WO2014026839A2 - Faseroptischer sensor und messverfahren - Google Patents

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WO2014026839A2
WO2014026839A2 PCT/EP2013/065738 EP2013065738W WO2014026839A2 WO 2014026839 A2 WO2014026839 A2 WO 2014026839A2 EP 2013065738 W EP2013065738 W EP 2013065738W WO 2014026839 A2 WO2014026839 A2 WO 2014026839A2
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cores
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Wolfgang Schade
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Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
    • G01D5/35309—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer
    • G01D5/35316—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer using a Bragg gratings

Definitions

  • the invention relates to a fiber optic sensor having at least two cores of a first material having a first refractive index and a cladding surrounding the cores of a second material having a second refractive index, wherein in each core at least one fiber Bragg grating
  • the sensor element comprises an optical fiber having a core and a cladding. At the core, an optical signal can be transmitted. Furthermore, fiber Bragg gratings are introduced into the core at predetermined intervals. The fiber Bragg grating reflects a predefinable wavelength, which depends on the lattice constant. Light of other wavelengths can penetrate the fiber Bragg grating. When exposed to a mechanical
  • this known sensor element has the disadvantage that for the realization of a plurality of measuring For example, for monitoring a
  • the invention is therefore based on the object
  • the object is achieved by a fiber optic sensor according to claim 14, a fiber optic sensor according to claim. 25, a fiber optic sensor according to claim 1, a method according to claim 22 and a method according to claim 9 solved.
  • a fiber-optic sensor with at least two cores of a first material having a first refractive index and a cladding of a second material having a second refractive index surrounding the cores.
  • the first refractive index is greater than the second refractive index, so that at the interface between the core and. Cloak total reflection can occur.
  • the first material and / or the second material may be selected from quartz or a polymer, for example polymethylmethacrylate or polycarbonate.
  • the first material and / or the second material may be doped, for example with germanium, phosphorus or fluorine.
  • the crosstalk between the cores is only small, so that the optical signals are guided largely independently of each other in the different cores.
  • At least one fiber Bragg grating is incorporated in each core. If the fiber Bragg gratings are arranged at different locations along the longitudinal extent, different measuring points can be realized. For the purposes of the present description, the location of the fiber Bragg grating is understood to be the geometric center of gravity of the longitudinal extent of the fiber Bragg grating.
  • the generation of the fiber Bragg gratings can be done in one embodiment of the invention by spotwise exposing the fiber core with femtosecond laser pulses.
  • Laser beam can be focused to a focus of less than 20 microns, so that the high light intensity of the laser interacts only with the respective addressed core. This makes it possible to use individual cores in the sensor fiber
  • a plurality of fiber Bragg gratings may be formed using
  • Phase masks are generated for large-scale exposure, allowing a quick and efficient production of the sensor.
  • a plurality of fiber Bragg gratings in a core may be due to different lattice constants through the respective different wavelength of the reflected
  • the number of available fiber Bragg gratings and hence the maximum number of measuring locations can be increased by means of several cores in a sheath, so that a large-area and close-meshed monitoring of the temperature and / or the acting mechanical stress is made possible with only a single sensor.
  • This one sensor is easy to handle, easy to read and reliable, or to attach to a mechanical component.
  • the fiber-optic sensor has at least one first longitudinal section in which the fiber Bragg gratings are arranged at different locations along the longitudinal extent.
  • this does not preclude the addition of another longitudinal section in which at least two fiber Bragg gratings are present in different cores at the same location.
  • a large-area measurement is understood to mean a measurement on a component which has a large dimension in at least two dimensions, so that the proposed fiber-optic sensor is secured in meanders in or on this component.
  • the fiber optic sensor can also be introduced in an elongate member along the longitudinal extent and detect the mechanical stress and / or the temperature along the longitudinal extension of this component.
  • the fiber optic sensor can be used in buildings, for example for
  • the proposed sensor can be used for continuous monitoring of the rotor blades of a wind turbine or a helicopter.
  • the proposed sensor may be the mechanical structure of a
  • the fiber optic sensor can be used in lamination of the mechanical
  • the fiber optic sensor can be connected by gluing, weaving, soldering or welding to the component to be monitored.
  • this relates to a fiber optic sensor having at least two cores of a first material having a first refractive index and a cladding surrounding the cores of a second material having a second refractive index, wherein in each core at least one fiber Bragg grating is introduced , wherein a larger number of fiber Bragg gratings are arranged at different locations along the longitudinal extent than
  • Fiber Bragg gratings are placed at identical locations.
  • this relates to a fiber optic sensor having at least one core of a first material having a first refractive index and a cladding surrounding the cores of a second material having a second refractive index, wherein at least two fiber Bragg gratings are incorporated in the core and the fiber optic sensor has at least a second longitudinal section in which the cladding contains a plurality of nanowires and the core contains at least one fiber Bragg grating.
  • the sensor according to the invention may, in some embodiments, have between 5 and 25 cores, which are arranged in a jacket. This allows one hand
  • the broadband light of a superluminescent diode may be coupled into all cores simultaneously.
  • the reading out of the reflected radiation from the individual cores can take place via temporal and / or spatial multiplexing.
  • the comparatively small number of fiber Bragg gratings per core enables a high dynamic range
  • the individual Bragg wavelengths are closer together, which may cause the different Bragg wavelengths to mix as larger strains occur.
  • the person skilled in the art will therefore coordinate the number of cores per fiber and the number of fiber Bragg gratings per core, which has a sufficient spatial resolution and a sufficient dynamic range of the strain measurement for the planned Application be provided.
  • the wavelength spacing of the fiber Bragg gratings can be chosen to be correspondingly large and yet a large number of fiber Bragg gratings and therefore a large number of measuring points can be provided.
  • the diameter of a core may be between 3.5 and 200 microns in some embodiments of the invention.
  • the diameter of the shell may be between 50 ⁇ m and 2000 ⁇ m in some embodiments of the invention.
  • the jacket may be provided with an optional coating, for example a polymer.
  • each core may contain between 5 and 25 fiber Bragg gratings. This number allows, on the one hand, a plurality of measuring locations, which can be covered by a single fiber-optic sensor and, on the other hand, a simple evaluation of the optical measuring signals. In this way, a single sensor may contain more than 50 fiber Bragg gratings or more than 100 fiber Bragg gratings or more than 250 fiber Bragg gratings.
  • the readout of the arranged in a core fiber Bragg gratings can be done either with a plurality of spectrometers and a plurality of light sources.
  • optical interrogation signals can be coupled in at the same time in several cores and the signals reflected by the respective fiber Bragg gratings can be detected.
  • the query frequency or measuring speed can be increased thereby.
  • the fiber optic sensor may be connected via an optical switch to a single light source and / or a spectrometer. In this way, the in several cores
  • a spectrometer can be a planar optical
  • the fiber optic sensor may have a second longitudinal section in which the cladding contains a plurality of nanowires and the core includes at least one fiber Bragg grating.
  • the modulus of elasticity of the fiber optic sensor changes in the respective longitudinal section. This results in a predetermined force acting a smaller change in the lattice constants of the fiber Bragg grating in the second longitudinal section, compared with fiber Bragg gratings in longitudinal sections at which no nanowires are arranged in the jacket.
  • the lattice constant of the fiber Bragg gratings changes due to temperature changes, this change is independent of the presence of the nanowires.
  • thermal changes in lattice constants can be separated from mechanically induced changes in lattice constants.
  • This makes it possible to use a single fiber optic sensor both for the detection of the mechanical stress and the temperature.
  • the use of a second fiber-optic sensor for temperature compensation is not required, so that the expenditure on equipment decreases and the reliability increases.
  • At least one nanowire may contain or consist of zinc oxide and / or carbon. This material shows a good connection with polymeric materials which are useful for the manufacture of the sheath.
  • the nanowires may have a diameter of about 10 nm to about 500 nm in some embodiments of the invention. This results in a sufficient
  • the fiber optic sensor may include a plurality of second longitudinal sections, each comprising at least one fiber Bragg grating and a plurality of nanowires
  • FIG. 1 shows a fiber optic sensor according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a fiber optic sensor according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 3 shows a fiber optic sensor according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 4 shows a flow chart of the invention
  • FIG. 5 shows a fiber optic sensor according to a fourth embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the present invention.
  • the fiber optic sensor 1 includes an optical waveguide, which is composed of a jacket 11 and a plurality of cores 10. In the illustrated embodiment, four cores are shown. Of course, the number of cores in the shell 11 may also be larger or smaller and, for example, between 1 and 50 are. In some embodiments of the invention, the number of cores is between 5 and 25.
  • Each core 10 differs from the shell 11 in that the core 10 is made of a first material having a first one
  • Refractive index n 1 and the cladding 11 consists of a second material having a second refractive index n 2 .
  • the first refractive index is greater than the second refractive index.
  • Core and sheath may be made of a polymer or a glass, for example polymethyl methacrylate,
  • the refractive index can through
  • Dopants are adapted to predetermined setpoints. At the interface between the core and the jacket, total reflection occurs so that light can be guided inside the core 10. In some embodiments, the
  • the core is designed so that only one mode is capable of propagation.
  • On the outer surface of the shell 11 may not shown optional enclosure or
  • Coating be applied to protect the shell 11 and the cores 10 from mechanical stress or chemical decomposition in an aggressive environment.
  • each core 10 is provided with four fiber Bragg gratings.
  • the number of fiber Bragg gratings may be larger or smaller, for example between 1 and about 50, in particular between about 5 and about 25.
  • Each of the four fiber Bragg gratings 12 in a core 10 may have a different lattice constant such that each fiber Bragg lattice reflects a different wavelength. In this way it can be distinguished on the basis of the reflected wavelength, from which fiber Bragg grating the reflected light originates. In this way, a spatial resolution of the fiber optic sensor can be achieved.
  • the fiber Bragg gratings 12 may be written into the cores 10 by material modification by femtosecond laser in some embodiments of the invention.
  • the locations of the respective fiber Bragg gratings can be chosen freely. This allows the fiber optic sensor with respect to its length and its
  • the fiber Bragg gratings of one of a core are located at different locations as compared to the fiber Bragg gratings of an adjacent core 10.
  • the sensor can be extended, so that a larger number of fiber Bragg gratings 12 and thus a plurality of measurement locations can be provided with a sensor.
  • each of the fiber Bragg gratings 16 in the exemplary embodiment can be read out separately and the measured values thus obtained can be used for one measurement location
  • Figure 1 shows a simple signal readout, which requires little equipment.
  • the four cores 10 are each connected to an optical waveguide 31 at an optical switch or multiplexer 3.
  • the multiplexer 3 has a connection 33 for a light source 5 and a connection 32 for a spectrometer 4.
  • the light source 5 serves to generate an optical
  • the light source 5 may contain a superluminescent diode or a tunable semiconductor laser.
  • the light source 5 optionally further
  • Contain electronics for example, to pulse the light source to supply or cool with an operating voltage.
  • the radiation emitted by the light source 5 is supplied to the multiplexer 3 via the optical waveguide 33.
  • the light 31 is coupled into the core 10 of the fiber optic sensor 1 via the respective fiber 31 connected to the output.
  • Wavelength range reflected The mean wavelength and the width of the reflected spectrum is determined by the lattice constant of the fiber Bragg grating 12.
  • the lattice constant in turn is determined on the one hand in the manufacture of the fiber Bragg grating 12 and on the other hand changed by acting temperature or mechanical stress.
  • the location of the fiber Bragg grating 12, the temperature and the mechanical stress or the acting force is encoded in the reflected spectrum.
  • a spectrometer 4 is available for analyzing the reflected spectrum. This light is supplied via the connection waveguide 31, the multiplexer 3 and the connecting waveguide 32.
  • the spectrometer 4 can determine the intensity in predefinable wavelength ranges.
  • the spectrometer 4 can contain a planar optical filter element, for example an arrayed waveguide grating or a circuit of a plurality of fiber Bragg gratings, couplers and waveguides, as known from unpublished DE 10 2011 017 622.
  • a planar optical filter element for example an arrayed waveguide grating or a circuit of a plurality of fiber Bragg gratings, couplers and waveguides, as known from unpublished DE 10 2011 017 622.
  • the planar optical filter element typically has as many channels as there are fiber Bragg gratings 12 in a core 10, the center wavelength of the channels being on the center
  • the spectrometer 4 and the light source 5 may be present multiple times, so that the multiplexer 3 can be dispensed with.
  • all the fiber Bragg gratings in all cores 10 can be read out in one polling clock, so that the
  • Figure 2 shows a second embodiment of the invention.
  • the fiber optic sensor according to The second embodiment has a jacket 11 in which a plurality of cores 10 are formed. In the illustrated embodiment, three cores 10a, 10b and 10c are shown. In each core, four fiber Bragg gratings are formed.
  • the fiber optic sensor has a first longitudinal section 21, in which the fiber Bragg gratings are arranged at different locations.
  • the sensor according to the second embodiment has a second longitudinal section 22, which contains a plurality of nanowires 15 and at least one fiber Bragg grating 12.
  • the second longitudinal section 22 may be a partial section of the first longitudinal section 21. In other embodiments of the
  • the second longitudinal portion 22 may be independent of the first longitudinal portion 21 and adjacent thereto.
  • Figure 2 shows an enlarged view of the second longitudinal section 22. It can be seen that the second longitudinal section 22 includes a fiber Bragg grating 12 which is formed in the core 10b. The nanowires 15 are in
  • the nanowires 15 may be zinc oxide or contain zinc oxide.
  • the nanowires may have a diameter of 200 to 600 nm.
  • the nanowires 15 may be produced wet-chemically and dispersed in the material of the shell 11.
  • the nanowires may be aligned approximately along the length of the fiber optic sensor, with the longitudinal axes of the nanowires encircling the sensor at an angle of less than 25 °, less than 20 °, less than 15 °, or less than 5 °.
  • Modulus of elasticity of the shell 11 changes locally, so that forces acting on a lower deformation and thus a cause slight change in the lattice constants of the fiber Bragg grating 12 in the second longitudinal section 22.
  • a plurality of second longitudinal sections 22 may be present in a fiber-optic sensor, in the exemplary embodiment shown are three second longitudinal sections
  • the second longitudinal sections 22 may be separated from the first longitudinal sections 21 or occupy part of the first longitudinal section 21.
  • FIG. 3 shows a third embodiment of the fiber-optic sensor according to the invention.
  • FIG. 3 shows an optical waveguide 1 which is used as a fiber-optic sensor.
  • the fiber optic sensor has a cladding 11 and a single core 10 as described above.
  • fiber Bragg grating 12 are introduced. in the
  • fiber Bragg gratings 12a, 12b, 12c and 12d are shown.
  • the fiber Bragg grating 12b is arranged in a second longitudinal section 22.
  • the fiber Bragg grating 12b and 12c are at the same temperature, so that by ratio formation of the signals of the fiber Bragg gratings 12b and 12c, a temperature compensation or a Temperature measurement can be done.
  • the introduction of nanotubes 15 in at least one longitudinal section 22 of the fiber optic allows Sensor 1 a simple temperature and force measurement with a fiber optic sensor.
  • Spectrometer 4 are not shown, it goes without saying that also the fiber optic sensors according to the second, third and fourth embodiment are connectable to these components in order in this way the
  • FIG. 4 shows a flow chart of a measuring method proposed according to the invention for detecting mechanical state variables.
  • a fiber-optic sensor having at least two cores of a first material with a first refractive index and a cladding surrounding the cores of a second material with a second refractive index is provided.
  • it may be a fiber optic sensor according to the
  • Sensor with a mechanical component such as a fuselage or a wing or an engine nacelle of an aircraft, a tower or a rotor blade of a wind turbine, a carpet or other flooring, a rope or a strap or other component can be connected.
  • the connection of the sensor with the component can be done by lamination, gluing, braiding, welding or soldering.
  • light is coupled into the cores of the fiber-optic sensor, for example from a semiconductor laser, a superluminescent diode or another pulsed or in continuous wave mode
  • the light spreads along the Cores 10 of the fiber optic sensors 1 and is partially reflected by the fiber Bragg gratings 12.
  • reflected wavelength depends on the lattice constants of the fiber Bragg grating, the temperature and the applied force.
  • the light reflected from the fiber Bragg gratings is detected and a
  • the intensity is detected in predeterminable wavelength ranges in order to obtain in this way conclusions on the effective lattice constant of the fiber Bragg gratings 12 at predeterminable locations. From this lattice constants finally the acting force and / or the temperature can be determined.
  • the ratio of the intensity of the light reflected by at least one fiber Bragg grating 12 outside the second longitudinal section 22 and that reflected by at least one fiber Bragg grating 12 within the second longitudinal section can be carried out in an optional sixth method step 56.
  • Steps 53 to 56 are repeated cyclically.
  • FIG. 5 shows a fiber optic sensor according to a fourth embodiment of the invention.
  • the same parts of the invention are provided with the same reference numerals, so that the following description can be limited to the essential differences.
  • the senor according to the fourth embodiment of the invention includes an optical waveguide 1 which is used as a fiber optic sensor.
  • the fiber optic sensor has a jacket 11 and at least one core 10, such as described above.
  • the number of cores 10 may be between one and about 25 in some embodiments of the invention.
  • fiber Bragg grating 12 are introduced. In the illustrated embodiment are five
  • Fiber Bragg gratings 12a, 12b, 12c, 12d and 12e In other embodiments of the invention, the number may be greater or less and between one and about 25.
  • the jacket 11 contains a piezoelectric material or consists of such a material.
  • the piezoelectric material may be disposed in the shell 11 so as to surround at least one core 10.
  • the piezoelectric material may be a polymer or a crystal in some embodiments of the invention.
  • the piezoelectric material may include nanowires 15.
  • the nanowires may contain or consist of ZnO.
  • the senor according to the fourth embodiment includes electrical connection contacts 16, to which an electrical voltage can be applied.
  • an electric field can be generated in the sensor.
  • the jacket 11 of the sensor 1 is stretched or compressed due to the piezoelectric material 3. Due to the piezoelectric material, therefore, the presence of an electrical voltage causes a mechanical phenomenon.
  • the sensor according to the fourth embodiment of the invention can detect an electric voltage.
  • the sensor can
  • a battery management can be completely realized based on optical sensors. This can increase the reliability.
  • FIG. 6 shows a fifth embodiment of the invention.
  • the same parts of the invention are provided with the same reference numerals, so that the following description can be limited to the essential differences.
  • the fifth embodiment of the invention is also designed to detect temperature and / or force and / or electrical voltage.
  • the sensor according to FIG. 6 has a plurality of cores 10 in a common jacket 11, wherein the cores 10 each contain at least one fiber Bragg grating 12.
  • the jacket contains a piezoelectric material as described above.
  • electrical connection contacts 16 are provided, with which at least in a partial region of the longitudinal section 23, an electric field can be generated. In this way, the electrical voltage can be continuously measured in the longitudinal section 23 with the at least one fiber Bragg grating 12 arranged there. The fiber Bragg gratings 12 outside the longitudinal section 23 are then available for measuring the temperature and / or the force.

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Abstract

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

Description

Faseroptischer Sensor und Messverfahren
Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor mit zumindest zwei Kernen aus einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex und einem die Kerne umgebenden Mantel aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex, wobei in jeden Kern zumindest ein Faser-Bragg-Gitter
eingebracht ist.
Aus der DE 10 2010 001 197 A1 ist ein faseroptischer Sensor der oben genannten Art bekannt. Das Sensorelement umfasst eine optische Faser, welche einen Kern und einen Mantel aufweist. Im Kern kann ein optisches Signal übertragen werden. Weiterhin sind in den Kern in vorgebbaren Abständen Faser- Bragg-Gitter eingebracht. Das Faser-Bragg-Gitter reflektiert eine vorgebbare Wellenlänge, welche von der Gitterkonstanten abhängt. Licht anderer Wellenlängen kann das Faser-Bragg- Gitter durchdringen. Bei Einwirken einer mechanischen
Spannung oder bei Änderung der Temperatur ändert sich die Gitterkonstante, so dass aus der Änderung der reflektierten Wellenlänge auf einwirkende Kräfte oder Temperaturänderungen geschlossen werden kann.
Dieses vorbekannte Sensorelement weist jedoch den Nachteil auf, dass für die Realisierung einer Vielzahl von Mess- stellen, beispielsweise für eine Überwachung eines
mechanischen Bauteils mit guter Ortsauflösung, eine große Anzahl von Sensorelementen erforderlich ist- Sofern eine unabhängige Temperaturüberwachung erforderlich ist, erhöht sich die Anzahl der erforderlichen Sensorelemente weiter. Dadurch steigt der Aufwand der Messung und die Betriebssicherheit sinkt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, einwirkende Temperaturen und/oder mechanische Spannungen großflächig mit hoher Ortsauflösung zu erfassen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen faseroptischen Sensor gemäß Anspruch 14, einen faseroptischen Sensor gemäß Anspruch. 25, einen faseroptischen Sensor gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 22 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, einen faseroptischen Sensor mit zumindest zwei Kernen aus einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex und einem, die Kerne umgebenden Mantel aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex einzusetzen. Der erste Brechungsindex ist dabei größer als der zweite Brechungsindex, so dass an der Grenzfläche zwischen Kern und. Mantel Totalreflexion auftreten kann. Dadurch kann Licht einer vorgebbaren Wellenlänge bzw. Wellenlängenverteilung im Kern geführt werden, wobei keine oder nur ein, geringer Teil der Intensität in den Mantel übertritt. Das erste Material und/oder das zweite Material kann ausgewählt sein aus Quarz oder einem Polymer, beispielsweise Polymethylmethacrylat oder Polycarbonat . Um den Brechungsindex von Kern und Mantel an vorgebbare Werte anzupassen, kann das erste Material und/oder- das zweite Material dotiert sein, beispielsweise mit Germanium, Phosphor oder Fluor. Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, eine Mehrzahl von Kernen in einem einzigen Mantel anzuordnen. Aufgrund der Totalreflexion an den jeweiligen Grenzflächen zwischen Kern und Mantel ist das Übersprechen zwischen den Kernen nur gering, so dass die optischen Signale weitgehend unabhängig voneinander in den verschiedenen Kernen geführt werden.
In jeden Kern ist zumindest ein Faser-Bragg-Gitter eingebracht. Sofern die Faser-Bragg-Gitter an unterschiedlichen Orten entlang der Längserstreckung angeordnet sind, können unterschiedliche Messstellen realisiert werden. Unter dem Ort des Faser-Bragg-Gitters wird dabei im Sinne der vorliegenden Beschreibung der geometrische Schwerpunkt der Längsausdehnung des Faser-Bragg-Gitters verstanden.
Das Erzeugen der Faser-Bragg-Gitter kann in einer Ausführungsform der Erfindung durch punktweises Belichten des Faserkerns mit Femtosekunden Laserpulsen erfolgen. Der
Laserstrahl kann dazu auf einen Fokus von weniger als 20 μm fokussiert sein, so dass die hohe Lichtintensität des Lasers nur mit dem jeweils adressierten Kern wechselwirkt. Dadurch ist es möglich, einzelne Kerne in der Sensorfaser zu
adressieren und in die verschiedenen Kerne an unterschiedlichen Orten Faser-Bragg-Gitter mit unterschiedlichen
Gitterkonstanten zu schreiben.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann eine Mehrzahl von Faser-Bragg-Gittern unter Verwendung von
Phasenmasken zur großflächigen Belichtung erzeugt werden, was eine schnelle und rationelle Herstellung des Sensors ermöglicht .
Eine Mehrzahl von Faser-Bragg-Gittern in einem Kern kann aufgrund unterschiedlicher Gitterkonstanten durch die jeweils unterschiedliche Wellenlänge des reflektierten
Lichtes unterschieden werden. Alternativ oder zusätzlich können unterschiedliche Faser-Bragg-Gitter in einem Kern auch durch die Signallaufzeit getrennt voneinander
ausgelesen werden. Durch mehrere Kerne in einem Mantel kann die Anzahl verfügbarer Faser-Bragg-Gitter und damit die maximale Anzahl von Messorten vergrößert werden, so dass eine großflächige und engmaschige Überwachung der Temperatu und/oder der einwirkenden mechanischen Spannung mit nur einem einzigen Sensor ermöglicht wird. Dieser eine Sensor ist einfach handhabbar, einfach auslesbar und zuverlässig i oder an einer mechanischen Komponente zu befestigen.
Um eine großflächige Erfassung von Spannungen oder Temperaturen zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass der faseroptische Sensor zumindest einen ersten Längsabschnitt aufweist, in welchem die Faser-Bragg-Gitter an unterschiedlichen Orten entlang der Längserstreckung angeordnet sind. Dies schließt jedoch nicht aus, dass daneben ein weiterer Längsabschnitt vorhanden ist, in welchem zumindest zwei Faser-Bragg-Gitter in unterschiedlichen Kernen am gleichen Ort vorhanden sind. Dies erlaubt an bestimmten Stellen die redundante Erfassung von Temperatur und/oder mechanischer Spannung bzw. die unabhängige Erfassung von Temperatur und Spannung. Unter einer großflächigen Messung im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei eine Messung an einem Bauteil verstanden, welches eine große Abmessung in zumindest zwei Dimensionen aufweist, so dass der vorgeschlagene faseroptische Sensor in Mäandern in oder auf diesem Bauelement befestigt wird. In anderen Ausführungsformen der Erfin dung kann der faseroptische Sensor auch in einem langgestreckten Bauteil entlang dessen Längserstreckung eingebracht sein und die mechanische Belastung und/oder die Temperatur entlang der Längserstreckung dieses Bauteiles erfassen .
Als möglicher Anwendungsfall kann der faseroptische Sensor in Bauwerken eingesetzt werden, beispielsweise zur
Bestimmung der Bodenbelastung eines Gebäudes oder zur
Bestimmung einwirkender Kräfte auf eine Staumauer. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der vorgeschlagene Sensor zur Dauerüberwachung der Rotorblätter einer Windenergieanlage oder eines Hubschraubers verwendet werden. In wiederum einer anderen Ausführungsform kann der vorgeschlagene Sensor die mechanische Struktur eines
Flugzeuges überwachen, so dass unzulässige Flugmanöver oder die Ermüdung der mechanischen Strukturen, wie beispielsweise Rumpf oder Tragflächen, rechtzeitig erkannt werden. Sofern die zu überwachende mechanische Komponente aus
faserverstärkten Kunststoffen hergestellt wird, kann der faseroptische Sensor beim Laminieren der mechanischen
Komponente eingebracht werden und ist damit integraler
Bestandteil der mechanischen Komponente. In anderen Fällen kann der faseroptische Sensor durch Kleben, Verweben, Löten oder Schweißen mit dem zu überwachenden Bauteil verbunden werden .
In einigen Ausführungsformen der Erfindung betrifft diese einen faseroptischer Sensor mit zumindest zwei Kernen aus einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex und einem die Kerne umgebenden Mantel aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex, wobei in jeden Kern zumindest ein Faser-Bragg-Gitter eingebracht ist, wobei eine größere Anzahl von Faser-Bragg-Gittern an unterschiedlichen Orten entlang der Längserstreckung angeordnet sind als
Faser-Bragg-Gitter an identischen Orten eingebracht sind.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung betrifft diese einen faseroptischer Sensor mit zumindest einem Kern aus einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex und einem die Kerne umgebenden Mantel aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex, wobei im Kern zumindest zwei Faser-Bragg-Gitter eingebracht sind und der faseroptische Sensor zumindest einen zweiten Längsabschnitt aufweist, in welchem der Mantel eine Mehrzahl von Nanodrähten und der Kern zumindest ein Faser-Bragg-Gitter enthält. Der erfindungsgemäße Sensor kann in einigen Ausführungs- formen zwischen 5 und 25 Kernen aufweisen, welche in einem Mantel angeordnet sind. Dies erlaubt einerseits eine
hinreichend große Anzahl von Faser-Bragg-Gittern und damit eine hinreichende Anzahl an Messstellen und andererseits einen hinreichend kleinen Gesamtdurchmesser, so dass der faseroptische Sensor die Funktion der mechanischen
Komponente nicht beeinträchtigt und hinreichend enge
Biegeradien bei der Verlegung erlaubt .
Die Verwendung einer faseroptischen Sensorfaser mit mehreren Kernen eröffnet die Möglichkeit, beispielsweise nur 10 verschiedene Faser-Bragg-Gitter mit unterschiedlichen Wellenlängen λ1 bis λ10 in einer Sensorfaser zu verwenden und dennoch eine große Anzahl von Faser-Bragg-Gittern in einer einzigen Faser einzusetzen. Beispielsweise kann eine Faser 10 Kerne enthalten, wobei jeder individuelle Faserkern die genannten beispielsweise 10 Faser-Bragg-Gitter an verschiedenen Orten enthält. Auf diese Weise können 100 Faser- Bragg-Gitter verwendet werden.
Zur Auslese kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung das Breitbandlicht einer Superlumineszenzdiode simultan in sämtliche Kerne eingekoppelt werden. Das Auslesen der reflektierten Strahlung aus den einzelnen Kernen kann über zeitliches und/oder räumliches Multiplexing erfolgen. Die vergleichsweise geringe Zahl von Faser-Bragg-Gittern pro Kern ermöglicht einen hohen dynamischen Bereich bei
Dehnungsmessungen. Sofern eine größere Anzahl von Faser- Bragg-Gittern in einem Faserkern angeordnet ist, liegen die einzelnen Bragg Wellenlängen dichter beisammen, was dazu führen kann, dass sich die verschiedenen Bragg Wellenlängen beim Auftreten größerer Dehnungen vermischen. Der Fachmann wird daher die Anzahl der Kerne pro Faser und die Anzahl der Faser-Bragg-Gitter pro Kern so aufeinander abstimmen, das eine hinreichende Ortsauflösung und ein hinreichender dynamischer Bereich der Dehnungsmessung für die geplante Anwendung bereitgestellt werden. Durch die erfindungsgemäß verwendete Faser mit einer Mehrzahl von Kernen kann der Wellenlängenabstand der Faser-Bragg-Gitter entsprechend groß gewählt werden und dennoch kann eine große Zahl von Faser- Bragg-Gittern und damit eine große Anzahl von Messstellen bereitgestellt werden.
Der Durchmesser eines Kernes kann in einigen Ausführungs- formen der Erfindung zwischen 3,5 und 200 μm betragen. Der Durchmesser des Mantels kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung zwischen 50 μm und 2000 μm betragen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Mantel mit einer optionalen Beschichtung versehen werden, beispielsweise aus einem Polymer. Hierdurch wird die Widerstandsfähigkeit gegen mechanische oder chemische Angriffe erhöht, so dass die Zuverlässigkeit und/oder die Lebensdauer weiter ansteigen .
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann jeder Kern zwischen 5 und 25 Faser-Bragg-Gitter enthalten. Diese Anzahl erlaubt einerseits eine Mehrzahl von Messorten, welche durch einen einzigen faseroptischen Sensor abgedeckt werden können und andererseits eine einfache Auswertung der optischen Messsignale. Auf diese Weise kann ein einzelner Sensor mehr als 50 Faser-Bragg-Gitter oder mehr als 100 Faser-Bragg- Gitter oder mehr als 250 Faser-Bragg-Gitter enthalten.
Daraus ergibt sich entweder eine große Längserstreckung, um sehr große Bauteile zu überwachen oder eine große
Ortsauflösung, so dass einwirkende Kräfte bzw. mechanische Spannungen sehr genau bestimmt werden können.
Die Auslese der in einem Kern angeordneten Faser-Bragg- Gitter kann entweder mit einer Mehrzahl von Spektrometern und einer Mehrzahl von Lichtquellen erfolgen. Dadurch können gleichzeitig in mehreren Kernen optische Abfragesignale eingekoppelt werden und die von den jeweiligen Faser-Bragg- Gittern reflektierten Signale erfasst werden. Die Abfrage- frequenz bzw. Messgeschwindigkeit kann dadurch erhöht sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der faseroptische Sensor über einen optischen Schalter mit einer einzigen Lichtquelle und/oder einem Spektrometer verbunden sein. Auf diese Weise können die in mehreren Kernen
angeordneten Faser-Bragg-Gitter sequentiell ausgelesen werden, so dass der apparative Aufwand reduziert ist, ohne auf die gute Ortsauflösung und/oder großflächige Messung zu verzichten. Ein Spektrometer kann ein planaroptisches
Filterelement enthalten.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der faseroptische Sensor einen zweiten Längsabschnitt aufweisen, in welchem der Mantel eine Mehrzahl von Nanodrähten enthält und der Kern zumindest ein Faser-Bragg-Gitter enthält. Durch die Verstärkung des Mantels mit Nanodrähten ändert sich der Elastizitätsmodul des faseroptischen Sensors im betreffenden Längsabschnitt. Dadurch ergibt sich bei einer vorgebbaren einwirkenden Kraft eine geringere Änderung der Gitterkonstanten des Faser-Bragg-Gitters im zweiten Längsabschnitt, verglichen mit Faser-Bragg-Gittern in Längsabschnitten, an welchen keine Nanodrähte im Mantel angeordnet sind. Sofern sich die Gitterkonstante der Faser-Bragg-Gitter aufgrund von Temperaturänderungen ändert, ist diese Änderung jedoch unabhängig von der Anwesenheit der Nanodrähte. Damit können thermische Änderungen der Gitterkonstanten von mechanisch induzierten Änderungen der Gitterkonstanten getrennt werden. Damit wird es möglich, einen einzigen faseroptischen Sensor sowohl zur Erfassung der mechanischen Spannung als auch der Temperatur einzusetzen. Die Verwendung eines zweiten faseroptischen Sensors zur Temperaturkompensation ist nicht erforderlich, so dass der apparative Aufwand sinkt und die Zuverlässigkeit ansteigt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest ein Nanodraht Zinkoxid und/oder Kohlenstoff enthalten oder daraus bestehen. Dieses Material zeigt eine gute Verbindung mit Polymermaterialien, welche für die Herstellung des Mantels verwendbar sind.
Die Nanodrähte können in einigen Ausführungsformen der Erfindung einen Durchmesser von etwa 10 nm bis etwa 500 nm aufweisen. Hierdurch ergibt sich eine hinreichende
mechanische Stabilisierung des Faseroptischen Sensors im zweiten Längsabschnitt ohne störende Einflüsse auf die mechanischen und/oder optischen Eigenschaften.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der faseroptische Sensor selbstverständlich eine Mehrzahl von zweiten Längsabschnitten aufweisen, welche jeweils zumindest ein Faser-Bragg-Gitter und eine Mehrzahl von Nanodrähten
enthalten. Dies erlaubt die exakte Temperaturbestimmung entlang der Längserstreckung des faseroptischen Sensors ebenso wie die Kraftmessung mit erhöhter Genauigkeit.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt:
Figur 1 einen faseroptischen Sensor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 2 zeigt einen faseroptischen Sensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 3 zeigt einen faseroptischen Sensor gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Verfahrens zur Bestimmung von Temperatur und mechanischer Spannung.
Figur 5 zeigt einen faseroptischen Sensor gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der faseroptische Sensor 1 enthält einen Lichtwellenleiter, welcher aus einem Mantel 11 und einer Mehrzahl von Kernen 10 aufgebaut ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier Kerne dargestellt. Selbstverständlich kann die Anzahl der Kerne im Mantel 11 auch größer oder geringer sein und beispielsweise zwischen 1 und 50 liegen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung liegt die Anzahl der Kerne zwischen 5 und 25.
Jeder Kern 10 unterscheidet sich vom Mantel 11 darin, dass der Kern 10 aus einem ersten Material mit einem ersten
Brechungsindex n1 besteht und der Mantel 11 aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex n2. Dabei ist der erste Brechungsindex größer als der zweite Brechungsindex. Kern und Mantel können aus einem Polymer oder einem Glas gefertigt sein, beispielsweise Polymethylmethacrylat,
Polycarbonat oder Quarz . Der Brechungsindex kann durch
Dotierstoffe an vorgebbare Sollwerte angepasst werden. An der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel tritt Totalreflexion auf, so dass Licht im Inneren des Kernes 10 geführt werden kann. In einigen Ausführungsformen der
Erfindung ist der Kern so ausgestaltet, dass nur eine Mode ausbreitungsfähig ist. Auf der Außenfläche des Mantels 11 kann eine nicht dargestellte optionale Umhüllung bzw.
Beschichtung angebracht sein, um den Mantel 11 und die Kerne 10 vor mechanischer Beanspruchung oder chemischer Zersetzung in aggressiver Umgebung zu schützen.
In den Kernen 10 sind Faser-Bragg-Gitter 12 eingebracht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeder Kern 10 mit vier Faser-Bragg-Gittern versehen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der Faser-Bragg-Gitter größer oder geringer sein und beispielsweise zwischen 1 und etwa 50 liegen, insbesondere zwischen etwa 5 und etwa 25. Jedes der vier Faser-Bragg-Gitter 12 in einem Kern 10 kann eine unterschiedliche Gitterkonstante aufweisen, so dass jedes Faser-Bragg-Gitter eine unterschiedliche Wellenlänge reflektiert. Auf diese Weise kann anhand der reflektierten Wellenlänge unterschieden werden, von welchem Faser-Bragg- Gitter das reflektierte Licht stammt. Auf diese Weise kann eine Ortsauflösung des faseroptischen Sensors erzielt werden .
Die Faser-Bragg-Gitter 12 können in einigen Ausführungsformen der Erfindung durch Materialmodifikation mittels eines Femtosekundenlasers in die Kerne 10 eingeschrieben werden. Somit können die Orte der jeweiligen Faser-Bragg- Gitter frei gewählt werden. Dies erlaubt es, den faseroptischen Sensor bezüglich seiner Länge und seiner
räumlichen Auflösung an den gewünschten Anwendungszweck anzupassen .
Wie beispielhaft am ersten Längsabschnitt 21 erläutert ist, sind die Faser-Bragg-Gitter eines eines Kernes im Vergleich zu den Faser-Bragg-Gitter eines benachbarten Kernes 10 an unterschiedlichen Orten angeordnet. Dadurch kann der Sensor verlängert werden, so dass eine größere Anzahl von Faser- Bragg-Gittern 12 und damit eine Mehrzahl von Messorten mit einem Sensor bereitgestellt werden kann. Würde nur der
Abstand der Faser-Bragg-Gitter auf dem einzigen Kern
vergrößert werden, könnte zwar ebenfalls ein größerer
Messbereich abgedeckt werden, jedoch mit reduzierter
Auflösung. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann durch Selektion des Kernes 10 und der Signallaufzeit bzw. der reflektierten Wellenlänge jedes der im Ausführungsbeispiel 16 Faser-Bragg-Gitter separat ausgelesen werden und die dadurch erhaltenen Messewerte können einem Messort
zugeordnet werden.
Im Längsabschnitt 21 sind die Faser-Bragg-Gitter mit jeweils unterschiedlichen Orten entlang der Längserstreckung angeordnet, d.h. hintereinander. Dies schließt nicht aus, dass in anderen Ausführungsformen der Erfindung der faseroptische Sensor auch weitere Längsabschnitte aufweist, in welchen Faser-Bragg-Gitter unterschiedlicher Kerne am gleichen Ort angeordnet sind, d.h. nebeneinander.
Weiter zeigt Figur 1 eine einfache Signalauslese, welche einen geringen apparativen Aufwand erfordert. Die vier Kerne 10 sind mit jeweils einem Lichtwellenleiter 31 an einem optischen Schalter bzw. Multiplexer 3 angeschlossen. Der Multiplexer 3 weist neben den vier Anschlüssen für die vier Kerne 10 einen Anschluss 33 für eine Lichtquelle 5 auf sowie einen Anschluss 32 für ein Spektrometer 4.
Die Lichtquelle 5 dient der Erzeugung eines optischen
Abfragesignals für die Faser-Bragg-Gitter 12 in den Kernen 10. Hierzu kann die Lichtquelle 5 eine Superlumineszenzdiode oder einen durchstimmbaren Halbleiterlaser enthalten.
Darüber hinaus kann die Lichtquelle 5 optional weitere
Elektronik enthalten, beispielsweise um die Lichtquelle zu pulsen, mit einer Betriebsspannung zu versorgen oder zu kühlen. Die von der Lichtquelle 5 ausgesandte Strahlung wird über den Lichtwellenleiter 33 dem Multiplexer 3 zugeführt.
Über die jeweils mit dem Ausgang verbundene Faser 31 koppelt das Licht in einen Kern 10 des faseroptischen Sensors 1 ein. Dort wird von jedem Faser-Bragg-Gitter 12 ein schmaler
Wellenlängenbereich reflektiert. Die mittlere Wellenlänge und die Breite des reflektierten Spektrums wird durch die Gitterkonstante des Faser-Bragg-Gitters 12 festgelegt. Die Gitterkonstante wiederum wird zum einen bei der Herstellung des Faser-Bragg-Gitters 12 festgelegt und andererseits durch einwirkende Temperatur oder mechanische Spannung verändert. Somit ist im reflektierten Spektrum der Ort des Faser-Bragg- Gitters 12, die Temperatur und die mechanische Spannung bzw. die einwirkende Kraft codiert. Zur Analyse des reflektierten Spektrums steht ein Spektrometer 4 zur Verfügung. Diesem wird Licht über die Anschlusswellenleiter 31, den Multiplexer 3 und den Verbindungswellenleiter 32 zugeführt. Das Spektrometer 4 kann die Intensität in vorgebbaren Wellenlängenbereichen bestimmen. Hierzu kann das Spektrometer 4 ein planaroptisches Filterelement enthalten, beispielsweise ein Arrayed-Waveguide- Grating oder eine Schaltung von mehreren Faser-Bragg- Gittern, Kopplern und Wellenleitern, wie aus der unveröffentlichten DE 10 2011 017 622 bekannt. Durch ein solches planaroptisches Filterelement ergibt sich ein kompakter Aufbau, so dass die gesamte Auswerteschaltung für eine große Anzahl von Faser-Bragg-Gittern nur einen geringen Bauraum einnimmt .
Im Spektrometer 4 kann optional eine Wandlung der optischen Signale in elektrische Signale vorgenommen werden, welche dann weiterverarbeitet werden können. Das planaroptische Filterelement weist in der Regel so viele Kanäle auf, wie Faser-Bragg-Gitter 12 in einem Kern 10 vorhanden sind, wobei die Mittenwellenlänge der Kanäle auf die mittlere
reflektierte Wellenlänge der Faser-Bragg-Gitter 12 abgestimmt ist. Dadurch können alle in einem Kern 10 angeordneten Faser-Bragg-Gitter 12 in einem Abfragetakt ausgelesen werden.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Spektrometer 4 und die Lichtquelle 5 mehrfach vorhanden sein, so dass der Multiplexer 3 entfallen kann. In diesem Fall können alle Faser-Bragg-Gitter in allen Kernen 10 in einem Abfragetakt ausgelesen werden, so dass sich die
Frequenz der Messdatenerfassung erhöht.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt. Auch der faseroptische Sensor gemäß der zweiten Ausführungsform weist einen Mantel 11 auf, in welchem eine Mehrzahl von Kernen 10 ausgebildet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Kerne 10a, 10b und 10c dargestellt. In jedem Kern sind vier Faser-Bragg- Gitter ausgebildet. Auch im zweiten Ausführungsbeispiel weist der faseroptische Sensor einen ersten Längsabschnitt 21 auf, in welchem die Faser-Bragg-Gitter an unterschiedlichen Orten angeordneten sind. Zusätzlich weist der Sensor gemäß der zweiten Ausführungsform einen zweiten Längsabschnitt 22 auf, welcher eine Mehrzahl von Nanodrähten 15 und zumindest ein Faser-Bragg-Gitter 12 enthält. Der zweite Längsabschnitt 22 kann ein Teilabschnitt des ersten Längsabschnittes 21 sein. In anderen Ausführungsformen der
Erfindung kann der zweite Längsabschnitt 22 unabhängig vom ersten Längsabschnitt 21 sein bzw. an diesen angrenzen.
Figur 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung aus dem zweiten Längsabschnitt 22. Daraus ist erkennbar, dass der zweite Längsabschnitt 22 ein Faser-Bragg-Gitter 12 enthält, welches im Kern 10b ausgebildet ist. Die Nanodrähte 15 sind im
Mantel 11 dispergiert, wobei diese zumindest einen Bereich um das Faser-Bragg-Gitter 12 ausfüllen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Nanodrähte 15 aus Zinkoxid bestehen oder Zinkoxid enthalten. Die Nanodrähte können einen Durchmesser von 200 bis 600 nm aufweisen. Die Nanodrähte 15 können nasschemisch hergestellt sein und im Material des Mantels 11 dispergiert werden.
Die Nanodrähte können in etwa entlang der Längserstreckung des faseroptischen Sensors ausgerichtet sein, wobei die Längsachsen der Nanodrähte mit der Längserstreckung des Sensors einen Winkel von weniger als 25°, weniger als 20°, weniger als 15° oder weniger als 5° einschließen.
Die Nanodrähte haben die Wirkung, dass sich der
Elastizitätsmodul des Mantels 11 lokal ändert, so dass einwirkende Kräfte eine geringere Verformung und damit eine geringe Veränderung der Gitterkonstanten des Faser-Bragg- Gitters 12 im zweiten Längsabschnitt 22 bewirken. Eine
Änderung der Gitterkonstanten aufgrund der Temperatur findet jedoch innerhalb und außerhalb des zweiten Längsabschnittes 22 gleichermaßen statt. Somit kann durch Auslese eines
Faser-Bragg-Gitters 12 in einem zweiten Längsabschnitt 22 und eines Faser-Bragg-Gitters 12 außerhalb eines zweiten Längsabschnittes 22 die Temperatur und die einwirkende Kraft unabhängig voneinander bestimmt werden. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, können mehrere zweite Längsabschnitte 22 in einem faseroptischen Sensor vorhanden sein, im dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei zweite Längsabschnitte
dargestellt. Die zweiten Längsabschnitte 22 können separiert von den ersten Längsabschnitten 21 sein oder einen Teil des ersten Längsabschnittes 21 einnehmen.
Figur 3 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen faseroptischen Sensors. Figur 3 zeigt einen Lichtwellenleiter 1, welcher als faseroptischer Sensor verwendet wird. Der faseroptische Sensor weist einen Mantel 11 und einen einzigen Kern 10 auf, wie vorstehend beschrieben. Im Kern 10 sind Faser-Bragg-Gitter 12 eingebracht. Im
dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier Faser-Bragg- Gitter 12a, 12b, 12c und 12d gezeigt. Eines der Faser-Bragg- Gitter, im dargestellten Ausführungsbeispiel das Gitter 12b, ist mit Nanodrähten 15 im Mantel 11 umgeben. Somit ist das Faser-Bragg-Gitter 12b in einem zweiten Längsabschnitt 22 angeordnet .
Aufgrund der räumlichen Nähe des zweiten Längsabschnittes 22 zum Faser-Bragg-Gitter 12c befinden sich die Faser-Bragg- Gitter 12b und 12c auf gleicher Temperatur, so dass durch Verhältnisbildung der Signale der Faser-Bragg-Gitter 12b und 12c eine Temperaturkompensation bzw. eine Temperaturmessung erfolgen kann. Somit erlaubt das Einbringen von Nanoröhrchen 15 in zumindest einen Längsabschnitt 22 des faseroptischen Sensors 1 eine einfache Temperatur- und Kraftmessung mit einem faseroptischen Sensor.
Auch wenn in Figur 2, Figur 3, Figur 5 und Figur 6 die
Lichtquelle 5, der optionale Multiplexer 3 und das
Spektrometer 4 nicht dargestellt sind, so versteht sich von selbst, dass auch die faseroptischen Sensoren gemäß der zweiten, dritten und vierten Ausführungsform mit diesen Komponenten verbindbar sind, um auf diese Weise die
Messwerte durch optische Auslese bzw. Spektroskopie zu erzeugen und zu erfassen.
Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Messverfahrens zur Erfassung mechanischer Zustandsgrößen . Im ersten Verfahrensschritt 51 wird ein faseroptischer Sensor mit zumindest zwei Kernen aus einem ersten Material mit ersten Brechungsindex und einem die Kerne umgebenden Mantel aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex bereitgestellt. Beispielsweise kann es sich dabei um einen faseroptischen Sensor gemäß den
Figuren 1, 2 oder 3 handeln.
Im zweiten Verfahrensschritt 52 kann der faseroptische
Sensor mit einer mechanischer Komponente, beispielsweise einem Rumpf oder einer Tragfläche oder einer Triebwerksgondel eines Flugzeuges, einem Turm oder einem Rotorblatt einer Windkraftanlage, einem Teppich oder einem anderen Bodenbelag, einem Seil oder einem Spanngurt oder einem anderen Bauteil verbunden werden. Die Verbindung des Sensors mit dem Bauteil kann durch Laminieren, Verkleben, Verflechten, Schweißen oder Löten erfolgen.
Im dritten Verfahrensschritt 53 wird Licht in die Kerne des faseroptischen Sensors eingekoppelt, beispielsweise aus einem Halbleiterlaser, einer Superlumineszenzdiode oder einer anderen gepulsten oder im Dauerstrichbetrieb
betriebenen Lichtquelle. Das Licht breitet sich entlang der Kerne 10 der faseroptischen Sensoren 1 aus und wird von den Faser-Bragg-Gittern 12 teilweise reflektiert. Die
reflektierte Wellenlänge hängt dabei von der Gitterkonstanten des Faser-Bragg-Gitters , der Temperatur und der einwirkenden Kraft ab.
Im vierten Verfahrensschritt 54 wird das von den Faser- Bragg-Gittern reflektierte Licht erfasst und einem
Spektrometer zugeführt .
Im fünften Verfahrensschritt 55 wird die Intensität in vorgebbaren Wellenlängenbereichen erfasst, um auf diese Weise Rückschlüsse auf die effektive Gitterkonstante der Faser-Bragg-Gitter 12 an vorgebbaren Orten zu erhalten. Aus dieser Gitterkonstanten kann schließlich die einwirkende Kraft und/oder die Temperatur bestimmt werden.
Zur Entkopplung beider Messgrößen kann in einem optionalen sechsten Verfahrensschritt 56 das Verhältnis der Intensität des von zumindest einem Faser-Bragg-Gitter 12 außerhalb des zweiten Längsabschnittes 22 und des von zumindest einem Faser-Bragg-Gitter 12 innerhalb des zweiten Längsabschnittes reflektierten Lichtes durchgeführt werden.
Zur fortlautenden Messwerterfassung können die
Verfahrensschritte 53 bis 56 zyklisch wiederholt werden.
Figur 5 zeigt einen faseroptischen Sensor gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Teile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränken kann.
Auch der Sensor gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung enthält einen Lichtwellenleiter 1, welcher als faseroptischer Sensor verwendet wird. Der faseroptische Sensor weist einen Mantel 11 und zumindest einen Kern 10 auf, wie vorstehend beschrieben. Die Anzahl der Kerne 10 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung zwischen eins und etwa 25 liegen. Im Kern 10 sind Faser-Bragg-Gitter 12 eingebracht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind fünf
Faser-Bragg-Gitter 12a, 12b, 12c, 12d und 12e gezeigt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl größer oder geringer sein und zwischen eins und etwa 25 liegen. Der Mantel 11 enthält ein piezoelektrisches Material oder besteht aus einem solchen Material . Das piezoelektrische Material kann im Mantel 11 so angeordnet sein, dass es zumindest einen Kern 10 umgibt. Das piezoelektrische Material kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein Polymer oder ein Kristall sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das piezoelektrische Material Nanodrahte 15 enthalten. Die Nanodrahte können ZnO enthalten oder daraus bestehen.
Weiterhin enthält der Sensor gemäß der vierten Ausführungsform elektrische Anschlusskontakte 16, an welche eine elektrische Spannung anlegbar ist. Dadurch kann ein elektrisches Feld im Sensor erzeugt werden. Beim Anlegen eines elektrischen Feldes wird der Mantel 11 des Sensors 1 aufgrund des piezoelektrischen Materials 3 gedehnt oder gestaucht. Durch das piezoelektrische Material bewirkt daher die Anwesenheit einer elektrischen Spannung eine mechanische
Spannung im Sensor 1. Die mechanische Spannung führt zu einer Längenänderung, welche mittels der sich verändernden Gitterkonstanten der Faser-Bragg-Gitter nachgewiesen werden kann. Somit kann der Sensor gemäß der vierten Ausführungs- form der Erfindung eine elektrische Spannung erfassen.
Sofern die elektrische Spannung zyklisch an die Anschlusskontakte 16 angelegt wird, kann in den spannungsfreien
Pausenzeiten eine Temperatur und/oder eine Kraft gemessen werden, wie vorstehend beschrieben. Der Sensor kann
beispielsweise in ein Batteriegehäuse eingebracht werden und auf diese Weise zur Erfassung von Temperatur und/oder Kraft und/oder elektrischer Spannung dienen. Damit kann erstmals ein Batteriemanagement vollständig auf optischer Sensorik basierend realisiert werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit ansteigen.
Figur 6 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Teile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränken kann.
Auch die fünfte Ausführungsform der Erfindung ist zur Erfassung von Temperatur und/oder Kraft und/oder elektrischer Spannung ausgebildet. Der Sensor gemäß Figur 6 weist eine Mehrzahl von Kernen 10 in einem gemeinsamen Mantel 11 auf, wobei die Kerne 10 jeweils zumindest ein Faser-Bragg-Gitter 12 enthalten.
In einem Längsabschnitt 23 des Sensors 1 enthält der Mantel ein piezoelektrisches Material wie vorstehend beschrieben. Ebenso sind elektrische Anschlusskontakte 16 vorgesehen, mit welchen zumindest in einem Teilbereich des im Längsabschnittes 23 ein elektrisches Feld erzeugt werden kann. Auf diese Weise kann im Längsabschnitt 23 mit dem dort angeordneten, zumindest einem Faser-Bragg-Gitter 12 fortlaufend die elektrische Spannung gemessen werden. Die Faser-Bragg- Gitter 12 außerhalb des Längsabschnittes 23 stehen dann zur Messung der Temperatur und/oder der Kraft zur Verfügung.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Merkmale aus unterschiedlichen, vorstehend detailliert beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können zu weiteren Ausführungsformen kombiniert werden. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungs- form der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die
Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste" und „zweite" Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

Ansprüche
1. Faseroptischer Sensor mit zumindest einem Kern aus
einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex und einem die Kerne umgebenden Mantel aus einem zweiten
Material mit einem zweiten Brechungsindex, wobei im Kern zumindest ein Faser-Bragg-Gitter eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel des faseroptischen Sensors weiterhin ein piezoelektrisches Material enthält oder daraus besteht.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Material Nanodrähte (15) enthält
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Material Zinkoxid enthält oder daraus besteht.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zumindest zwei elektrische
Anschlusskontakte enthält.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass dieser eine Mehrzahl von Faser-Bragg- Gittern (12) mit unterschiedlicher Gitterkonstante
enthält .
6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass dieser zwischen einem und 25 Kernen enthält .
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass jeder Kern zwischen einem und 25 Faser-Bragg-Gitter enthält.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass an den Sensor zyklisch eine
elektrische Spannung anlegbar ist.
9. Verfahren zur Bestimmung einer elektrischen Spannung, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Faseroptischer Sensor mit zumindest einem Kern (10) aus einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex und einem den Kern (10) umgebenden Mantel (11) aus einem zweiten
Material mit einem zweiten Brechungsindex verwendet wird, wobei im Kern (10) zumindest ein Faser-Bragg-Gitter (12) eingebracht ist und der Mantel des faseroptischen Sensors zumindest einen Längsabschnitt (23) aufweist, in welchem der Mantel weiterhin ein piezoelektrisches Material enthält oder daraus besteht, wobei durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine Längenänderung des Mantels erzeugt und die entstehende mechanische Spannung durch Änderung der Gitterkonstanten des Faser-Bragg-Gitters
( 12 ) nachgewiesen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung nur in einem Teilabschnitt angelegt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung zyklisch angelegt wird und in spannungsfreien Pausenzeiten eine Temperatur und/oder eine Kraft gemessen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch Bestimmung von elektrischer Spannung und/oder Temperatur und/oder mechanischer
Spannung ein Batteriemanagement durchgeführt wird.
13. Batteriegehäuse mit einem Sensor nach einem der
Ansprüche 1 bis 8.
14. Faseroptischer Sensor (1) mit zumindest zwei Kernen
(10) aus einem ersten Material mit einem ersten
Brechungsindex (n1) und einem die Kerne umgebenden Mantel
(11) aus einem zweiten Material mit einem zweiten
Brechungsindex (n2) , wobei in jeden Kern (10) zumindest ein Faser-Bragg-Gitter (12) eingebracht ist, dadurch ge- kennzeichnet, dass
in zumindest einem ersten Längsabschnitt (21) des faseroptischen Sensors (1) die Faser-Bragg-Gitter (12) an unterschiedlichen Orten entlang der Längserstreckung angeordnet sind.
15. Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zwischen 5 und 25 Kernen (10) in einem Mantel (11) enthält .
16. Sensor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mehr als 50 Faser-Bragg-Gitter (12) oder mehr als 100 Faser-Bragg-Gitter (12) enthält.
17. Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kern (10) zwischen 5 und 25 Faser-Bragg-Gitter (12) enthält.
18. Sensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Faser-Bragg-Gitter (12) in einem Kern eine unterschiedliche Gitterkonstante aufweist.
19. Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 18, weiterhin enthaltend einen optischen Schalter (3), welcher dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl von Kernen (10)
sequentiell mit einer Lichtquelle (5) und/oder einem planaroptischen Filterelement (4) zu verbinden.
20. Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der faseroptische Sensor zumindest einen zweiten Längsabschnitt aufweist, in welchem der Mantel (11) eine Mehrzahl von Nanodrähten (15) und der Kern (10) zumindest ein Faser-Bragg-Gitter enthält.
21. Sensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Nanodraht (15) Zinkoxid enthält oder daraus besteht .
22. Verfahren zur Erfassung mechanischer Zustandsgroßen, enthaltend die folgenden Schritte: - Bereitstellen (51) eines faseroptischen Sensors (1) mit zumindest zwei Kernen (10) aus einem ersten
Material mit einem ersten Brechungsindex (n1) und einem die Kerne umgebenden Mantel (11) aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex (n2) , wobei in jeden Kern (10) zumindest ein Faser-Bragg-Gitter (12) eingebracht ist und in zumindest einem ersten Längsabschnitt (21) des faseroptischen Sensors (1) die Faser-Bragg-Gitter (12) an unterschiedlichen Orten entlang der Längserstreckung angeordnet sind,
- Verbinden (52) des faseroptischen Sensors (1) mit
einer mechanischen Komponente,
- Einkoppeln (53) von Licht in zumindest zwei Kerne
(10a, 10b, 10c) ,
- Erfassen (54) des von den Faser-Bragg-Gittern (12)
reflektierten Lichtes,
- Auswerten (55) der Intensität in vorgebbaren
Wellenlängenbereichen .
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,
dass der Mantel (11) des faseroptischen Sensors (1) in zumindest einem zweiten Längsabschnitt (22) eine Mehrzahl von Nanodrähten (15) und zumindest ein Faser-Bragg-Gitter (12) enthält und eine Verhältnisbildung (56) der
Intensität des von zumindest einem Faser-Bragg-Gitter (12) außerhalb des zweiten Längsabschnittes (22) und des von zumindest einem Faser-Bragg-Gitter (12) innerhalb des zweiten Längsabschnittes (22) reflektierten Lichtes durchgeführt wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Spannung und die Temperatur an einer Mehrzahl von Messstellen erfasst wird.
25. Faseroptischer Sensor mit zumindest einem Kern aus
einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex und einem die Kerne umgebenden Mantel aus einem zweiten
Material mit einem zweiten Brechungsindex, wobei im Kern zumindest zwei Faser-Bragg-Gitter eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass der faseroptische Sensor zumindest einen zweiten Längsabschnitt aufweist, in welchem der Mantel eine Mehrzahl von Nanodrähten und der Kern zumindest ein Faser-Bragg-Gitter enthält.
26. Sensor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Nanodraht (15) Zinkoxid enthält oder daraus besteht .
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