DE102019101630A1

DE102019101630A1 - Faseroptischer Sensor und Verfahren

Info

Publication number: DE102019101630A1
Application number: DE102019101630.4A
Authority: DE
Inventors: Sascha Kienitz; Markus Schmid
Original assignee: fos4X GmbH
Current assignee: fos4X GmbH
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2020-07-23

Abstract

Es wird ein faseroptischer Sensor (110) bereitgestellt, der einen Lichtleiter (112) mit einem Ende; und einen Sensorkörper (300), an welchem eine optische Resonatoranordnung (302) ausgebildet ist und der mit dem Ende des Leichtleiters optisch verbunden ist, aufweist. Der Sensorkörper weist ein erste optische Umlenkeinheit (304) und eine zweite optische Umlenkeinheit (306) auf, wobei die erste und die zweite Umlenkeinheit an gegenüberliegenden Seiten der optischen Resonatoranordnung angebracht sind. Der Sensorkörper weist ein Substrat (310) auf, wobei ein Störstellenbereich (312) in dem Substrat hinter der zweiten optischen Umlenkeinheit angeordnet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen im Allgemeinen einen Sensor, insbesondere einen faseroptischen Sensor, welcher beispielsweise ausgelegt ist zur Erfassung von Druck, Druckvariationen, von akustischen und statischen Signalen, zur Messung in Fluiden und/oder zur Steuerung und Regelung von Windkraftanlagen. Ferner betreffen Ausführungsformen ein Verfahren zum Herstellen eines faseroptischen Sensors.
STAND DER TECHNIK
In faseroptischen Sensoren, die in Reflexionsrichtung ausgelesen werden, wird im Allgemeinen ein starker Spiegel eingesetzt werden, damit keine parasitären Reflexionen beobachtet werden. Jedoch ist dieser herkömmliche faseroptische Sensor durch die unterschiedlichen Spiegel des Resonator ist dieser nicht „impedanzangepasst“. Es kann zur Entstehung eines Hintergrunds kommen. In herkömmlichen faseroptischen Sensoren findet man daher oft einen metallischen Spiegel, der ca. 90% des Strahlengangs reflektiert.
Es ist daher erstrebenswert, faseroptischen Sensoren zur Druckerfassung weiter zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform wird ein faseroptischer Sensor bereitgestellt, der einen Lichtleiter mit einem Ende und einen Sensorkörper, an welchem eine optische Resonatoranordnung ausgebildet ist und der mit dem Ende des Leichtleiters optisch verbunden ist, umfasst. Der Sensorkörper weist ein erste optische Umlenkeinheit und eine zweite optische Umlenkeinheit auf, wobei die erste und die zweite Umlenkeinheit an gegenüberliegenden Seiten der optischen Resonatoranordnung angebracht sind. Der Sensorkörper weist ein Substrat auf, wobei ein Störstellenbereich in dem Substrat hinter der zweiten Umlenkeinheit angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein faseroptischer Sensor bereitgestellt, der einen Lichtleiter mit einem Ende und einen Sensorkörper, an welchem eine optische Resonatoranordnung ausgebildet ist und der mit dem Ende des Leichtleiters optisch verbunden ist, umfasst. Der Sensorkörper weist eine erste optische Umlenkeinheit und eine zweite optische Umlenkeinheit auf, wobei die erste und die zweite Umlenkeinheit an gegenüberliegenden Seiten der optischen Resonatoranordnung angebracht sind. Die erste optische Umlenkeinheit und die zweite optische Umlenkeinheit weisen im Wesentlichen denselben Reflexionsgrad auf.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen eines faseroptischen Sensors bereitgestellt. Das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Sensorkörpers mit einem Substrat; Bilden einer optischen Resonatoranordnung in dem Sensorkörper, wobei der Sensorkörper eine erste optische Umlenkeinheit und eine zweite optische Umlenkeinheit aufweist; Ausbilden eines Störstellenbereichs in dem Substrat des Sensorkörpers hinter der zweiten Umlenkeinheit; Positionieren einer Lichtquelle an dem Sensorkörper an einer Messposition derart, dass eine von der Lichtquelle emittierte optische Strahlung die optischen Resonatoranordnung durchquert; und Befestigen der Lichtquelle an den Sensorkörper in der Messposition.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen eines faseroptischen Sensors bereitgestellt. Das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Sensorkörpers; Bilden einer optischen Resonatoranordnung in dem Sensorkörper, wobei der Sensorkörper eine erste Umlenkeinheit und eine zweite Umlenkeinheit aufweist, wobei die erste und die zweite Umlenkeinheit im Wesentlichen denselben Reflexionsgrad aufweisen; Positionieren einer Lichtquelle an dem Sensorkörper an einer Messposition derart, dass eine von der Lichtquelle emittierte optische Strahlung die optischen Resonatoranordnung durchquert; und Befestigen der Lichtquelle an den Sensorkörper in der Messposition.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1A und 1B zeigen schematisch einen faseroptischen Sensor mit einer Resonatoranordnung in einem Längsschnitt entlang einer Lichtleiterachse, gemäß einer Ausführungsform;
2 zeigt schematisch einen faseroptischen Sensor mit einer Resonatoranordnung in einem Längsschnitt entlang einer Lichtleiterachse, gemäß einer Ausführungsform;
3 zeigt schematisch einen Teil einer Windkraftanlage mit Rotorblättern und daran angebrachten Drucksensoren; und
4 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Herstellen eines faseroptischen Sensors gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen.
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird detaillierter Bezug genommen auf verschiedene Ausführungsformen der Erfindung, wobei ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind.
1A und 1B zeigen schematisch einen faseroptischen Sensor 110 in einem Längsschnitt entlang einer Lichtleiterachse eines Lichtleiters 112, gemäß einer Ausführungsform. Wie in 1A und 1B gezeigt, kann sich der Lichtleiter 112 neben einem Sensorkörper 300 erstrecken. An oder in dem Sensorkörper 300 kann eine optische Resonatoranordnung 302 ausgebildet sein. Die optische Resonatoranordnung 302 kann mit einem Ende des Lichtleiters 112 optisch verbunden sein. Die optische Resonatoranordnung 302 kann einen oder mehrere optische Resonatoren aufweisen.
Der Sensorkörper 300 kann eine erste optische Umlenkeinheit 304 und eine zweite optische Umlenkeinheit 306 aufweisen. Die erste optische Umlenkeinheit 304 und die zweite optische Umlenkeinheit 306 können auch Teil der Resonatoranordnung 302 sein. Insbesondere können die erste optische Umlenkeinheit 304 und die zweite optische Umlenkeinheit 306 an gegenüberliegenden Enden oder Seiten der Resonatoranordnung angebracht sein. Beispielsweise kann die erste optische Umlenkeinheit 304 in Richtung der Lichtleiterachse näher am Lichtleiter 112 angeordnet sein als die zweite optische Umlenkeinheit 306.
Der Lichtleiter 112 kann eine Lichtaustrittsfläche aufweisen, durch die Licht in den Sensorkörper transmittieren kann. Die optische Resonatoranordnung 302 kann insbesondere zwischen der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters 112 und der zweiten optischen Umlenkeinheit 306 entlang einer Erstreckung 101, 103 ausgebildet sein. Ferner kann auch das Ende des Lichtleiters 112, insbesondere die Lichtaustrittsfläche, als erste optische Umlenkeinheit 304 verwendet werden.
Zum Beispiel kann die Resonatoranordnung ein Fabry-Perot-Resonator sein. In dem Fall kann die erste optische Umlenkeinheit 304 ein Ende des Lichtleiters 112 sein. Dies bedeutet, dass die erste optische Umlenkeinheit 304 in diesem Fall keinen Spiegel im Sinne des Fabry-Perot-Resonators sein muss. Die erste optische Umlenkeinheit 304 kann im Strahlengang zwischen der Lichtaustrittsfläche und der zweiten optischen Umlenkeinheit 306 zur Verfügung gestellt sein. Die erste optische Umlenkeinheit 304 kann in einem Winkel von 30° bis 60° relativ zu einer optischen Achse des Lichtleiter bzw. der optischen Faser angeordnet sein. Zum Beispiel kann der Spiegel in einem Winkel von 45° ausgebildet sein.
Der Sensorkörper 300 kann ferner eine Substrat 310 aufweisen. In dem Substrat 310 kann hinter der zweiten optischen Umlenkeinheit 306 ein Störstellenbereich 312 angeordnet sein. Insbesondere kann der Störstellenbereich 312 intrinsisch in den Faseroptischen Sensor 110, insbesondere in das Substrat 310, eingebracht sein. Der Störstellenbereich 312 kann dazu ausgelegt sein, Strahlung, die durch die zweite optische Umlenkeinheit 306 transmittiert wird, diffus zu verstreuen. Dadurch kann in der Praxis erreicht werden, dass die transmittierte Strahlung nicht mehr parasitär an anderer Stelle reflektiert wird. Gemäß hierein beschriebener Ausführungsformen, die mit anderen hierein beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann der Störstellenbereich 312 konfiguriert sein, um durch die zweite optische Umlenkeinheit transmittiertes Licht zu terminieren und/oder zu zerstrahlen.
Gemäß hierein beschriebener Ausführungsformen kann ein optischer Terminator (der Störstellenbereich 312) eingebracht werden, um die Resonatoranordnung in Reflexion auswerten zu können, ohne dabei von parasitären Reflexionen hinter der zweiten optischen Umlenkeinheit gestört zu werden. Dies kann insbesondere dann eintreten, wenn die beiden Umlenkeinheiten denselben Reflexionsgrad deutlich kleiner als 1 haben, da hierbei viel parasitäres Licht nach Austritt an der zweiten optischen Umlenkeinheit (der Faser abgewandten Seite) das reflektierte Signal stören kann. Insbesondere durch die Verwendung eines Kantenfiltermesssystems kann die Finesse der Resonatoranordnung geringer ausgelegt und entsprechend auch optische Umlenkeinheiten mit geringerer Reflektivität verwendet werden.
Gemäß hierein beschriebener Ausführungsformen, die mit anderen hierein beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann die die erste und die zweite optische Umlenkeinheit 304, 306 im Wesentlichen denselben Reflexionsgrad aufweisen. In der Praxis kann dadurch die Modulation des Fabry Perot Effekt sich stärker ausbilden. Des Weiteren lassen sich größere Temperaturbereiche in der Anwendung realisieren. Beispielsweise kann der Reflexionsgerad der ersten und/oder zweiten optischen Umlenkeinheit 304, 306 deutlich kleiner als 1, beispielswiese ca. 0,035, sein.
Gemäß hierein beschriebener Ausführungsformen, die mit anderen hierein beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann die erste optische Umlenkeinheit 304 und/oder die zweite optische Umlenkeinheit 306 Spiegel, insbesondere nicht-metallische Spiegel, sein. In der Praxis kann somit auf eine instabiles Bonding eines Metallspiegels auf Glas verzichten werden (z.B. CTE Unterschied Fused Silica vs Aluminium).
In dem Sensorkörper 300 kann eine Kavität (nicht gezeigt) ausgebildet sein. Insbesondere kann die optische Resonatoranordnung 302 eine Kavität bilden. Die Kavität kann zwischen der ersten und zweiten optischen Umlenkeinheit 304, 306 ausgebildet sein. Insbesondere kann die erste optische Umlenkeinheit 304 und die zweite optische Umlenkeinheit 306 an gegenüberliegenden Seiten der Kavität angeordnet sein.
An einem Ende oder in der Nähe des Endes des Lichtleiters 112 kann die erste optische Umlenkeinheit 304 angebracht sein, welche dazu dienen kann, aus dem Lichtleiter austretendes Licht um ungefähr 90° in Richtung auf den Sensorkörper 300, zum Beispiel um 60° bis 120°, und damit auf die Kavität umzulenken. Das Ende des Lichtleiters 112 kann hierbei sowohl als Lichtaustrittsfläche zum Emittieren von Licht in Richtung zur ersten optischen Umlenkeinheit 304 als auch als Lichteintrittsfläche zum Aufnehmen von Licht, welches aus der Kavität zurück reflektiert wird dienen. Alternativ kann die erste optische Umlenkeinheit 304 auch ein Ende des Lichtleiters 112 sein.
Der beispielsweise als ein Substrat ausgebildete Sensorkörper 300 kann derart durchstrahlt werden, dass Licht in die Kavität eintreten und an der zweiten optischen Umlenkeinheit 306 reflektiert werden kann. Die Oberseite und die Unterseite der Kavität können somit eine optische Resonatoranordnung bilden, wie beispielsweise einen Fabry-Perot-Resonator. Das Spektrum des in die optische Faser zurückgeworfenen Lichts kann ein Interferenzspektrum zeigen, insbesondere Interferenzmaxim a bzw. Interferenzminima, deren Lage von der Größe der optischen Resonatoranordnung abhängt. Durch eine Analyse der Lage der Maxima bzw. Minima im reflektierten Spektrum kann eine Veränderung der Resonatoranordnung-Größe detektiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen der faseroptische Drucksensor 110 und/oder das Ende des Lichtleiters 112 mindestens eine optische Strahlformungskomponente auf, beispielsweise am Ende des Lichtleiterkerns, um den aus dem Lichtleiterkern austretenden Lichtstrahl zu formen, beispielsweise um denselben aufzuweiten. Die optische Strahlformungskomponente weist mindestens eines der folgenden auf: eine Gradientenindex-Linse (GRIN-Linse), einen Mikrospiegel, ein Prisma, eine Kugellinse, und jedwede Kombination davon.
Gemäß Ausführungsformen, welche mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar sind, kann die optische Resonatoranordnung 302 als ein Fabry-Perot-Interferometer ausgebildet sein, das eine Kavität mit der ersten und/oder zweiten optischen Umlenkeinheit 304, 306 bildet.
Gemäß Ausführungsformen, welche mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar sind, kann die optische Resonatoranordnung 302 eine Kavität bilden, welche luftdicht zur Umgebung abgeschlossen ist und einen vorbestimmten Innendruck aufweist. Auf diese Weise wird die Möglichkeit bereitgestellt, eine auf den Innendruck bezogene Referenzmessung auszuführen. Für eine Messung eines statischen Drucks kann der Bereich der optischen Resonatoranordnung 302 vom Umgebungsdruck getrennt sein, so dass bei einer Änderung des Umgebungsdrucks, eine Bewegung der Membran stattfindet. Für die Messung eines Schalldruckpegel, ist die Membran ausgestaltet um bei einem entsprechenden Schalldruck eine Bewegung, insbesondere eine oszillierende Bewegung auszuführen, die über der optischen Resonatoranordnung in ein optisches Signal übertragen wird.
Gemäß weiteren Ausführungsformen, welche mit hierin beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar sind, kann die optische Resonatoranordnung 302 eine Kavität bilden, welche luftdicht zur Umgebung abgeschlossen ist und evakuiert ist und/oder einen vorbestimmten Innendruck aufweist.
In den 1A und 1B ist das Sensorelement 300 außerhalb des Lichtleiters 112 dargestellt. Alternativ hierzu kann bei einem faseroptischen Sensor 120 das eigentliche Sensorelement 300 oder Sensorkörper 300 innerhalb des Lichtleiters 112, beispielsweise einer optischen Faser 112, zur Verfügung gestellt sein, beispielsweise in Form eines Faser-Bragg-Gitters 206. Dies ist in Bezug auf die 2 beschrieben.
2 zeigt einen in einen Lichtwellenleiter integrierten Sensor bzw. einen faseroptische Sensor 210, welche ein Faser-Bragg-Gitter 206 aufweist. Obwohl in Figur nur ein einziges Faser-Bragg-Gitter 206 gezeigt ist, ist zu verstehen, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf ein einzelnes Faser-Bragg-Gitter 206 beschränkt ist, sondern dass längs des Lichtleiters 112 eine Vielzahl von Faser-Bragg-Gittern 206 angeordnet sein können.
2 zeigt somit nur einen Abschnitt eines optischen Wellenleiters, welcher als Sensorfaser, optischer Faser bzw. Lichtleiter 112 ausgebildet sein kann, wobei diese Sensorfaser empfindlich auf eine Faserdehnung (siehe Pfeil 208) sein kann. Es sei hier darauf hingewiesen, dass der Ausdruck „optisch“ bzw. „Licht“ auf einen Wellenlängenbereich im elektromagnetischen Spektrum hinweisen soll, welcher sich vom ultravioletten Spektralbereich über den sichtbaren Spektralbereich bis hin zu dem infraroten Spektralbereich erstrecken kann. Die Bezeichnung des optischen Sensors, wie hierin verwendet, kann demnach zum Beispiel mit eine Lichtquelle verbunden sein, die auch als Primärlicht bezeichnet werden kann. Eine Mittenwellenlänge des Faser-Bragg-Gitters 206, d.h. eine so genannte Bragg-Wellenlänge A.B. wird durch die folgende Gleichung erhalten:
$λ B = 2 \cdot nk \cdot Λ .$
Hierbei ist nk die effektive Brechzahl des Grundmodus des Kerns der optischen Faser und A die räumliche Gitterperiode (Modulationsperiode) des Faser-Bragg-Gitters 206.
Eine spektrale Breite, die durch eine Halbwertsbreite der Reflexionsantwort gegeben sein kann, kann von der Ausdehnung des Faser-Bragg-Gitters 206 längs des Lichleiters abhängen. Die Lichtausbreitung innerhalb der Sensorfaser bzw. des Lichteiters 122 ist somit durch die Wirkung des Faser-Bragg-Gitters 206 beispielsweise abhängig von Kräften, Momenten und mechanischen Spannungen sowie Temperaturen, mit der die Sensorfaser, d.h. die optische Faser und insbesondere das Faser-Bragg-Gitter 206 innerhalb der Sensorfaser beaufschlagt werden.
Das Faser-Bragg-Gitter 206 kann dabei die erste und zweite optische Umlenkeinheit 304, 306 aufweisen. Insbesondere kann die letzte Umlenkeinheit des Faser-Bragg-Gitters 206 die zweite optische Umlenkeinheit 306 sein, hinter der der Störstellenbereich 312 angeordnet sein kann. Hier kann also der Lichtleiter 112 das Substrat 310 des Sensorkörper 300 bilden und/oder das Faser-Bragg-Gitter 206 die Resonatoranordnung 302. Insbesondere im Falle eines Faser-Bragg-Gitters kann die Resonatoranordnung mehrere Resonatoren oder Teilresonatoren aufweisen. Die Resonatoren oder Teilresonatoren können durch die einzelnen Gitter des Faser-Bragg-Gitter 206 gebildet werden. Gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen, die mit anderen hierein beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden könne, kann wobei der Sensorkörper 302 den Lichtleiter 112 aufweist und die erste optische Umlenkeinheit 304 und die zweite optische Umlenkeinheit 306 in dem Lichtleiter 112 angeordnet sein.
Wie in 2 gezeigt, kann elektromagnetische Strahlung 214 oder Primärlicht von links in die optische Faser bzw. den Lichtleiter 112 eintreten, wobei ein Teil die elektromagnetische Strahlung 214 als ein transmittiertes Licht 216 mit einem im Vergleich zur elektromagnetischen Strahlung 124 veränderten Wellenlängenverlauf austritt. Ferner ist es möglich, reflektiertes Licht 215 am Eingangsende der Faser (d.h. an dem Ende, an welchem auch das elektromagnetische Strahlung 214 eingestrahlt wird) zu empfangen, wobei das reflektierte Licht 215 ebenfalls eine modifizierte Wellenlängenverteilung aufweisen kann. Das transmittierte Licht 216 kann vom Störstellenbereich 312 terminiert, zerstrahlt und/oder diffus gestreut werden.
Die in den 1A, 1B und 2 dargestellten Komponenten eines faseroptischen Sensors 110, 210 können gemäß beispielhaften Ausführungsformen aus folgenden Materialien bestehen. Der Lichtleiter 112 kann zum Beispiel eine Glasfaser, eine optische Faser oder ein Lichtwellenleiter sein, wobei Materialien wie optische Polymere, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Quarzglas, Ethylen-Tetrafluorethylen verwendet werden können, die gegebenenfalls dotiert sind. Das Substrat 310 bzw. eine darin ausgestaltete optische Umlenkeinheit 306 kann zum Beispiel Silizium aufweisen.
Um einen faseroptischen Sensor 110, 210 beispielsweise in einer Windkraftanlage einzusetzen, kann der faseroptische Sensor an einem Rotorblatt, insbesondere in einem äußeren radialen Bereich, zur Verfügung gestellt werden. Hierbei ist es von Vorteil, wenn der faseroptischen Sensor 110, 210 in einem Querschnitt senkrecht zum Lichtleiter 112 eine geringe Abmessungen aufweist. Zum Beispiel kann eine maximale Abmessung in einem Querschnitt senkrecht zur Achse des Lichtleiter 112 10 mm oder weniger betragen, und kann insbesondere 5 mm oder weniger betragen.
4 zeigt eine Windkraftanlage 400. Die Windkraftanlage 400 kann einen Turm 402 und eine Gondel 403 aufweisen. An der Gondel 403 kann eiun Rotor 500 befestigt sein. Der Rotor 500 kann eine Nabe 405, an der Rotorblätter 100 befestigt sind aufweisen. Gemäß typischen Ausführungsformen kann der Rotor 500 zumindest zwei Rotorblätter, insbesondere drei Rotorblätter, aufweisen. Beim Betrieb der Windenergieanlage bzw. der Windkraftanlage rotiert der Rotor 500, d.h. die Nabe 405 mit den Rotorblättern 100 um eine Achse. Dabei wird ein Generator zur Stromerzeugung angetrieben. Wie in 4 dargestellt, kann zumindest ein faseroptischer Sensor 110, 210 an einem Rotorblatt 100 zur Verfügung gestellt. Der faseroptischer Sensor 110, 210 kann über eine Signalleitung bzw. einen Lichtleiter 112 mit einer Auswerteeinheit 114 verbunden sein. Eine Auswerteeinheit 414 kann z.B. ein Signal an eine Steuerungseinheit 404 der Windkraftanlage 400 liefern.
Hierbei ist es beispielsweise für den Einsatz in Rotorblättern von Windkraftanlagen bzw. für die Verfahren zur Überwachung von Windkraftanlagen besonders günstig, dass der Druck bzw. die Beschleunigung in einer Richtung senkrecht zur Längserstreckung des Lichtleiters 112 gemessen wird. Windenergieanlagen unterliegen einer komplexen Steuerung, die zum Beispiel durch wechselnde Betriebsbedingungen notwendig sein kann. Bei der Überwachung von Betriebszuständen von Windenergieanlagen wird eine Mehrzahl von Sensoren verwendet. Zum Beispiel können Druckmessungen zur Bestimmung eines Drucks an einem Rotorblatt, Dehnungsmessungen zur Messung der Biegung eines Rotorblatts, Beschleunigungsmessungen zur Messung einer Beschleunigung eines Rotorblatts oder andere Größen gemessen werden. Eine Gruppe von Sensoren, die als Erfolg versprechend für zukünftige Applikationen erscheint, sind faseroptische Sensoren.
Durch die mit dem Betrieb einer Windkraftanlage verknüpften Bedingungen, zum Beispiel Druck- und Temperaturschwankungen, Witterung und Wetterverhältnisse, aber auch insbesondere stark wechselnde Windverhältnisse, sowie durch die Vielzahl von gesetzlich vorgeschriebenen Sicherheitsmaßnahmen sind die Überwachung und die für die Überwachung notwendigen Sensoren einer Vielzahl von Randbedingungen unterworfen. Zum Beispiel kann im Betrieb eine Druckvariation an den Rotorblättern auftreten. Hierbei kann eine Instabilität entlang der Rotorblattachse auftreten, welche den Betrieb der Windkraftanlage stört und die Energieausbeute verringert. Ferner besteht die Möglichkeit, dass es in einzelnen Rotorblättern zu einer Druckänderung und damit zu Vibrationen bzw. Oszillationen kommt. Dies führt in vielen Fällen zu kritischen Betriebszuständen, welche aufwändige Steuerungs- und/oder Regelungs-Maßnahmen erfordern. Ferner kann durch eine Druckmessung direkt am Rotorblatt eine für eine Energieausbeute effiziente Einstellung eines Pitch-Winkels aufgefunden werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, handelt es sich bei dem faseroptischen Sensor 110, 210 um einen faseroptischen Drucksensor. Für faseroptische Drucksensoren wird ein optisches Signal wie zum Beispiel ein Interferenzspektrum mittels eines Lichtleiters 112, wie etwa einer optischen Faser, an die Auswerteeinheit 414 übertragen. Bei einem faseroptischen Drucksensor 110. 210 kann das Sensorelement selbst außerhalb einer optischen Faser zur Verfügung gestellt werden oder in diesem enthalten sein. Beispiele sind im Detail in Bezug auf die 1A, 1B und 2 beschrieben. Jedes Rotorblatt 100 kann separat eine individuelle Druckverteilung aufweisen. Daher wird gemäß manchen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, mindestens ein faseroptischer Sensor 110, 210 in jedem Rotorblatt 100 zur Verfügung gestellt.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Herstellen eines faseroptischen Sensors gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen.
Ein Herstellen eines faseroptischen Sensors 110, 210 kann bei einem Block 801 gestartet werden. In einem Block 702 kann ein Bereitstellen des Sensorkörpers 300 mit mindestens mit einem Substrat 310 erfolgen. In einem Block 803 kann Bilden einer optischen Resonatoranordnung 302 in dem Sensorkörper 300 erfolgen, wobei der Sensorkörper 300 eine erste optische Umlenkeinheit 304 und eine zweite optische Umlenkeinheit 306 aufweisen kann. In einem Block 804 kann ein Ausbilden eines Störstellenbereichs 3123 in dem Substrat 310 des Sensorkörpers 300 hinter der zweiten optischen Umlenkeinheit 306 erfolgen. In einem Block 805 kann ein Positionieren einer Lichtquelle an dem Sensorkörper 300 an einer Messposition derart erfolgen, dass eine von der Lichtquelle 30) emittierte optische Strahlung die optischen Resonatoranordnung 302 durchqueren kann. In einem Block 806 kann ein Befestigen der Lichtquelle an dem Sensorkörper 302 in der Messposition erfolgen. Die Prozedur kann in einem Block 808 beendet werden.
Gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann das Befestigen der Lichtquelle an den Sensorkörper 302 in der Messposition mittels Kleben oder Löten durchgeführt wird.
Gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann das Positionieren der Lichtquelle so erfolgt, dass eine von den Lichtquelle emittierte und mittels der ersten optischen Umlenkeinheit umgelenkte optische Strahlung die optische Resonatoranordnung an einer räumlichen Position durchquert, die einer vorgegebenen Transmissionswellenlänge entspricht.
Weitere Anwendungen des faseroptischen Sensors 110 können auf dem Gebiet der Messung akustischer und statischer Signale bestehen. Durch die Detektion akustischer Signale werden beispielsweise Luftschall- oder Köperschall-Messvorrichtungen ermöglicht. Hierbei können die Schallsignale auf die Sensormembran 300 des faseroptischen Drucksensors 110 übertragen werden, wobei akustische Frequenzen in einem Bereich von 1 kHz oder höher, in typischer Weise in einem Bereich von 5 kHz oder höher detektiert werden können.
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.

Claims

Faseroptischer Sensor, umfassend: einen Lichtleiter (112) mit einem Ende; und einen Sensorkörper (300), an welchem eine optische Resonatoranordnung (302) ausgebildet ist und der mit dem Ende des Leichtleiters optisch verbunden ist, wobei der Sensorkörper ein erste optische Umlenkeinheit (304) und eine zweite optische Umlenkeinheit (306) aufweist, wobei die erste und die zweite Umlenkeinheit an gegenüberliegenden Seiten der Resonatoranordnung angebracht sind, und wobei der Sensorkörper ein Substrat (310) aufweist, wobei ein Störstellenbereich (312) in dem Substrat hinter der zweiten Umlenkeinheit angeordnet ist.
Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, wobei der Störstellenbereich (312) konfiguriert ist, um durch die zweite optische Umlenkeinheit (306) transmittiertes Licht zu terminieren und/oder zu zerstrahlen.
Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste und die zweite optische Umlenkeinheit (304, 306) im Wesentlichen denselben Reflexionsgrad aufweisen.
Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste optische Umlenkeinheit (304) und/oder die zweite optische Umlenkeinheit (306) Spiegel sind.
Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die optische Resonatoranordnung (302) eine Kavität bildet.
Faseroptischer Sensor nach Anspruch 5, wobei die erste optische Umlenkeinheit (304) und die zweite optische Umlenkeinheit (306) an gegenüberliegenden Seiten der Kavität angeordnet sind.
Faseroptischer Sensor nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Störstellenbereich (312) außerhalb der Kavität angeordnet ist.
Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Kavität luftdicht zur Umgebung abgeschlossen ist und einen vorbestimmten Innendruck aufweist.
Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der faseroptische Sensor ein Fabry Perot Sensor ist.
Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der faseroptische Sensor (210) ein Faser Bragg Sensor ist.
Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 10, wobei der Sensorkörper (302) den Lichtleiter (112) aufweist und die erste optische Umlenkeinheit (304) und die zweite optische Umlenkeinheit (306) in dem Lichtleiter (112) angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen eines faseroptischen Sensors, umfassend: Bereitstellen eines Sensorkörpers (300) mit einem Substrat (310); Bilden einer optischen Resonatoranordnung (302) in dem Sensorkörper (300), wobei der Sensorkörper (300) eine erste optische Umlenkeinheit (304) und eine zweite optische Umlenkeinheit (306) aufweist; Ausbilden eines Störstellenbereichs (312) in dem Substrat (310) des Sensorkörpers (300) hinter der zweiten optischen Umlenkeinheit (306); Positionieren einer Lichtquelle an dem Sensorkörper (300) an einer Messposition derart, dass eine von der Lichtquelle (300) emittierte optische Strahlung die optische Resonatoranordnung (302) durchquert; und Befestigen der Lichtquelle an dem Sensorkörper (302) in der Messposition.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste und die zweite optische Umlenkeinheit (304, 306) im Wesentlichen denselben Reflexionsgrad aufweisen
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei das Befestigen der Lichtquelle an den Sensorkörper in der Messposition mittels Kleben oder Löten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Positionieren der Lichtquelle so erfolgt, dass eine von den Lichtquelle emittierte und mittels der ersten optischen Umlenkeinheit umgelenkte optische Strahlung die optische Resonatoranordnung an einer räumlichen Position durchquert, die einer vorgegebenen Transmissionswellenlänge entspricht.