EP2215458A2 - Anordnung für die optische überwachung und/oder bestimmung physikalischer und/oder chemischer messgrössen - Google Patents

Anordnung für die optische überwachung und/oder bestimmung physikalischer und/oder chemischer messgrössen

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EP2215458A2
EP2215458A2 EP08854857A EP08854857A EP2215458A2 EP 2215458 A2 EP2215458 A2 EP 2215458A2 EP 08854857 A EP08854857 A EP 08854857A EP 08854857 A EP08854857 A EP 08854857A EP 2215458 A2 EP2215458 A2 EP 2215458A2
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EP
European Patent Office
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optical fiber
optical
arrangement according
substance
electromagnetic radiation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08854857A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Wilhelmi
Jürgen Schreiber
Dieter Nebel
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N2021/7706—Reagent provision
    • G01N2021/7726—Porous glass

Definitions

  • the invention relates to an optical arrangement for the monitoring and / or determination of physical and / or chemical parameters, wherein the electromagnetic radiation emitted by at least one radiation source and is directed by an optical fiber on at least one optical detector.
  • It can be used, in particular, for non-destructive status monitoring, for example "structural health monitoring” (SHM) of long-life, even large-scale or complex devices, technical installations, traffic and transport facilities as well as civil engineering works or damage or defects as well as changes in ambient conditions are detected and recorded. This can be done reliably over long periods of time, but also continuously at predetermined time intervals.
  • SHM structural health monitoring
  • optical systems with optical fibers have opened up a variety of applications.
  • Measurement signals can be detected simultaneously at different positions and localized detected.
  • fiber Bragg grating sensors are used.
  • regions of an optical fiber in the form of a Bragg grating which have a periodic modulation of the optical refractive indices along the fiber axis and have a specific grating period designed for a wavelength, are present.
  • Such fiber optic sensors having Bragg gratings are primarily suitable for measuring temperature and mechanical stresses in the region of the grating. Their use for the measurement of other parameters is extremely complex and cost-intensive, which is the case in particular when determining or monitoring corrosion or corrosion products.
  • the arrangement according to the invention is particularly suitable for a SHM.
  • electromagnetic radiation emitted by a radiation source is directed through an optical fiber and detects transmitted and / or reflected electromagnetic radiation with at least one optical detector.
  • at least one sensitive coating is attached to the respective optical fiber.
  • the substance or the mixture of substances are selected such that a change in the complex refractive index occurs as a result of a modification as a result of a physical and / or chemical influence acting on the optical fiber and, in turn, a change in the transmission and / or reflection of the electromagnetic radiation within the optical fiber occurs, which can be detected with the at least one optical detector.
  • the optical refractive index and / or the absorption constant of the substance or mixture can change.
  • the optical refractive index of the substance or mixture should match the optical refractive index of the replaced material of the optical fiber or the deviation of the optical refractive index of the substance or mixture of substances less than the difference the optical refractive indices of the core and cladding of the respective optical fiber.
  • the deviation should be at least twice as small as the difference between the optical refractive indices of the core and the cladding.
  • the complex refractive index changes as a result of an influence acting on a sensitive area, it can once lead to an altered reflection behavior at interfaces between the fiber material and the substance or mixture of substances, so that the / the optical Detector (s) changed intensities can be detected.
  • electromagnetic radiation from the substance or substance mixture can also be absorbed, so that the transmission can be strongly influenced and likewise altered intensities of the electromagnetic radiation can be detected.
  • unmodulated, modulated and pulsed electromagnetic radiation can be used.
  • pulsed and / or modulated electromagnetic radiation it is possible to determine the respective position of the respective sensitive area on an optical fiber via transit time determination, which is of particular interest if there are many sensitive areas on an optical fiber which thus differ from one another can be.
  • a localization / position determination of the acting influence can be made possible. This can also be achieved by determining reflection and transmission in the two possible directions with continuous irradiation with greatly reduced localizability.
  • the respective substance or the substance mixture can be introduced into areas from which previously has been removed.
  • a removal of fiber material for example in a suitable mechanical manner but also by laser radiation, ion or electron radiation or by an etching technique done. It can holes, recesses or a cavity can be formed. Holes can be formed as a through hole through the shell and core but also in the form of blind holes.
  • the removed fiber material can then be partially or completely replaced by filling or filling by the respective substance or mixture.
  • the substance or the substance mixture can change as a result of modification.
  • This can be, for example, a chemical reaction, a structural change (lattice, crystallization, gelation), absorption of a fluid in pores or by diffusion or by swelling or even in solution.
  • the complex optical refractive index in the respective sensitive region generally changes more or less depending on the wavelength of the electromagnetic radiation read / evaluated.
  • the invention can be used for the detection of corrosion or corrosion that has occurred even over long periods of time. It is also possible to cover sensitive areas in a known manner with at least one layer relative to the surroundings.
  • the respectively selected coating material can be chosen so that it is the same or at least similar corrosion behavior as a component to be monitored, a building or a region thereof.
  • a layer of metal or a metal alloy may be formed on a sensitive area. This can be done by known coating techniques also in thin-film technology.
  • a multiplicity of sensitive regions can be present on an optical fiber, which can then be arranged at predeterminable positions also at predeterminable distances from one another and then also equidistant from one another.
  • Sensitive areas can be provided with different substances and / or substance mixtures, so that even with an arrangement according to the invention several different influences can be detected or detected.
  • Both monochromatic electromagnetic radiation and a selected radiation spectrum can be used. It can also be used monochromatic radiation with changing wavelength, whereby the sensitivity and / or measurement accuracy can be increased. Different influences or defects can also be better recognized.
  • these areas can be filled with nanoporous ceramics (eg, Al 2 O 3 , Si 3 N 4 ), nanoporous polymers, with nanoporous powder.
  • the nano- pores can then be more or less filled depending on the strength of an impact.
  • a sensitive area may also be filled with a liquid mixture or a soluble substance which is dissolved by external influence.
  • a suitable substance or a mixture of substances may also undergo a reaction in the event of corrosion or with a corrosion product in the environment, whereby a change in the optical refractive index or the absorption coefficient (for example characterized by discoloration) occurs.
  • salts such as sodium chloride and potassium chloride are suitable because of their optical properties and their solubility.
  • a substance or substance mixture can also be a mat- form in which then particles can be embedded.
  • the mean particle size should then be smaller than the wavelength of the electromagnetic radiation used in each case for the determination.
  • an organic, inorganic or inorganic-organic hybrid polymer for example based on silicon (so-called Ormocere) can be used.
  • Ormocere silicon
  • Particles could also be formed from an optical glass, or such a polymer.
  • oxides such as, for example, titanium oxide as particles for sensitive areas.
  • the invention it is possible to provide a large number of sensitive areas on an optical fiber, which in turn each provide separate measuring signals, which can be separated from each other safely and without loss. It is possible to achieve a lower attenuation of the signals than in comparable known systems. It is possible to adapt the required length of an optical fiber to the respective application. With improved sensitivity they can also be shorter than comparable Bragg gratings. If required, however, it is also possible to use very long optical fibers with lengths of more than 1000 m.
  • Refractive index changes in the range of 10 "1 can be achieved in the invention, but only 10 " 3 in the case of fiber Bragg grating sensors.
  • a sensitive area on an optical fiber may already be sufficient in order to be able to maintain a desired measurement accuracy and safety with an achievable reflectivity (> 0.01).
  • the possible maximum number of sensitive regions on an optical fiber that can deliver mutually distinguishable measurement signals is limited only by the spatial resolution of the optical removal technique.
  • a relative resolution of 10 ⁇ 4 can be achieved, so that over a fiber length of more than 10 m approximately 10 4 sensitive areas are present and their measurement signals can be reliably distinguished from each other.
  • the layers mentioned by way of example with different layer thicknesses which cover them have an advantageous effect.
  • the layers can be formed from the respective corrosion-prone material to be monitored. Only after severe damage to the covering layer can significant changes in the measurement signal be detected if the respective substance or mixture of substances can come into contact with the corrosive environment or be set free. Since these delays occur at differently coated sensitive areas in a monotonously time-delayed manner as a function of the layer thickness, the chronological course of the corrosion damage can be recorded.
  • a spectral selection in the detection is not absolutely necessary in an arrangement according to the invention.
  • a certain spectral distribution of the electromagnetic radiation used is not mandatory, so that cost-effective technical solutions can be made available in a large variety. This also includes those in which the possibility of free choice of measuring wavelengths can be exploited in order to be able to follow the spectral properties of defects or corrosion products.
  • Spectral variations can also be used in connection with a different dispersion behavior of fiber materials and substance or substance mixture in order to derive conclusions on the state of the arrangement or the environment from small (wavelength-dependent) residual reflections.
  • optical fibers having a core of glass or even a polymer can be used.
  • Polymer fibers are easier to process and also modify for the invention.
  • Glass fibers achieve higher strength, stability and flexibility. service life. They are more resistant to the influence of temperature and mechanical stress.
  • FIG. 1 shows an optical fiber which can be used in an arrangement according to the invention and has differently designed sensitive areas in the longitudinal and cross-section at sensitive areas and
  • Figure 2 is a schematic representation of a disk-shaped element which can be used at a sensitive area.
  • the removed fibrous material in such an embodiment may have been replaced by one of the aforementioned materials (e.g., nanoporous ceramic).
  • the reflection at a sensitive area 2 In order to be able to use further reflections from other sensitive areas 2 after a sensitive area 2 has responded, which are subsequently arranged in the direction of radiation, the reflection at a sensitive area 2 must not be too high.
  • the radiation energy incident on an optical detector by a subsequently arranged sensitive area 2 can be taken into account as follows:
  • E 0 energy of the electromagnetic radiation, Rzs e n sor reflection at the sensitive area, R ⁇ reflection at the ith sensitive area, before the sensitive area, i total number of sensitive areas, which are arranged in front of the respective sensitive area).
  • the core 1.1 of the optical fiber 1 has, as usual, a higher refractive index than the sheath 1.2.
  • Holes are filled with a substance that has the same refractive index as the core 1.1 without the influence of corrosion. After corrosive attack, the refractive index of the substance is changed at least to the extent that a reflection at the interface can be reliably detected.
  • FIG. 2 shows a disk-shaped element 3 on which a sensitive region 2 can be formed.
  • a sector is modified over a certain angular range of the circular disk, which has been clarified with the points shown in the core and cladding region.
  • Such a disk-shaped element 3 can be formed directly in the fiber 1 or inserted into an optical fiber 1.
  • disk-shaped elements 3 can also be arranged one after the other in series.
  • a disk-shaped element 3 can be modified or provided with a modified sector and the respective subsequent disk-shaped element then not modified or formed without a modified sector.
  • the disk-shaped elements 3 should in each case have the same thicknesses, which applies in particular to a respective pair of adjacent disk-shaped elements 3.
  • Wavelength in vacuum and n optical refractive index) of a predetermined wavelength of the electromagnetic radiation correspond.
  • the sensitivity can be increased and the demands for a high spatial resolution can be met.
  • the removal of the residues can be achieved for example with laser radiation or by an etching process.
  • Disc-shaped elements 3 can be exchanged.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung für die Überwachung und/oder Bestimmung physikalischer und/oder chemischer Messgrößen, bei der elektromagnetische Strahlung von mindestens einer Strahlungsquelle emittiert und durch eine optische Faser auf mindestens einen optischen Detektor; gerichtet wird. An der optischen Faser ist mindestens ein sensitiver Bereich vorhanden, in dem der Werkstoff der optischen Faser durch einen Stoff oder ein Stoffgemisch, der/das zumindest im Bereich einer Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung optisch transparent ist, ersetzt worden ist. Am sensitiven Bereich tritt eine Änderung der komplexen Brechzahl, durch eine, Modifizierung des Stoffs oder des Stof fgemischs in Folge des auf die optische Faser wirkenden physikalischen und/oder chemischen Einflusses sowie eine Veränderung der Transmission und/oder Reflexion der elektromagnetischen Strahlung- auf. Die Erfindung findet Anwendung in der zerstörungsfreien Überwachung von Korrosionsvorgängen.

Description

FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V. 088PCT 2609
Anordnung für die optische Überwachung und/oder Bestimmung physikalischer und/oder chemischer Messgrößen
Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung für die Überwachung und/oder Bestimmung physikalischer und/oder chemischer Messgrößen, bei der elektromagnetische Strahlung von mindestens einer Strahlungsquelle emittiert und durch eine optische Faser auf min- destens einen optischen Detektor gerichtet wird. Sie kann dabei insbesondere für eine zerstörungsfreie Zu- standsüberwachung, beispielsweise „structural health monitoring" (nachfolgend SHM) von langlebigen, auch großformatigen bzw. komplexen Geräten, technischen Anlagen, Verkehrs- und Transportmitteln sowie Hoch- und Tiefbauwerken eingesetzt werden. Es können korrosive Einflüsse oder Schädigungen bzw. Defekte sowie Veränderungen bei Umgebungsbedingungen erkannt und erfasst werden. Dies kann über lange Zeiträume, kontinuierlich aber auch in vorgegebenen Zeitintervallen zuverlässig erfolgen. Insbesondere unter dem Aspekt der Unempfindlichkeit gegenüber Einflüssen von elektromagnetischen Feldern haben sich optische Systeme mit optischen Fasern vielfältige Anwendungen erschlossen.
Es können auch Messsignale störungsfrei überlagert und verlustlos getrennt werden. Messsignale können gleichzeitig an verschiedenen Positionen detektiert und lokalisiert erfasst werden.
Bisher können sie für die Bestimmung von Einflüssen verschiedenster Einflüsse eingesetzt werden, wobei jeweils eine Anpassung an zu bestimmende Einflüsse oder Messgrößen erfolgen muss.
Häufig werden Faser-Bragg-Gitter-Sensoren eingesetzt. Dabei sind Bereiche einer optischen Faser in Form ei- nes Bragg-Gitters, die längs der Faserachse eine periodische Modulation der optischen Brechzahlen aufweisen und eine bestimmte für eine Wellenlänge ausgelegte Gitterperiode aufweisen, vorhanden. Solche Bragg-Gitter aufweisenden optischen Fasersensoren sind primär für die Messung von Temperatur und me- chansicher Spannungen im Bereich des Gitters geeignet. Ihre Nutzung für die Messung anderer Parameter ist extrem aufwändig und kostenintensiv, was insbesondere bei einer Bestimmung oder Überwachung von Korrosion oder Korrosionsprodukten der Fall ist.
Neben anderen ist es auch aus DE 196 30 181 C2 bekannt optische Fasern mit Bragg-Gittern einzusetzen. Dabei soll die jeweilige optische Faser im Bereich, in dem ein Bragg-Gitter ausgebildet ist, so abgedünnt werden, dass eine optische Grenzfläche vorliegt an der ein evanescentes Feld ausgebildet werden kann. Darauf wiederum kann eine Schicht aufgebracht werden, die sich bei verändernden Umgebungsbedingungen, insbesondere die Feuchtigkeit, ebenfalls verändert und dadurch wiederum eine Änderung des periodischen Brechzahlverlaufes im Bereich des Bragg-Gitters hervorgerufen wird. Diese Modifikationen führen im allgemeinen zu hohen zusätzlichen Strahlungsverlusten, was zu einer Reduzierung der Nachweisempfindlichkeit führt. Außerdem wird dadurch die Anzahl der möglichen Detektionspositionen an eine optischen Faser erdu- ziert .
Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten für eine vereinfachte, kostengünstigere und zuverlässigere optische Detektion physikalischer und/oder chemischer Einflüsse bzw. Messgrößen vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anord- nung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist besonders für ein SHM geeignet.
Analog zu bekannten technischen Lösungen wird von einer Strahlungsquelle emittierte elektromagnetische Strahlung durch eine optische Faser gerichtet und dabei transmittierte und/oder reflektierte elektromagnetische Strahlung mit mindestens einem optischen De- tektor erfasst. An der jeweiligen optischen Faser ist dabei erfindungsgemäß mindestens ein sensitiver Be- reich ausgebildet. Dort wurde Werkstoff des Kerns und/oder des Mantels der optischen Faser entfernt und durch einen Stoff oder ein Stoffgemisch ersetzt. Der Stoff oder das Stoffgemisch sind dabei zumindest im Bereich einer Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung optisch transparent. Der Stoff oder das Stoffgemisch sind so ausgewählt, dass eine Änderung der komplexen Brechzahl durch eine Modifizierung in Folge eines auf die optische Faser wirkenden physika- lischen und/oder chemischen Einflusses auftritt und dadurch wiederum eine Veränderung der Transmission und/oder Reflexion der elektromagnetischen Strahlung innerhalb der optischen Faser auftritt, die mit dem mindestens einen optischen Detektor erfasst werden kann. So können sich die optische Brechzahl und/oder die Absorptionskonstante des Stoffes oder Stoffgemisches verändern.
In unbeeinflusstem Zustand und bei mindestens einer möglichen Messtemperatur und/oder Messwellenlänge sollte die optische Brechzahl des Stoffs oder Stoff- gemischs mit der optischen Brechzahl des ersetzten Werkstoffs der optischen Faser übereinstimmen oder die Abweichung der optischen Brechzahl des Stoffs o- der Stoffgemischs kleiner als die Differenz der optischen Brechzahlen des Kerns und Mantels der jeweiligen optischen Faser sein. Die Abweichung sollte dabei möglichst mindestens zweifach kleiner als die Differenz der optischen Brechzahlen von Kern und Mantel sein.
Verändert sich durch einen auf einen sensitiven Bereich wirkenden Einfluss die komplexe Brechzahl kann es einmal zu einem veränderten Reflexionsverhalten an Grenzflächen zwischen Faserwerkstoff und Stoff bzw. Stoffgemisch kommen, so dass mit dem/den optischen Detektor (en) veränderte Intensitäten erfasst werden können.
Allein oder zusätzlich kann aber auch elektromagneti- sehe Strahlung vom Stoff oder Stoffgemisch absorbiert werden, so dass die Transmission stark beeinflusst und ebenfalls veränderte Intensitäten der elektromagnetischen Strahlung detektiert werden können.
In an sich bekannter Weise kann unmodulierte, modulierte und gepulste elektromagnetische Strahlung eingesetzt werden. Bei gepulster und/oder modulierter elektromagnetischer Strahlung besteht die Möglichkeit, über Laufzeitbestimmung die jeweilige Position des jeweiligen sensitiven Bereichs an einer optischen Faser zu bestimmen, was insbesondere dann von Interesse ist, wenn an einer optischen Faser viele sensitive Bereiche vorhanden sind, die so voneinander unterschieden werden können. So kann auch eine Lokali- sierung/Positionsbestimmung des einwirkenden Einflusses ermöglicht werden. Dies kann auch durch Bestimmung von Reflexion und Transmission in den beiden möglichen Richtungen bei kontinuierlicher Einstrahlung mit stark reduzierter Lokalisierbarkeit erreicht werden.
So können bei der Erfindung an sich bekannte Grundanordnungen eingesetzt werden. Dies betrifft die Anordnung von Strahlungsquellen und Detektoren an den je- weiligen Faserenden an denen die elektromagnetische Strahlung ein- und wieder ausgekoppelt werden kann. Bevorzugt ist ein Einstrahlen von zwei Seiten, wodurch die Messgenauigkeit erhöht werden kann.
Der jeweilige Stoff oder das Stoffgemisch kann dabei in Bereiche eingebracht werden, aus denen vorher Fa- serwerkstoff entfernt worden ist. Dabei kann ein Abtrag von Faserwerkstoff beispielsweise auf geeignete mechanische Weise aber auch durch Laserstrahlung, Ionen- oder Elektronenstrahlung oder durch eine Ätz- technik erfolgen. Es können Bohrungen, Vertiefungen oder ein Hohlraum ausgebildet werden. Bohrungen können als Durchgangsbohrung durch Mantel und Kern aber auch in Form von Sacklöchern ausgebildet werden. Der abgetragene Faserwerkstoff kann dann durch Be- oder Ausfüllen teilweise oder vollständig durch den jeweiligen Stoff oder das Stoffgemisch ersetzt werden.
Wirkt dann ein Einfluss auf einen jeweiligen Bereich kann sich der Stoff oder das Stoffgemisch in Folge Modifikation verändern. Dies kann beispielsweise eine chemische Reaktion, eine Strukturänderung (Gitter, Kristallisation, Gelbildung) , Aufnahme eines Fluids in Poren bzw. durch ein Eindiffundieren oder durch Quellen bzw. auch ein in Lösung gehen sein.
Je nach erfolgter Modifikation und unter Berücksichtigung des jeweils gewählten Stoffs oder Stoffge- mischs können diese Veränderungen reversibel oder auch irreversibel sein. Durch diese Modifikation än- dert sich im allgemeinen die komplexe optische Brechzahl in dem jeweiligen sensitiven Bereich je nach Wellenlänge der ausgelesenen/ausgewerteten elektromagnetischen Strahlung mehr oder weniger.
Für den Nachweis von aufgetretener Korrosion oder aufgetretener Korrosionsgefahr auch über lange Zeiträume, kann die Erfindung eingesetzt werden. Dabei ist es auch möglich sensitive Bereiche in bekannter Weise mit mindestens einer Schicht gegenüber der Um- gebung abzudecken. Der jeweils gewählte Schichtwerkstoff kann so gewählt werden, dass er gleiches oder zumindest ähnliches Korrosionsverhalten, wie ein zu überwachendes Bauteil, ein Bauwerk oder ein Bereich davon aufweist. So kann eine Schicht aus Metall oder einer Metalllegierung auf einem sensitiven Bereich ausgebildet sein. Dies kann durch bekannte Beschich- tungstechniken auch in Dünnschichttechnologie erfolgen.
Mehrere sensitive Bereiche können auch mit Schichten, die eine unterschiedliche Schichtdicke aufweisen, abgedeckt werden. Dadurch kann der zeitliche Ablauf eines Korrosionsangriffs erfasst und überwacht werden. Da die Korrosion auch den Schichtwerkstoff entsprechend angreift und dadurch der jeweilige Stoff oder das Stoffgemisch dann freigelegt wird. Nach dem Freilegen kann dann beispielsweise ein Fluid, das ggf. auch korrosiv wirkend sein kann, mit dem Stoff oder Stoffgemisch wechselwirken. Ist beispielsweise ein für eine Flüssigkeit löslicher Stoff oder ein solches Stoffgemisch (z.B. ein Salz) im jeweiligen sensitiven Bereich eingesetzt worden, kann der in Frage kommende Bereich mit Flüssigkeit oder Luft, die den Stoff oder das Stoffgemisch dann wiederum ersetzen, zumindest teilweise gefüllt werden, wodurch eine detektierbare Änderung der Brechzahl in diesem sensitiven Bereich auftritt .
Wie bereits angedeutet können an einer optischen Faser eine Vielzahl sensitiver Bereiche vorhanden sein, die dann an vorgebbaren Positionen auch in vorgebbaren Abständen zueinander und dann auch äquidistant zueinander angeordnet sein können.
Sensitive Bereiche können mit unterschiedlichen Stof- fen und/oder Stoffgemischen versehen sein, so dass auch mit einer erfindungsgemäßen Anordnung mehrere unterschiedliche Einflüsse detektiert oder erfasst werden können.
Es kann sowohl monochromatische elektromagnetische Strahlung, wie auch ein ausgewähltes Strahlungsspektrum eingesetzt werden. Es kann auch monochromatische Strahlung mit wechselnder Wellenlänge eingesetzt werden, wodurch die Sensitivität und/oder Messgenauigkeit erhöht werden kann. Unterschiedliche Einflüsse oder Defekte können auch dadurch besser erkannt werden.
Bei der Erfindung können verschiedene für die jeweilige Anwendung ausgewählte und besonders geeignete Stoffe oder Stoffgemische eingesetzt werden.
Beispielsweise können diese Bereiche mit nanoporöser Keramik (z.B. aus AI2O3, Si3N4) , nanoporösen Polymeren, mit nanopörosen Pulver gefüllt werden. Die Nano- poren können dann je nach Stärke einer Einwirkung mehr oder weniger ausgefüllt werden. Ein sensitiver Bereich kann auch mit einem Flüssigkeitsgemisch oder einer löslichen Substanz, die durch äußeren Einfluss gelöst wird gefüllt sein. Ein geeigneter Stoff oder ein Stoffgemisch kann auch eine Reaktion bei Korrosion oder mit einem Korrosionsprodukt in der Umgebung eingehen, wodurch eine Veränderung der optischen Brechzahl oder des Absorptionskoeffizienten (beispielsweise gekennzeichnet durch eine Verfärbung) auftritt) .
So sind auch Salze beispielsweise Natrium- und Kaliumchlorid wegen der optischen Eigenschaften und ihrer Löslichkeit geeignet.
Ein Stoff oder Stoffgemisch kann aber auch eine Mat- rix bilden, in der dann Partikel eingebettet sein können. Die mittlere Partikelgröße sollte dann kleiner als die jeweils zur Bestimmung eingesetzte Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung sein. Für die Bildung der Matrix kann beispielsweise ein organisches, anorganisches oder anorganisch-organisches Hybridpolymer beispielsweise auf Siliciumbasis ( so genannte Ormocere) eingesetzt werden. Darin können auch andere z.B. Partikel oder Moleküle eingebettet sein. Partikel könne auch aus einem optischen Glas, oder einem solchen Polymer gebildet sein. Es können auch Oxide, wie z.B Titanoxid als Partikel für sensitive Bereiche eingesetzt werden.
Bei der Erfindung ist es möglich eine große Anzahl sensitiver Bereiche an einer optischen Faser vorzusehen, die wiederum jeweils voneinander getrennte Messsignale liefern, die auch sicher und ohne Verluste voneinander getrennt werden können. Es ist eine ge- ringere Dämpfung der Signale als bei vergleichbaren bekannten Systemen erreichbar. Es ist eine Anpassung der geforderten Länge einer optischen Faser an die jeweilige Applikation möglich. Sie können bei verbesserter Sensitivität auch kürzer als vergleichbare mit Bragg-Gitter versehene sein. Bei Bedarf können aber auch sehr lange optische Fasern mit Längen oberhalb 1000 m eingesetzt werden.
Wenn alle zu überwachenden Positionen eines Objektes von der gleichen optischen Faser durchzogen werden können und wenn nur der einmalige Nachweis einer Schwellwertüberschreitung im Rahmen eines SHM nachzuweisen ist, können durchgehend irreversible Prozesse genutzt werden, die durch Akkumulation eine besonders hohe Nachweisempfindlichkeit sowie eine hohe Zuverlässigkeit und Robustheit erreichen. Mit den be- schriebenen Möglichkeiten kann der erste „Fehler" de- tektiert und lokalisiert werden.
Bei der Erfindung können Brechzahländerungen im Be- reich von 10"1, bei Faser-Bragg-Gitter-Sensoren aber im Vergleich lediglich 10"3 erreicht werden. So kann ggf. bereits ein sensitiver Bereich an einer optischen Faser ausreichen, um eine gewünschte Messgenauigkeit und Sicherheit mit einer erreichbaren Reflek- tivität (> 0,01) einhalten zu können.
Die mögliche maximale Anzahl sensitiver Bereiche an einer optischen Faser, die voneinander unterscheidbare Messsignale liefern können, ist lediglich durch die räumliche Auflösung der optischen Entfernungstechnik begrenzt. Mit der optischen Zeitverzögerungs- reflektometrie kann eine relative Auflösung von 10~4 erreicht werden, so dass auf einer Faserlänge von mehr als 10 m ca. 104 sensitive Bereiche vorhanden sein und deren Messsignale sicher voneinander unterschiedene werden können.
So kann man bei der Langzeitüberwachung von Korrosionsschäden mit einer großen Anzahl sensitiver Berei- che, die sehr nah nebeneinander angeordnet sein können, sichere Aussagen über den Korrosionszustand erhalten. Hier wirken sich auch die beispielhaft erwähnten Schichten mit unterschiedlichen Schichtdicken, die diese abdecken, vorteilhaft aus. Die Schichten können aus dem jeweiligen korrosionsanfälligen Werkstoff, der überwacht werden soll, gebildet sein. Erst nach starker Schädigung der abdeckenden Schicht können signifikante Messsignaländerungen er- fasst werden, wenn der jeweilige Stoff oder das Stoffgemisch mit der korrosiv wirkenden Umgebung in Kontakt kommen kann oder dadurch frei gesetzt wird. Da diese Verzögerungen an unterschiedlich beschichteten sensitiven Bereichen monoton zeitversetzt in Abhängigkeit der Schichtdicke auftreten, kann der zeitliche Verlauf der Korrosionsschädigung erfasst wer- den. Eine erfindungsgemäße Anordnung kann dabei so ausgelegt werden, dass man eine erste Warnung erhält, wenn eine Schicht mit einer Schichtdicke d = 0,01 D durchgehend geschädigt ist und weitere Messsignale von sensitiven Bereichen mit Abdeckungen, die eine größere Schichtdicke aufweisen, zu späteren Zeitpunkten erfasst werden können. Dadurch können frühzeitig Gegenmaßnahmen bei Korrosionsangriff ergriffen werden.
Eine spektrale Selektion im Nachweis ist bei einer erfindungsgemäßen Anordnung nicht unbedingt erforderlich. Eine bestimmte spektrale Verteilung der eingesetzten elektromagnetischen Strahlung ist nicht zwingend einzuhalten, so dass in großer Mannigfaltigkeit kostengünstige technische Lösungen zur Verfügung gestellt werden können. Hierzu gehören auch solche, bei denen die Möglichkeit der freien Wahl von Messwellenlängen ausgenutzt werden können, um spektrale Eigenschaften von Defekten oder Korrosionsprodukten ver- folgen zu können. Spektralvariationen können auch im Zusammenhang mit einem unterschiedlichen Dispersionsverhalten von Faserwerkstoffen und Stoff oder Stoffgemisch genutzt werden, um aus kleinen (wellenlängenabhängigen) Restreflexionen Schlüsse auf den Zustand der Anordnung bzw. der Umgebung abzuleiten.
Bei der Erfindung können optische Fasern mit einem Kern aus Glas oder auch einem Polymer eingesetzt werden. Polymerfasern lassen sich leichter bearbeiten und auch für die Erfindung modifizieren. Glasfasern erreichen höhere Festigkeiten, Stabiltitäten und Le- bensdauer. Sie sind gegenüber dem Einfluss von Temperatur und mechanischer Spannung resistenter.
Je nach Einsatz und Umgebungsbedingungen (aggressive Medien) kann die entsprechende Auswahl getroffen werden. Zur Erhöhung der Sicherheit und für eine Redundanz können mehrere gleiche sensitive Bereiche vorhanden sein. Dies kann auch eine mögliche Referenzie- rung betreffen, um mögliche Einflüsse, wie z.B. ver- änderte Temperaturen und anderer Umgebungsparameter, die Einfluss auf Messsignale haben können, zu kompensieren oder eleminieren. Gerade hier wirkt sich aber die Möglichkeit der Ausbildung einer Vielzahl sensitiver Bereiche vorteilhaft aus.
Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 eine an einer erfindungsgemäßen Anordnung einsetzbare optische Faser mit unterschiedlich ausgebildeten sensitiven Bereichen im Längs- und Querschnitt an sensitiven Bereichen und
Figur 2 eine schematische Darstellung eines scheibenförmigen Elements, das an einem sensitiven Bereich eingesetzt werden kann.
Bei der in Figur 1 gezeigten optischen Faser 1 sind zwei sensitive Bereiche 2 vorhanden. Von der optischen Faser 1 wurde Faserwerkstoff entfernt. So ist beim in Figur 1 links angeordneten sensitiven Bereich 2 lediglich Werkstoff des Kerns 1.1 und beim dort rechts dargestellten sensitiven Bereich 2 auch Werkstoff des Mantels 1.2 entfernt worden. Dabei wurde durch die optische Faser 1 eine Durchgangsbohrung ausgebildet. Dies kann aber auch in nicht dargestellter Form ein Sackloch sein. Es können aber auch Vertiefungen mit anderen geometrischen Gestaltungen ge- nutzt werden (ebenfalls nicht dargestellt) .
Der entfernte Faserwerkstoff kann bei einer solchen Ausführung durch einen der vorab genannten Stoffe (z.B. nanoporöse Keramik) ersetzt worden sein.
Der Anteil des so veränderten Bereiches an der gesamten Querschnittsfläche von Kern 1.1 und Mantel 1,2 bestimmt zusammen mit der jeweiligen auftretenden Veränderung der optischen Brechzahl die Reflexion der elektromagnetsichen Strahlung an der jeweiligen
Grenzfläche in Richtung der optischen Achse der optischen Faser 1, also der Weg, der von der elektromagnetischen Strahlung durch den Stoff oder das Stoffgemisch zurück gelegt werden muss, bestimmt gemeinsam mit der auftretenden Brechzahländerung die Änderung der Reflexion.
Um nach einem Ansprechen eines sensitiven Bereichs 2 auch weitere Reflexionen von anderen sensitiven Be- reichen 2 nutzen zu können, die in Strahlungsrichtung nachfolgend angeordnet sind, darf die Reflexion an einem sensitiven Bereich 2 nicht zu hoch gewählt sein.
Dabei kann die Strahlungsenergie, die von einem nachfolgend angeordneten sensitiven Bereich 2 auf eine optischen Detektor auftrifft, wie folgt berücksichtigt werden:
Mit E0 (Energie der elektromagnetischen Strahlung, Rzsensor Reflexion am sensitiven Bereich, R± Reflexion am i-ten sensitiven Bereich, vor dem sensitiven Bereich, i Gesamtzahl sensitiver Bereiche, die vor dem jeweiligen sensitiven Bereich angeordnet sind) .
Der Kern 1.1 der optischen Faser 1 weist, wie üblich eine höhere Brechzahl, als der Mantel 1.2 auf. Die
Bohrungen sind mit einem Stoff gefüllt, der ohne Kor- rosionseinfluss die gleiche Brechzahl wie der Kern 1.1 aufweist. Nach Korrosionsangriff ist die Brechzahl des Stoffs zumindest insoweit verändert, dass eine Reflexion an der Grenzfläche sicher nachgewiesen werden kann.
In Figur 2 ist ein scheibenförmiges Element 3 gezeigt, an dem ein sensitiver Bereich 2 gebildet wer- den kann. Dabei ist ein Sektor über einen bestimmten Winkelbereich der Kreisscheibe modifiziert, was mit den eingezeichneten Punkten im Kern- und Mantelbereich verdeutlicht worden ist. Es kann aber auch ein größerer, kleinerer Bereich oder auch der gesamte Winkelbereich des scheibenförmigen Elements 3 aus einem Stoff oder Stoffgemisch gebildet sein, der/das die gewünschte Änderung der komplexen Brechzahl im Messprozess erreichen kann. Dieser Bereich kann sich (radial) nur auf ein Messgebiet der optischen Faser 1 beschränken.
Ein solches scheibenförmiges Element 3 kann direkt in der Faser 1 ausgebildet oder in eine optische Faser 1 eingefügt werden. Dabei kann ein scheibenförmiges E- lement 3 mit zwei Faserenden optischer Fasern 1 zusammen gesetzt oder gefügt sein. Das Fügen kann durch Kleben oder Verschweißung erreicht werden.
Bei gewünschten hohen Messempfindlichkeiten können auch mehrere scheibenförmige Elemente 3 nacheinander in Reihe angeordnet sein. Dabei kann ein scheibenförmiges Element 3 modifiziert oder mit einem modifizierten Sektor versehen sein und das jeweils nachfol- gende scheibenförmige Element dann nicht modifiziert oder ohne modifizierten Sektor ausgebildet sein. Es können mehrere solcher Paare scheibenförmiger Elemente 3 in Form eines Stapels vorhanden sein.
Die scheibenförmigen Elemente 3 sollten dabei jeweils gleiche Dicken aufweisen, was insbesondere auf jeweils ein Paar nebeneinander angeordneter scheibenförmiger Elemente 3 zutrifft. Die scheibenförmigen Elemente 3 sollten eine Dicke aufweisen, die einem ganzzahligen Vielfachen von λ/4 (λ = λo /n, mit λo
Wellenlänge im Vakuum und n optische Brechzahl) einer vorgebbaren Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung entsprechen.
Die Gesamtdicke eines Paares scheibenförmiger Elemente sollte die Größe L = λB/2ne berücksichtigen und dieser oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entsprechen.
Dadurch kann die Messempfindlichkeit erhöht und den Forderungen nach einer hohen räumlichen Auflösung entsprochen werden.
Die erfindungsgemäßen Anordnungen, die die in den Fi- guren gezeigten Elemente einsetzen, sind geeignet um nach einer irreversiblen Schädigung, beispielsweise durch Korrosion, wieder regeneriert zu werden. Dabei kann ggf. nach Entfernung von Resten eines Stoffs o- der Stoffgemischs ein Ersatz durch erneutes Befüllen mit Stoff oder Stoffgemisch erfolgen. Dies kann gleichzeitig mit einer Beseitigung von vorab detek- tierter Korrosionsschäden auch vor Ort erfolgen.
Die Entfernung der Reste kann beispielsweise mit Laserstrahlung oder durch einen Ätzprozess erreicht werden.
Scheibenförmige Elemente 3 können ausgetauscht werden.

Claims

FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V. 088PCT 2609Patentansprüche
1. Anordnung für die optische Überwachung und/oder Bestimmung physikalischer und/oder chemischer Messgrößen, bei der elektromagnetische Strahlung von einer Strahlungsquelle durch eine optische Faser auf einen optischen Detektor gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der optischen Faser (1) mindestens ein sensitiver Bereich (2) vorhanden ist, in dem der Werkstoff der optischen Faser (1) durch einen Stoff oder ein Stoffgemisch, der/das zumindest im Bereich einer Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung optisch transparent ist, ersetzt worden ist und dabei bei mindestens einer Messtemperatur und/oder Messwellenlänge die gleiche optische Brechzahl, wie der ersetzte Werkstoff aufweist oder die Abweichung der optischen Brechzahl des Stoffs oder Stoffgemischs kleiner als die Differenz der optischen Brechzahlen des Kerns (1.1) und des Mantels (1.2) der optischen Faser (1) ist und am sensitiven Bereich (2) eine Änderung der komplexen Brechzahl, durch eine Modifizierung des Stoffs oder des Stoffgemischs in Folge des auf die optische Faser (1) wirkenden physikalischen und/oder chemischen Einflusses sowie eine Veränderung der Transmission und/oder Reflexion der elektromagnetischen Strahlung innerhalb der optischen Faser auftreten.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sensitive Bereich am Kern (1.1) und/oder Mantel (1.2) der optischen Faser (1) ausgebildet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein sensitiver Bereich (2) mit mindestens einer Schicht gegenüber der Umgebung abgedeckt ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (en) aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet ist/sind.
5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sensitive Bereiche (2) mit Schichten unterschiedlicher Schichtdicke und gleichem Werkstoff abgedeckt sind.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am/an sensitiven Bereich (en) (2) eine Bohrung, Vertiefung o- der ein Hohlraum ausgebildet ist; die/der mit dem Stoff oder Stoffgemisch befüllt ist.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein sensitiver Bereich (2) mit mindestens einem scheibenförmi- gen Element (3) gebildet ist, das zwischen zwei optischen Fasern (1) angeordnet oder in eine optische Faser (1) integriert ist.
8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sektor des scheibenförmigen EIe- ments (3) mit Möglichkeit zur Veränderung der komplexen Brechzahl, als sensitiver Bereich (2), modifiziert ist.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein scheibenförmiges Element (3) eine Dicke aufweist, die einem ganzzahligen
Vielfachen von λ/4 einer vorgebbaren Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung entspricht.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass scheibenförmige EIe- mente (2) mit und ohne Modifizierung alternierend nacheinander angeordnet sind.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Stoff oder Stoffgemisch Partikel oder andere Moleküle eingebettet sind.
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Partikelgröße kleiner als die jeweilige zur Bestimmung eingesetzte Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist.
13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff oder das Stoffgemisch ausgewählt sind aus nanoporöser Keramik, Polymeren, Pulvern mit Partikelgrößen im Nanometerbereich und Stoffen/Stoffgemischen, die bei Korrosion oder mit Korrosionsprodukten reagieren.
14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sensitive Bereiche (2) mit unterschiedlichen Soffen und/oder Stoffgemischen gebildet sind.
15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere sensitive Bereiche (2) äquidistant zueinander an einer optischen Faser angeordnet sind.
16. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Strahlungsquellen und/oder zwei Detektoren an einer optischen Faser (1) vorhanden sind.
17. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung in gepulster und/oder moduleir- ter Form durch die optische Faser (1) gerichtet ist.
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