnung ein positives und ein negatives Dehnungssignal erfordert (Zug/Druck), ist bei vielen Dehnungsmessungen kein unmittelbarer Nachteil, weil z. B. bei Scherkraftmessungen diese Bedingung vorliegt.
  • Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in den Zeichnungen dargestellt ist, näher erläutert.
    • 1 zeigt den erfindungsgemäßen Interrogator für zwei Faser-Bragg-Gitter Messstellen.
    • 2 zeigt den erfindungsgemäßen Interrogator für 4 und mehr geradzahlige Faser-Bragg-Gitter Messstellen.
  • Die Bezugszeichen in diesen Figuren kennzeichnen folgende Elemente:
    • 1 -
    Breitbandlichtquelle
    2 -
    erster Strahlteiler mit Anschlüssen (2a, 2b, 2c)
    3 -
    zweiter Strahlteiler mit Anschlüssen (3a, 3b, 3c)
    4 -
    dritter Strahlteiler mit Anschlüssen (4a, 4b, 4c)
    5 -
    vierter Strahlteiler mit Anschlüssen (5a, 5b, 5c)
    6 -
    fünfter Strahlteiler mit Anschlüssen (6a, 6b, 6c, 6d)
    7 -
    Fotodiode
    8 -
    Fotodiode
    9 -
    Fotodiode
    10 -
    optisches Verzögerungsglied (10) mit Anschlüssen (10a, 10b)
    11 -
    FBG-Sensor
    12 -
    FBG-Sensor
    13 -
    optische Kupplung
    14 -
    optische Kupplung
  • Die 1 zeigt den erfindungsgemäßen Interrogator für zwei Faser-Bragg-Gitter-Messstellen. Das gepulste Licht aus der Breitbandlichtquelle 1 wird über eine optische Faser in den ersten Strahlteiler 2 geleitet. Dort wird das Licht geteilt und ein erster Lichtanteil wird der Fotodiode 7 zugeführt, von der die Lichtleistung der Lichtquelle 1 erfasst und überwacht wird. Die dazu verwendeten Schaltungen kennt der Fachmann, sodass auf deren Darstellung und Erläuterung verzichtet werden kann. Der zweite Lichtanteil wird zum Strahlteiler 3 geleitet. Dieser Strahlteiler 3 teilt das Licht erneut in zwei Teile auf. Der erste Lichtanteil davon wird dem optischen Verzögerungsglied 10 zugeführt. Dazu wird vorzugsweise eine faseroptische Spule verwendet. Nach dem Durchlaufen des optischen Verzögerungsglieds 10 trifft das Licht auf den Strahlteiler 4. Vom Strahlteiler 4 wird das Licht durchgeleitet auf den mittels einer optischen Kupplung 13 angeschlossenen FBG-Sensor 11, der in diesem Beispiel einer Stauchung ausgesetzt ist, dargestellt mit den zwei gegeneinander stehenden Kraftpfeilen. Der FBG-Sensor 11 reflektiert einen Teil des eingespeisten Lichts zurück in den Strahlteiler 4, wobei der Strahlteiler 4 so ausgebildet ist, dass er diesen Lichtanteil in den Strahlteiler 6 leitet. Der Strahlteiler 6 ist so ausgebildet, dass dieser Lichtanteil in die Fotodiode 9 geleitet wird.
  • Der vom Strahlteiler 3 gesendete zweite Lichtanteil wird zum Strahlteiler 5 geleitet. Vom Strahlteiler 5 wird das Licht durchgeleitet auf den mittels einer optischen Kupplung 14 angeschlossenen FBG-Sensor 12, der gemäß der technischen Lehre einer Dehnung ausgesetzt sein muss, dargestellt mit den zwei auseinander wirkenden Kraftpfeilen. Der FBG-Sensor 12 reflektiert einen Teil des eingespeisten Lichts zurück in den Strahlteiler 5, wobei der Strahlteiler 5 so ausgebildet ist, dass er diesen Lichtanteil in den Strahlteiler 6 leitet. Der Strahlteiler 6 ist ausgebildet, dass dieser Lichtanteil in die Fotodiode 8 geleitet wird.
  • Die 2 zeigt den erfindungsgemäßen Interrogator für 4 und mehr geradzahlige Faser-Bragg-Gitter Messstellen in einer Kaskadenanordnung. Bei einer Kaskadenanordnung wird nur eine einzige Breitbandlichtquelle 1 und eine einzige Fotodiode 7 zur Leistungsüberwachung benötigt.

Claims (2)

  1. Schaltungsanordnung zur Auswertung von FBG-Signalen mit nachfolgenden Merkmalen: - eine Breitbandlichtquelle (1), die ausgebildet ist, Lichtimpulse auszusenden, - ein erster Strahlteiler (2) mit Anschlüssen (2a, 2b, 2c), - ein zweiter Strahlteiler (3) mit Anschlüssen (3a, 3b, 3c), - ein dritter Strahlteiler (4) mit Anschlüssen (4a, 4b, 4c), - ein vierter Strahlteiler (5) mit Anschlüssen (5a, 5b, 5c), - ein fünfter Strahlteiler (6) mit Anschlüssen (6a, 6b, 6c, 6d), - Fotodioden (7, 8, 9) und - ein optisches Verzögerungsglied (10) mit Anschlüssen (10a, 10b), wobei - die Breitbandlichtquelle (1) mittels einer optischen Faser mit dem Anschluss (2a) des ersten Strahlteilers (2) verbunden ist, - der Anschluss (2b) des ersten Strahlteilers (2) mittels einer optischen Faser mit dem Anschluss (3a) des zweiten Strahlteilers (3) verbunden ist, - der Anschluss (2c) des ersten Strahlteilers (2) mittels einer optischen Faser mit der Fotodiode (7) verbunden ist, - der Anschluss (3b) des zweiten Strahlteilers (3) mittels einer optischen Faser mit dem Anschluss (10a) des optischen Verzögerungsglieds (10) verbunden ist, - der Anschluss (3c) des zweiten Strahlteilers (3) mittels einer optischen Faser mit dem Anschluss (5b) des vierten Strahlteilers (5) verbunden ist, - der Anschluss (10b) des optischen Verzögerungsglieds (10) mittels einer optischen Faser mit dem Anschluss (4b) des dritten Strahlteilers (4) verbunden ist, - der Anschluss (4c) des dritten Strahlteilers (4) mittels einer optischen Faser mit dem Anschluss (6c) des fünften Strahlteilers (6) verbunden ist, - der Anschluss (5c) des vierten Strahlteilers (5) mittels einer optischen Faser mit dem Anschluss (6a) des fünften Strahlteilers (6) verbunden ist, - der Anschluss (6d) des fünften Strahlteilers (6) mittels einer optischen Faser mit der Fotodiode (8) verbunden ist, - der Anschluss (6b) des fünften Strahlteilers (6) mittels einer optischen Faser mit der Fotodiode (9) verbunden ist, und wobei - an den Anschluss (4a) des dritten Strahlteilers (4) ein auf Druck oder Zug belasteter FBG-Sensor (11) anschließbar ist und - an den Anschluss (5a) des vierten Strahlteilers (5) ein auf Zug oder Druck belasteter FBG-Sensor (12) anschließbar ist.
  2. Schaltungsanordnung zur Auswertung von FBG-Signalen nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine zweite Schaltungsanordnung parallel zur ersten Schaltungsanordnung geschaltet ist und alle Schaltungsanordnungen mit der Lichtquelle (1) und der Fotodiode (7) betrieben werden. - der Anschluss (5c) des vierten Strahlteilers (5) mittels einer optischen Faser mit dem Anschluss (6a) des fünften Strahlteilers (6) verbunden ist, - der Anschluss (6d) des fünften Strahlteilers (6) mittels einer optischen Faser mit der Fotodiode (8) verbunden ist, - der Anschluss (6b) des fünften Strahlteilers (6) mittels einer optischen Faser mit der Fotodiode (9) verbunden ist, und wobei - an den Anschluss (4a) des dritten Strahlteilers (4) ein auf Druck oder Zug belasteter FBG-Sensor (11) anschließbar ist und - an den Anschluss (5a) des vierten Strahlteilers (5) ein auf Zug oder Druck belaste- ter FBG-Sensor (12) anschließbar ist.
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