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TECHNISCHES GEBIET
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Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung betreffen im Allgemeinen einen Torsionssensor zum Überwachen von Rotorblättern an Windenergieanlagen, insbesondere betreffen Ausführungsformen einen faseroptischen Torsionswinkelsensor, welcher geeignet ist zur optischen Erfassung von Torsionswinkeln eines Messobjekts. Darüber hinaus betreffen Ausführungsformen ein Verfahren zum Erfassen von Torsionen eines Messobjekts.
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STAND DER TECHNIK
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Die Überwachung von Betriebsparametern einer Windenergieanlage wird auf Grundlage einer Vielzahl von Messsignalen aus Sensoren bereitgestellt, die an unterschiedlichen Stellen der Windenergieanlage wie beispielsweise an Rotorblättern untergebracht sind. Derartige Sensorik ist einerseits wichtig zur Überwachung der Betriebsparameter, andererseits können mit unterschiedlichen Sensoren auch Umweltparameter erfasst werden. Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit, einen sicheren Betrieb der Windenergieanlage bei möglichst großer Energieausbeute bereitzustellen.
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Eine wesentliche Messgröße, die Aufschluss über Betriebsparameter und/oder Umgebungsparameter der Windenergieanlage liefert, ist die Torsion von Komponenten der Windenergieanlage, insbesondere die Torsion von Rotorblättern. Um einen Torsionswinkel beispielsweise eines Rotorblatts sicher zu erfassen, sind zahlreiche Verfahren vorgeschlagen worden, die unter anderem auf einer kamerabasierten Detektion von der Nabe der Windenergieanlage aus beruhen. So beschreibt die Druckschrift
DE 10 2016 125 730 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Torsionsmessung an einem Messobjekts mittels einer Lichtleitfaser. Das Messlicht durchläuft hierbei eine erste Lichtleitfaser, welche eine faseroptische Messstrecke ausbildet, und eine zweite polarisationserhaltende Lichtleitfaser, bei der die Polarisationsebene des Lichts erhalten bleibt. In der ersten Lichtleitfaser wird die Polarisationsebene des Lichts in Abhängigkeit von der Torsion des Messobjekts gedreht. In der Druckschrift
DE 10 2016 118 136 A1 ist ein Verfahren zur Funktionsprüfung eines Messsystems für eine technische Anlage offenbart. Hierbei erfolgt die Funktionsprüfung mittels eines faseroptischen Sensors, der in die technische Anlage integriert ist. Der faseroptische Sensor kann in einer Windkraftanlage eingesetzt werden und unter anderem Beschleunigung, Temperatur und Torsion erfassen. Ein weiterer optischer Drehwinkelsensor ist in der Druckschrift
DE 197 05 889 C2 beschrieben. Der Drehwinkelsensor umfasst einen polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter, eine Sendeeinrichtung und einen Analysator mit einem Polarisationsfilter und einem Lichtdetektor. Bei einer Torsion erfährt der Lichtwellenleiter eine Drehung oder Verformung, wobei die dadurch bewirkte Änderung der Polarisationsebene am Ausgang des Lichtwellenleiters gegenüber der Polarisationsebene am Eingang des Lichtwellenleiters zur Drehwinkelbestimmung herangezogen wird. In der Druckschrift
DE 34 15 855 C2 ist eine faseroptische Messeinrichtung offenbart, mit welcher eine an einem Bauelement auftretende mechanische Beanspruchung erfasst werden kann. Die Messeinrichtung besteht aus einer Lichtquelle, einem Polarisator, einer an dem Bauelement angebrachten, die mechanische Beanspruchung aufnehmenden Lichtleitfaser, einem Analysator und einem lichtempfindlichen Detektor. Bei einer Torsion der Lichtleitfaser erfolgt eine Drehung der Polarisationsebene des durchgeleiteten Lichts, wodurch eine Intensitätsänderung am lichtempfindlichen Detektor herbeigeführt wird.
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Aufgrund der Formgebung eines Rotorblatts und des gewünschten Messbereichs eines Torsionswinkels am Rotorblatt einer Windenergieanlage sind kamerabasierten Detektionsverfahren Grenzen gesetzt. Hierbei wirkt sich das eingeschränkte Sichtfeld für die kamerabasierten Torsionswinkelbestimmungen nachteilig aus. Es ist daher wünschenswert, einen verbesserten Torsionswinkelsensor bereitzustellen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einer Ausführungsform wird ein faseroptischer Torsionswinkelsensor zur Erfassung von Torsionen eines Messobjekts bereitgestellt, wobei der Torsionswinkelsensor umfasst: eine optische Sensorfaser mit einem ersten Lichtkopplungsende und einem zweiten Lichtkopplungsende, wobei die Sensorfaser zur Abnahme eines Torsionswinkels des Messobjekts an dem Messobjekt anbringbar ist; mindestens eine Lichtquelle, die ausgelegt ist zum Einkoppeln von linear polarisiertem Licht in das erste und/oder das zweite Lichtkopplungsende der Sensorfaser; einen ersten Detektor, der ausgelegt ist zur Erfassung einer ersten Polarisationsdrehung von an dem zweiten Lichtkopplungsende ausgegebenem linear polarisierten Licht; einen zweiten Detektor der ausgelegt ist zur Erfassung einer zweiten Polarisationsdrehung von an dem ersten Lichtkopplungskopplungsende ausgegebenem linear polarisierten Licht; und eine Auswerteeinheit, die ausgelegt ist zur Bestimmung eines Torsionswinkels des Messobjekts auf Grundlage der erfassten ersten und zweiten Polarisationsdrehungen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Erfassen von Torsionen eines Messobjekts bereitgestellt, wobei das Verfahren ein Anbringen einer optischen Sensorfaser, welche ein erstes Lichtkopplungsende und ein zweites Lichtkopplungsende aufweist, an dem Messobjekt; ein Durchstrahlen der Sensorfaser mit linear polarisiertem Licht von dem ersten Lichtkopplungsende zu dem zweiten Lichtkopplungsende; ein Durchstrahlen der Sensorfaser mit linear polarisiertem Licht von dem zweiten Lichtkopplungsende zu dem ersten Lichtkopplungsende; ein Erfassen einer ersten Polarisationsdrehung von an dem zweiten Lichtkopplungsende ausgegebenem linear polarisierten Licht; ein Erfassen einer zweiten Polarisationsdrehung von an dem ersten Lichtkopplungsende ausgegebenem linear polarisierten Licht; und ein Bestimmen eines Torsionswinkels der Sensorfaser auf Grundlage der erfassten ersten und zweiten Polarisationsdrehungen umfasst.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 einen Prinzipaufbau eines faseroptischen Torsionswinkelsensors mit zwei Lichtquellen und einer von zwei Seiten durchstrahlten Sensorfaser, gemäß einer Ausführungsform;
- 2 einen Prinzipaufbau eines weiteren faseroptischen Torsionswinkelsensors mit einer Lichtquelle und einer Lichtumlenkeinheit zur Durchstrahlung der optischen Sensorfaser in zwei entgegengesetzten Richtungen, gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
- 3 einen Prinzipaufbau eines weiteren faseroptischen Torsionswinkelsensors mit einer Lichtquelle und einer modifizierten Lichtumlenkeinheit, gemäß noch einer weiteren Ausführungsform.
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In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
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WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Im Folgenden wird detaillierter Bezug genommen auf verschiedene Ausführungsformen der Erfindung, wobei ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind.
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1 zeigt schematisch einen Prinzipaufbau eines faseroptischen Torsionswinkelsensors 100 mit zwei Lichtquellen 201, 202 und einer von zwei Seiten durchstrahlten optischen Sensorfaser 101, gemäß einer Ausführungsform. Der faseroptischer Torsionswinkelsensor 100 dient der Messung eines Torsionswinkels bzw. allgemein von Torsionen eines Messobjekts (in 1 nicht gezeigt). Zur Erfassung eines Torsionswinkels bzw. von Torsionen eines Messobjekts wird die optische Sensorfaser 101 an dem Messobjekt angebracht. Darüber hinaus ist es möglich, Torsionsfrequenzen bzw. Torsionseigenfrequenzen zu erfassen.
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Bei einem beispielhaften Einsatz des faseroptischen Torsionswinkelsensors 100 an einem Rotorblatt einer Windenergieanlage ist es möglich, Torsionen zu erfassen, die abhängig sind von Betriebsparametern der Windenergieanlage. Derartige Betriebsparameter sind beispielsweise gewählt aus der Gruppe, welche besteht aus: einer Rotorgeschwindigkeit, einem Pitchwinkel eines Rotorblatts, einem Yaw-Winkel einer Rotorgondel, einer Generatordrehzahl, einer Generatorleistung, und jedweder Kombination davon.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform, welche mit hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist es bei einem beispielhaften Einsatz des faseroptischen Torsionswinkelsensors 100 an einem Rotorblatt einer Windenergieanlage möglich, Torsionen zu erfassen, die abhängig sind von Umweltparametern in unmittelbarer Umgebung der Windenergieanlage. Derartige Umweltparameter sind beispielsweise gewählt aus der Gruppe, welche besteht aus: der Umgebungstemperatur, einem Eisbelag an einem Rotorblatt, einer Beaufschlagung eines Rotorblatts mit Fremdmaterial, einer Luftfeuchtigkeit, einem Winddruck, einer Windrichtung, einer Windgeschwindigkeit, einer Flächenbelastung an einem Rotorblatt, einem Anströmwinkel, einer Anströmgeschwindigkeit, einer Druckdifferenz, einer Rotorblatttemperatur, einer Rotorblattsteifigkeit, einer Rotorblattmassenverteilung, und jedweder Kombination davon.
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Eine Lichtquellen- und Auswerteeinheit 200 umfasst eine erste Lichtquelle 201, eine zweite Lichtquelle 202, eine erste Auswerteeinheit 203 mit einem ersten Detektor und eine zweite Auswerteeinheit 204 mit einem zweiten Detektor. Die Lichtquellen 201, 202 und die Auswerteeinheiten 203, 204 sind über jeweilige Faserkoppler 102 an entsprechende Zuleitungsfasern optisch gekoppelt. Zur Aufnahme von zu messenden Torsionswinkeln dient die Sensorfaser 101, welche ein erstes Lichtkopplungsende 103 und ein zweites Lichtkopplungsende 104 aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform wird durch das durch mindestens eine Lichtquelle bereitgestellte Licht ein Einkoppeln von linear polarisiertem Licht in das erste und/oder das zweite Lichtkopplungsende 103 bzw. 104 der optischen Sensorfaser 101 ermöglicht.
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Die Sensorfaser 101 ist derart ausgelegt, dass sie in zwei zueinander entgegengesetzten Durchstrahlungsrichtungen 401, 402 von optischer Strahlung durchstrahlt werden kann. Hierzu erzeugt die erste Lichtquelle 201 Licht zum Durchstrahlen der Sensorfaser 101 in einer ersten Richtung 401, d.h. in einer in 1 gezeigten Durchstrahlungsrichtung von links nach rechts. Das aus der ersten Lichtquelle 201 ausgekoppelte Licht wird über einen Faserkoppler 102 einem ersten Polarisator 105 zugeführt, welcher linear polarisiertes Licht erzeugt und dieses in eine erste Zuleitungsfaser 109 einkoppelt. Über einen weiteren Faserkoppler 102 ist die erste Zuleitungsfaser 109 mit einem Eingang eines ersten Faserrichtkopplers 107 verbunden.
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Der erste Faserrichtkoppler 107 teilt das Licht in zwei Ausgangszweige auf, wovon einer mit dem ersten Lichtkopplungsende 103 der Sensorfaser 101 verbunden ist. Die ersten und zweiten Lichtkopplungsenden 103 bzw. 104 können als Faserkoppler 102 oder auch als Spleißstellen ausgebildet sein. Ferner ist es möglich, dass die Faserkoppler 102 als Koppler mit gewinkeltem physikalischen Kontakt bzw. als APC (angled physical contact) -Koppler ausgebildet sind. Durch eine derartige Einkopplungsmethode kann das linear polarisierte Primärlicht mit einem geringen Lichtverlust in die Sensorfaser 101 eingekoppelt werden.
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Analog zu einem Einkoppeln des Primärlichts in das erste Lichtkopplungsende 103 der optischen Sensorfaser 101 erfolgt ein Auskoppeln von Sekundärlicht aus der Sensorfaser 101 an dem zweiten Lichtkopplungsende 104 der Sensorfaser 101 über beispielsweise einen weiteren Faserkoppler und/oder eine Spleißstelle in einen zweiten Faserrichtkoppler 108. Der zweite Faserrichtkoppler 108 gibt einen Teil des aufgenommenen Lichts über eine erste optische Ableitungsfaser 111 und einen Faserkoppler 102 an die erste Auswerteeinheit 203 aus. In der ersten Auswerteeinheit 203 wird der Polarisationszustand des Sekundärlichts, der sich durch eine Torsion des Messobjekts zusammen mit der Sensorfaser 101 gegenüber dem Polarisationszustand des Primärlichts verändert haben kann, ausgewertet.
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Mit anderen Worten wird eine erste Polarisationsdrehung von an dem zweiten Lichtkopplungsende 104 ausgegebenem linear polarisierten Licht erfasst. In der ersten Auswerteeinheit 203 wird das Sekundärlicht hinsichtlich seines Polarisationszustands (X- und Y-Richtung, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung Z) analysiert. Eine derartige Analyse wird wie folgt durchgeführt: in der ersten Auswerteeinheit 203 wird das linear polarisierte und in seiner Polarisationsrichtung gegebenenfalls gedrehte Licht in zwei orthogonale Achsen aufgeteilt. Der Polarisationswinkel bzw. die Drehung der optischen Sensorfaser 101 kann dann durch Vergleich der beiden Achsenintensitäten bestimmt werden.
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Falls es zu einer Polarisationsdrehung, hervorgerufen durch Torsionen bzw. durch eine Veränderung eines Torsionswinkels, gekommen ist, wird dies in Bezug zu einer Richtung einer linearen Polarisation am ersten Lichtkopplungsende 103 der optischen Sensorfaser 101 durch die erste Auswerteeinheit 203 festgestellt. Auf diese Weise ist es prinzipiell möglich, Torsionen der optischen Sensorfaser 101 und des mit ihr verbundenen Messobjekts (in 1 nicht gezeigt) zu detektieren.
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Gemäß einer Ausführungsform, welche mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist die optische Sensorfaser 101 als eine Monomodefaser ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform, welche mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann die optische Sensorfaser 101 gleichzeitig oder sukzessive in einer weiteren Richtung, in 1 gezeigt von rechts nach links, d.h. in einer zweiten Durchstrahlrichtung 402 mit optischer Strahlung durchstrahlt werden. Hierzu erzeugt die zweite Lichtquelle 202 Licht zum Durchstrahlen der Sensorfaser 101 in der zweiten Richtung 402 entgegengesetzt zu der ersten Richtung 401, d.h. in einer in 1 gezeigten Durchstrahlungsrichtung von rechts nach links.
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Das aus der zweiten Lichtquelle 202 ausgekoppelte Licht wird über einen Faserkoppler 102 und eine zweite Zuleitungsfaser 110 einem zweiten Polarisator 106 zugeführt, welcher linear polarisiertes Licht erzeugt. Der Ausgang des zweiten Polarisators 106 ist faseroptisch an einen Eingang eines zweiten Faserrichtkopplers 108 angeschlossen.
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Der zweite Faserrichtkoppler 108 teilt das Licht in zwei Ausgangszweige auf, wovon einer mit dem zweiten Lichtkopplungsende 104 der optischen Sensorfaser 101 verbunden ist. Es sei hier darauf hingewiesen, dass die ersten und zweiten Lichtkopplungsenden 103 bzw. 104 sowohl als Faserkoppler 102 als auch als Spleißstellen ausgebildet sein können.
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Ferner ist es möglich, dass die Faserkoppler 102 als Koppler mit gewinkeltem physikalischen Kontakt bzw. als APC (angled physical contact) -Koppler ausgebildet sind. Durch eine derartige Entkopplungsmethode kann das linear polarisierte Primärlicht effizient in die Sensorfaser 101 eingekoppelt werden. Analog zu einem Einkoppeln des Primärlichts in das zweite Lichtkopplungsende 104 der optischen Sensorfaser 101 erfolgt ein Auskoppeln von Sekundärlicht aus der Sensorfaser 101 an dem ersten Lichtkopplungsende 103 der optischen Sensorfaser 101 über beispielsweise einen weiteren Faserkoppler und/oder eine Spleißstelle in den ersten Faserrichtkoppler 107.
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Der erste Faserrichtkoppler 107 gibt einen Teil des eingekoppelten Lichts über eine zweite optische Ableitungsfaser 112 und einen weiteren Faserkoppler 102 an die zweite Auswerteeinheit 204 aus. In der zweiten Auswerteeinheit 204 wird der Polarisationszustand des Sekundärlichts, der sich durch eine Torsion des Messobjekts zusammen mit der Sensorfaser 101 gegenüber dem Polarisationszustand des Primärlichts verändert haben kann, ausgewertet. Mit anderen Worten wird eine zweite Polarisationsdrehung von an dem ersten Lichtkopplungsende 103 ausgegebenem linear polarisierten Sekundärlicht erfasst. Falls es zu einer Polarisationsdrehung, hervorgerufen durch Torsionen bzw. durch eine Veränderung eines Torsionswinkels, gekommen ist, wird dies in Bezug zu einer Richtung einer linearen Polarisation am zweiten Lichtkopplungsende 104 der optischen Sensorfaser 101 durch die zweite Auswerteeinheit 204 festgestellt. Auf diese Weise ist es prinzipiell möglich, Torsionen der optischen Sensorfaser 101 und des mit ihr verbundenen Messobjekts (in 1 nicht gezeigt) zu detektieren.
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Anschließend erfolgt eine Bestimmung eines Torsionswinkels der Sensorfaser 101 auf Grundlage der erfassten ersten und zweiten Polarisationsdrehungen. Durch einen Vergleich der ersten und zweiten Polarisationsdrehungen lassen sich parasitäre Effekte, welche Beispielsweise durch eine Biegung der optischen Sensorfaser 101 hervorgerufen werden, eliminieren oder zumindest reduzieren. Darüber hinaus wird der Vorteil erreicht, dass das Nutzsignal, das heißt diejenige Polarisationsdrehung, die lediglich durch eine Torsion hervorgerufen worden ist, verstärkt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform, welche mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist der erste Faserrichtkoppler 107 und/oder der zweite Faserrichtkoppler 108 als ein polarisationserhaltender Faserrichtkoppler (PM-Koppler) ausgebildet. Damit kann das zur Messung bereitgestellte linear polarisierte Licht über den polarisationserhaltenden Faserrichtkoppler 107 bzw. 108 polarisationserhaltend in die optische Sensorfaser 101 eingekoppelt werden, die als eine Monomode-Messfaser ausgebildet ist.
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Der faseroptische Torsionswinkelsensor 100 gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen weist somit den Vorteil auf, dass durch Biegung der optischen Sensorfaser 101 entstandene parasitäre Polarisationsdrehungen eliminierbar sind. Durch die Messung der Polarisationsdrehung in Vorwärts- und Rückwärts-Richtung, d.h. in den in 1 gezeigten Durchstrahlrichtungen 401 bzw. 402, können durch Messsignalfusion reziproke parasitäre Effekte kompensiert werden. Auf diese Weise wird der weitere Vorteil erzielt, dass das Nutzsignal, d.h. die durch Torsion der optischen Sensorfaser 101 verursachte Polarisationsdrehung von eingekoppeltem linear polarisierten Lichts verstärkt wird. Auf diese Weise ist es möglich, mit einer äußerst geringen Querbeeinflussung durch Biegeeffekte Torsionswinkel bzw. Torsionen entlang eines Rotorblatts einer Windenergieanlage mit hoher Präzision zu bestimmen.
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2 veranschaulicht einen Prinzipaufbau eines weiteren faseroptischen Torsionswinkelsensors mit einer Lichtquelle 205 und einer Lichtumlenkeinheit 300 zur Durchstrahlung der optischen Sensorfaser 101 in zwei entgegengesetzten Richtungen 401, 402, gemäß einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu dem faseroptischen Torsionswinkelsensor 100 gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform weist der faseroptische Torsionswinkelsensor 100' der in 2 dargestellten Ausführungsform lediglich eine einzige Lichtquelle 205 auf. Das aus der Lichtquelle 205 ausgekoppelte und polarisierte Licht wird über einen Faserkoppler 102 und einen optischen Wellenleiter einem Polarisator 113 zugeführt.
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Der Polarisator 113 erzeugt linear polarisiertes Licht, welches über einen weiteren Faserkoppler 102 einem ersten Faserrichtkoppler 107 zugeführt wird. Die Funktionsweise des ersten Faserrichtkopplers 107 entspricht den unter Bezugnahme auf 1 oben erläuterten Faserrichtkopplern. Ein Ausgangssignal des ersten Faserrichtkopplers 107 wird einem ersten Lichtkopplungsende 103 der optischen Sensorfaser 101 zugeführt.
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Das linear polarisierte, in die Sensorfaser 101 eingekoppelte Primärlicht breitet sich in der Sensorfaser 101 in einer ersten Lichtausbreitungsrichtung 401 aus. Die optische Sensorfaser 101 ist als eine Monomodefaser, die nicht polarisationserhaltend ist, ausgebildet ist. An dem zweiten Lichtkopplungsende 104 wird das linear polarisierte Licht ausgekoppelt und einem zweiten Faserrichtkoppler 108 zugeführt. Der Faserrichtkoppler 108 koppelt einen Teil des Lichts über einen Faserkoppler 102 zu einer ersten Auswerteeinheit 203 aus. In der ersten Auswerteeinheit 203 wird das Licht hinsichtlich seines Polarisationszustands (X- und Y-Richtung, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung Z) analysiert. Eine derartige Analyse wird wie folgt durchgeführt: in der ersten Auswerteeinheit 203 wird das linear polarisierte und in seiner Polarisationsrichtung gegebenenfalls gedrehte Licht in zwei orthogonale Achsen aufgeteilt. Der Polarisationswinkel bzw. die Drehung der optischen Sensorfaser 101 kann dann durch Vergleich der beiden Intensitäten bestimmt werden.
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Falls es zu einer Polarisationsdrehung, hervorgerufen durch Torsionen bzw. durch eine Veränderung eines Torsionswinkels, gekommen ist, wird dies in Bezug zu einer Richtung einer linearen Polarisation am Eingang der optischen Sensorfaser 101 (d.h. am ersten Lichtkopplungsende 103) durch die erste Auswerteeinheit 203 festgestellt. Auf diese Weise ist es möglich, Torsionen der optischen Sensorfaser 101 und des mit ihr verbundenen Messobjekts (in 2 nicht gezeigt) zu detektieren.
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Ein Teil des am zweiten Lichtkopplungsende 104 der optischen Sensorfaser 101 über den zweiten Faserkoppler 108 ausgekoppelten Lichts wird über eine Rückkoppelfaser 301 einer Lichtumlenkeinheit 300 zugeführt. Die Lichtumlenkeinheit 300 in der in 2 gezeigten Ausführungsform ist als ein Spiegel ausgebildet. Das rückreflektierte Sekundärlicht wird als Primärlicht zurück über die Rückkoppelfaser 301 und den zweiten Faserkoppler 108 zu dem zweiten Lichtkopplungsende 104 der optischen Sensorfaser 101 geleitet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform, welche mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann die Lichtumlenkeinheit beispielsweise gewählt werden aus der Gruppe, welche besteht aus: einer optischen Faserschleife, einer Spiegelanordnung, einem Faser-Bragg-Gitter, einem Faraday-Spiegel, und jedweder Kombination davon.
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Es sei hier darauf hingewiesen, dass das rückgekoppelte Licht bereits linear polarisiert ist, wobei die Polarisationsdrehung bereits nach einer Durchstrahlung der optischen Sensorfaser 101 in der ersten Lichtausbreitungsrichtung 401 hervorgerufen sein kann. Mit anderen Worten erfährt das rückgekoppelte Licht eine weitere Polarisationsdrehung bei einer Ausbreitung durch die optische Sensorfaser 101 in der zweiten Lichtausbreitungsrichtung 402. Nun breitet sich das rückreflektierte Licht in der zweiten Durchstrahlrichtung 402 (in 2 von rechts nach links) in der optischen Sensorfaser 101 zurück zu dem ersten Lichtkopplungsende 103 aus.
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An dem ersten Lichtkopplungsende 103 wird dieses Licht als Sekundärlicht ausgekoppelt und wird wiederum dem ersten Faserrichtkoppler 107 zugeführt. Der erste Faserrichtkoppler 107 gibt einen Teil des Lichts über eine Auskoppelfaser und einen Faserkoppler 102 zu einer zweiten Auswerteeinheit 204 aus. In der zweiten Auswerteeinheit 204 erfolgt eine Analyse des Polarisationszustands des ausgekoppelten Sekundärlichts in Bezug auf den Polarisationszustand des eingekoppelten Primärlichts. Mit anderen Worten wird das Sekundärlicht in der zweiten Auswerteeinheit 204 hinsichtlich seines Polarisationszustands (X- und Y-Richtung, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung Z) analysiert. Eine derartige Analyse wird wie folgt durchgeführt: in der zweiten Auswerteeinheit 204 wird das linear polarisierte und in seiner Polarisationsrichtung gegebenenfalls gedrehte Licht in zwei orthogonale Achsen aufgeteilt.
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Der Polarisationswinkel bzw. die Drehung der optischen Sensorfaser 101 kann dann durch Vergleich der beiden Intensitäten bestimmt werden. Falls es zu einer Polarisationsdrehung, hervorgerufen durch Torsionen bzw. durch eine Veränderung eines Torsionswinkels in der optischen Sensorfaser 101, gekommen ist, wird dies in Bezug zu einer Richtung einer linearen Polarisation am Eingang der optischen Sensorfaser 101 (d.h. am zweiten Lichtkopplungsende 104) durch die zweite Auswerteeinheit 204 festgestellt. Auf diese Weise ist es möglich, Torsionen der optischen Sensorfaser 101 und des mit ihr verbundenen Messobj ekts zu detektieren.
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Gemäß einer Ausführungsform, welche mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, wird am Ende der Messstrecke, d.h. an dem zweiten Lichtkopplungsende 104 Sekundärlicht zu dem Faserrichtkoppler 108 ausgekoppelten und zu der ersten Auswerteeinheit 203 geleitet. Ferner wird ein Teil des Sekundärlichts an dem Spiegel 300 reflektiert. Das Sekundärlicht durchläuft dann die optische Sensorfaser 101 wieder zurück und erfährt dieselbe Doppelbrechung wie der Hinstrahl. Hier wird durch die zirkuläre Doppelbrechung in der Sensorfaser 101 das Licht polarisationsmäßig wieder zurückgedreht. Hingegen wirkt die lineare Doppelbrechung erneut. Da sich die zweite Auswerteeinheit 204 und die Achse des Polarisators nebeneinander befinden (beispielsweise bei der auf einer Glasplatte), ist kein relativer Versatz zwischen diesen Achsen vorhanden. Dementsprechend wird keine Änderung im Torsionswinkel berechnet, und lediglich die Verfälschung des Torsionswinkels durch die lineare Doppelbrechung wird bestimmt.
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3 veranschaulicht einen Prinzipaufbau eines weiteren faseroptischen Torsionswinkelsensors 100" mit einer Lichtquelle 205 und einer modifizierten Lichtumlenkeinheit 300, gemäß noch einer weiteren Ausführungsform. In der in 3 gezeigten Ausführungsform besteht die Lichtumlenkeinheit 300 aus einer Lichtwellenleiterschleife bzw. einer Faserschleife, die mit der Rückkoppelfaser 301 verbunden ist. Sekundärlicht, welches aus dem zweiten Faserrichtkoppler 108 zu der Rückkoppelfaser 301 ausgekoppelt wird, wird dann als Primärlicht zurück über den zweiten Faserrichtkoppler 108 und das zweite Lichtkopplungsende 104 in die optische Sensorfaser 101 eingekoppelt.
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Da in der in 3 gezeigten Ausführungsform statt eines Spiegels, wie in der in 2 gezeigten Ausführungsform, eine Faserschleife 300 zur Rückkopplung des ausgekoppelten Sekundärlichts herangezogen wird, wirkt hier die zirkulare Doppelbrechung auch doppelt, durch Hinstrahl und Rückstrahl, anstatt dass eine Eliminierung durch den Rückstrahl auftritt. Gemäß einer Ausführungsform, welche mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist somit durch einen Vergleich der Signalauswertungen, welche durch die in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen bereitgestellt werden, eine Möglichkeit geschaffen, den Torsionswinkel der optischen Sensorfaser 101 ohne störende Doppelbrechungseinflüsse zu bestimmen.
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Die übrigen in 3 gezeigten Komponenten oder Teile des faseroptischen Torsionswinkelsensors 100" entsprechen dem in 2 gezeigten Torsionswinkelsensor 100'. Zur Vermeidung einer redundanten Beschreibung wird auf diese Komponenten oder Teile hier nicht erneut eingegangen.
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Mittels der in 3 dargestellten Ausführungsform eines faseroptischen Torsionswinkelsensors 100" ist es möglich, Doppelbrechungseffekte in der optischen Sensorfaser 101 zu quantifizieren. Doppelbrechungseffekte können in der optischen Sensorfaser 101 auftreten, wobei eine derartige Doppelbrechung eine Anzeige des Torsionswinkels der optischen Sensorfaser 101, verbunden mit dem Messobjekt, verfälscht. Durch das Quantifizieren der Doppelbrechung kann die Biegeunabhängigkeit des faseroptischen Torsionswinkelsensors 100 erhöht werden. Zusätzlich ist es möglich, die Reproduzierbarkeit der Messung zu erhöhen, da die Torsionswinkelmessung unabhängig von der Anordnung bzw. Verlegung der optischen Sensorfaser 101 entlang des Messobjekts ist. Es sei darauf hingewiesen, dass durch die Kombination der Signalanalysen von Signalen, wie sie durch die Messungen gemäß Ausführungsformen nach 2 und 3 bereitgestellt werden, Doppelbrechungseffekte in der optischen Sensorfaser 101 quantifiziert werden können. Auf diese Weise ist es möglich, einen biegeunempfindlichen faseroptischen Torsionswinkelsensor bereitzustellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform, welche mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann zur Messung von Torsionen bzw. Torsionswinkels in die optische Sensorfaser 101 mit dem Messobjekt an einer Stelle verbunden werden, welche unempfindlich gegenüber Biegungen der optischen Sensorfaser 101 ist. Die Sensorfaser kann ferner mit dem Messobjekt eine kompakte Einheit bilden, beispielsweise kann die optische Sensorfaser 101 in das Messobjekt, wie beispielsweise in ein Rotorblatt einer Windenergieanlage, eingewoben bzw. eingeflochten sein.
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Gemäß einer weiteren Modifikation kann die optische Sensorfaser 101 des faseroptischen Torsionswinkelsensors 100 in der neutralen Faser der Struktur des Messobjekts angeordnet werden. Bei der neutralen Faser des Messobjekts handelt es sich um denjenigen Querschnittsbereich des Messobjekts, dessen Länge sich bei einem Biegevorgang nicht ändert. Mit anderen Worten verursacht eine Biegung der Messobjekt-Struktur keine Zug- oder Druckspannungen entlang der neutralen Faser. Somit verläuft die neutrale Faser durch den geometrischen Schwerpunkt der Querschnittsfläche des Messobjekts. Auf diese Weise wird der Vorteil erreicht, dass durch die Anordnung der optischen Sensorfaser 101 in der neutralen Faser der Messobjekt-Struktur eine nahezu vollständige Unempfindlichkeit gegenüber Biegungen aufweist.
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Gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen wird der Vorteil erzielt, dass durch die gleichzeitige oder sequenzielle Vorwärts- und Rückwärtsmessung der Polarisationsdrehung in der optischen Sensorfaser 101 das nicht-reziproke Messsignal verdoppelt oder zumindest erhöht werden kann, wobei die reziproken parasitären Polarisationsdrehungen, die durch Quereinflüsse hervorgerufen werden können, beseitigt oder zumindest reduziert werden können.
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Es sei hier darauf hingewiesen, dass die durch Quereinflüsse erzeugten reziproken parasitären Polarisationsdrehungen im Wesentlichen durch eine Mikrobiegung der Sensorfaser 101 und nicht durch eine Makrobiegung des Messobjekts hervorgerufen werden. Daher ist eine Kompensation derartiger unerwünschter Effekte nur durch Messung in ein und derselben optischen Sensorfaser 101 möglich.
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Das Verfahren zum Erfassen von Torsionen eines Messobjekts gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen, welche mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, beinhaltet ein Anbringen einer optischen Sensorfaser 101, welche ein erstes Lichtkopplungsende 103 und ein zweites Lichtkopplungsende 104 aufweist, an dem Messobjekt; ein Durchstrahlen der optischen Sensorfaser 101 mit linear polarisiertem Licht von dem ersten Lichtkopplungsende 103 zu dem zweiten Lichtkopplungsende 104; ein Durchstrahlen der optischen Sensorfaser 101 mit linear polarisiertem Licht von dem zweiten Lichtkopplungsende 104 zu dem ersten Lichtkopplungsende 103; ein Erfassen einer ersten Polarisationsdrehung von an dem zweiten Lichtkopplungsende 104 ausgegebenem linear polarisierten Licht; ein Erfassen einer zweiten Polarisationsdrehung von an dem ersten Lichtkopplungsende ausgegebenem linear polarisierten Licht; und ein Bestimmen eines Torsionswinkels der Sensorfaser auf Grundlage der erfassten ersten und zweiten Polarisationsdrehungen.
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Gemäß einer Ausführungsform, welche mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, werden die Schritte eines Durchstrahlens der optischen Sensorfaser 101 und eines Erfassens der Polarisationsdrehungen gleichzeitig oder sequenziell durchgeführt. Mit anderen Worten stellt das Verfahren gemäß einer Ausführungsform, welche mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, eine Torsionswinkelmessung eines Messobjekts mithilfe eines faseroptischen Torsionswinkelsensors 100 bereit, wobei die folgenden Schritte ausgeführt werden:
- • eine Lichtquelle emittiert unpolarisiertes Licht;
- • das Licht wird über eine Glasfaser zu der optischen Sensorfaser 101 an dem Messobjekt geleitet;
- • das Licht wird über einen linear Polarisator in einer polarisationserhaltenden Faser (PM-Faser) geführt;
- • das linear polarisierte Licht wird über einen polarisationserhaltenden Faserrichtkoppler in die optische Sensorfaser 101 eingekoppelt, die als eine Monomode-Messfaser (SM-Faser) ausgebildet ist;
- • das linear polarisierte Licht wird über die Monomode-Messfaser entlang des Messobjekts geführt;
- • durch die Radialsymmetrie der Monomode-Messfaser kann sich das Messobjekt hierbei über die Messstrecke ideal torsional verdrehen, ohne dass die Polarisationsrichtung der geführten elektromagnetischen Welle beeinflusst wird;
- • am Ende der Messstrecke wird das linear polarisierte Licht in einen weiteren polarisationserhaltenden Faserrichtkoppler 107 bzw. 108 gekoppelt;
- • über eine polarisationserhaltende Glasfaser wird das Messsignal zu einer Auswerteeinheit geleitet;
- • die Auswerteeinheit misst den Polarisationswinkel des linear polarisierten Lichts und damit eine Polarisationsdrehung, d.h. eine Drehung der Polarisation des ausgekoppelten Sekundärlichts gegenüber der Polarisation des eingekoppelten Primärlichts;
- • gleichzeitig oder sequenziell wird dann in entgegengesetzter Richtung der gleiche Vorgang durchlaufen und das Rück-Messsignal wird mit einem zweiten Messkanal ausgewertet.
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Durch eine Signalfusion der Vorwärts- und Rückwärtsmessung können im Messgerät oder in nachgeschalteten Signalprozessoren Störsignale unterdrückt oder zumindest verringert werden. Ferner ist es möglich, das eigentliche Messsignal zu verdoppeln oder zumindest beträchtlich zu erhöhen. Biegeeffekte, die beispielsweise durch das als Rotorblatt bereitgestellte Messobjekt hervorgerufen werden, wirken mikroskopisch auch auf die optische Sensorfaser 101 und bewirken parasitäre Polarisationsdrehungen gleichgerichtet in beide Richtungen. Auf diese Weise können derartige gleichgerichtete Störungen mittels Signalverarbeitung eliminiert oder zumindest reduziert werden.
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Das Verfahren gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen gestattet es somit, bei Messungen an einem Rotorblatt einer Windenergieanlage einen Torsionswinkel bis hin zur Blattspitze zu erfassen, ohne dass ein freies Sichtfeld bereitgestellt werden muss. Ferner kann die Biegequerempfindlichkeit durch Bestimmung und Kompensation der parasitären Polarisationsdrehungen unterdrückt oder zumindest verringert werden. Durch die zweifache Messung in der Sensorfaser, d.h. in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung, kann das Nutzsignal praktisch verdoppelt werden. Der Einfluss von Temperatureffekten kann durch die Messung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung weiter verringert werden, was eine Langzeitbetrachtung des Torsionswinkels ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform, welche mit hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, können mikroskopische parasitäre Effekte in der optischen Sensorfaser 101 selbst bestimmt werden. Zusätzlich zu den mikroskopischen Effekten können auch makroskopische Effekte bestimmt werden. Externe Einflüsse durch Temperatur, Biegekräfte und sonstige Kräfte auf die Messstrecke können teilweise kompensiert werden. Hierdurch steigt im Allgemeinen die Robustheit des faseroptischen Sensorsystems, wodurch die Messgenauigkeit erhöht und Störeinflüsse verringert werden können.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand typischer Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Auch ist die Erfindung nicht auf die genannten Anwendungsmöglichkeiten beschränkt.
