Fachbereich Elektrotechnik / Informationstechnik

Sensorik

Laborpraktikum

Versuch S 14

Fasergitter-Dehnungssensor Set: ....................................... Praktikumsgruppe: ....................................... Teilnehmer: ....................................... .......................................

Datum: ....................................... Testat: ....................................... ....................................... Unterschrift

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1. Versuchsziel Kennenlernen von Wirkprinzipien, Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten neuartiger faseropti-scher Sensoren am Beispiel von faseroptischen Bragg-Gittern zur Messung von mechanischen Dehnun-gen und Temperaturen. Im Versuch sollen Fasergitter-Dehnungssensoren kalibriert werden, indem die Änderung der Bragg-Wellenlänge bei definierter Dehnung der Sensoren an einem Biegebalken bestimmt werden. Die in diesem Versuch verwendeten faseroptischen Sensoren und spektralen Auswerteverfahren wurden in der Abteilung Optische Mikrosysteme des IPHT, Bereich Optik, entwickelt. 2. Einführung: Eigenschaften und Anwendungen faseroptischer Sensoren Mit der Nutzung dämpfungsarmer optischer Informationsübertragung in dotierten Glasfasern begann nicht nur eine neue Epoche auf dem Gebiet der Kommunikationstechnik, sie eröffnete auch vielfältige Möglichkeiten zur Realisierung neuartiger Sensoren und Messsysteme. Derartige faseroptische Senso-ren weisen gegenüber konventionellen elektronischen Sensoren eine ganze Reihe von anwendungsspe-zifischen Vorteilen auf. Sie sind einsetzbar unter "widrigen" Umgebungsbedingungen wie in starken elekt-romagnetischen Feldern, Hochspannungs- oder Kernstrahlungsbereichen, explosiven oder chemisch aggressiven Medien sowie bei hohen Temperaturen. Miniaturisierbarkeit, Flexibilität und elektrische Po-tentialfreiheit machen Lichtwellenleiter-Sensoren geeignet für Anwendungen in der medizinischen "in vivo"-Diagnostik. Ihre Multiplex-Fähigkeit sowie eine verstärkerlose optische Signalübertragung bis in den Kilometerbereich ermöglichen die Installierung von räumlich verteilten Sensor-Netzwerken mit bis zu mehreren hundert Messstellen zur technischen Überwachung von Industrieanlagen und Bauwerken. Von besonderer perspektivischer Bedeutung ist in diesem Zusammenhang die Einbettung von optischen Sensor-Glasfasern in Verbundwerkstoffe wie Beton oder Faser-Kunststoff-Verbundmaterialien – die Rea-lisierung "technischer Nervensysteme aus Glasfasern". An derartigen "Smart Structures" wird seit einigen Jahren international mit zunehmendem Forschungs- und Entwicklungsaufwand gearbeitet. Die faseroptische Sensorik ist eine vergleichsweise junge Sensortechnologie. Zahlreiche faseroptische Sensoren und Systemlösungen für verschiedene physikalische und chemische bzw. biochemische Messgrößen befinden sich gegenwärtig noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium oder in der Pha-se der technischen Erprobung. Beispiele für bereits seit einigen Jahren kommerziell verfügbare Faser-sensoren sind neben einfacheren (intensitätskodierten) Positions-, Abstands- und Näherungssensoren für die Automatisierungstechnik insbesondere die interferometrischen Faser-Gyroskope (Kreisel bzw. Rotationssensoren) für Navigations- oder Lagestabilisierungssysteme (Flugzeuge, Raketen, Satelliten, Fahrzeuge u.a.), medizinische Blutgas- und Hirndruck-Sensoren, oder verteilte ortsauflösende Tempera-tur-Sensorsysteme auf der Basis von Raman-Streuung und zeitauflösender Laserimpuls-Rückstreumesstechnik in Glasfasern (Messbereich bis 10 km, Ortsauflösung 1 m) zur Überwachung von Pipelines, Energiekabeln, Tunneln und anderen räumlich ausgedehnten technischen Anlagen bzw. Bau-werken. Faseroptische Sensoren finden vorzugsweise in solchen Bereichen zunehmend Anwendung, in denen etablierte und preiswerte elektronische Sensoren (z.B. Silizium-Sensoren auf der Basis von Mikroelektro-nik-Technologien) nicht oder nur bedingt einsetzbar sind (siehe oben). Solche potentiellen Anwendungs-gebiete sind:

• Industrielle Prozesskontrolle/Automatisierungstechnik (z.B. Chemieindustrie) • Luft- und Raumfahrt, Verkehrstechnik • Medizin, Umwelt- und Biotechnik • Energietechnik • Bauwerks- und Geotechnik . 3. Grundlagen faseroptischer Sensoren Der grundlegende Messaufbau faseroptischer Sensoren ist in Bild 1 schematisch dargestellt. Licht einer Lichtquelle (Laser, LED oder breitbandige Strahler) wird in einen Lichtwellenleiter (Sende-LWL) einge-koppelt. Im sensitiven Element (Messwandler) wird einer der charakteristischen Parameter P des Lichtes • Intensität (Lichtleistung) • Wellenlänge bzw. spektrale Intensitätsverteilung (Spektrum) • optische Phase (Interferometrie mit kohärentem Licht) • Polarisation oder • Zeitabhängigkeit (Pulsmodulation, Fluoreszenz-Abklingzeit u.a.) durch die Wirkung der zu messenden Größe x mit Hilfe eines geeigneten Wirkprinzips so moduliert ("ko-diert"), dass ein eindeutiger Zusammenhang P(x) zwischen optischem Signal und Messgröße besteht. Über einen Empfangs-LWL gelangt das optische Signal auf einen optoelektronischen Empfänger (z.B. Fotodiode oder CCD-Zeile), wird in ein elektrisches Messsignal S(x) umgewandelt und kann anschließend elektronisch weiterverarbeitet werden.

Lichtquelle SensitivesElement (Wandler)

Optoelektron.Empfänger

ElektronischeAnsteuerung

Elektronische Signalverarb.

P(x)

S(x)

Sende-LWL Empfangs-LWL

Messgröße x

Po

Bild 1: Schematischer Aufbau eines faseroptischen Sensors 3.1 Intrinsische und extrinsische Fasersensoren Je nachdem, ob die optische Signalkodierung innerhalb oder außerhalb des Lichtwellenleiters erfolgt, unterscheidet man zwischen "intrinsischen" und "extrinsischen" Fasersensoren. Während bei intrinsi-schen Sensoren der Lichtwellenleiter auch als sensitives Element eingesetzt wird (z.B. Nutzung von Streu- oder Absorptionsprozessen in Glasfasern, geeignet sensibilisierten Faser-Teilbereichen u.a.), dient er bei Sensoren vom extrinsischen Typ nur der optischen Signalübertragung zum Messort bzw. zum Empfänger. In extrinsischen Sensoren werden als Messwandler, die sich entweder zwischen zwei Lichtleitern (Transmissionsprinzip) oder häufiger am Faserende z.B. direkt auf der Stirnfläche (Reflexi-onsprinzip) befinden, z.B. bewegliche Masken, Spiegel, Membranen oder sensitive Schichten u.a. einge-setzt. Bei extrinsischen Fasersensoren handelt es sich i.a. um "punktuell messende" Einzelsensoren (Faser-Sonden, entsprechende optochemische Sensoren werden auch als "Optroden" bezeichnet), während mit intrinsischen Fasersensoren häufig die Messgröße (z.B. Temperatur, Dehnung u.a.) an mehreren sensi-bilisierten Stellen bzw. kontinuierlich entlang einer Lichtleitfaser erfasst und ihre örtliche Verteilung be-stimmt werden kann (verteilte Sensoren bzw. ortsauflösende Sensorsysteme).

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3.2 Streckenneutralität Intensitätskodierte Fasersensoren haben den Nachteil, dass Intensitätsschwankungen der Lichtquelle oder auf der Faser-Zuleitungsstrecke (z.B. Faser-Biegeverluste oder –Steckerdämpfung) das Messsignal erheblich verfälschen können – sie sind nicht "streckenneutral". Deshalb werden solche einfachen Faser-sensoren meist nur als Binärwertgeber eingesetzt (z.B. faseroptische Lichtschranken) oder aber mit ei-nem zusätzlichen Referenzkanal und entsprechender Signalverarbeitung (z.B. Quotientenbildung) betrie-ben, um ein von der absoluten Lichtintensität unabhängiges Messsignal zu gewinnen. Demgegenüber sind phasenkodierte (interferometrische), zeit- oder spektralkodierte Fasersensoren weitgehend streckenneutral. Das optische Messsignal kann nahezu unverfälscht über große Faserstre-cken bis in den Kilometerbereich zum Empfänger (Auswerteeinheit) übertragen werden. Damit sind diese Sensoren auch prinzipiell netzwerkfähig. 4. Fasergitter-Sensoren Im folgenden soll auf den faseroptischen Dehnungssensor auf der Basis faseroptischer Bragg-Gitter, der in diesem Praktikumversuch zum Einsatz kommt, näher eingegangen werden. Dieser Sensor vom intrinsischen Typ (Reflexion eines spektral kodierten Signals) wurde am Institut für Physikalische Hochtechnologie (IPHT) e.V. Jena, Bereich Optik, in der Abteilung Optische Mikrosysteme entwickelt. Das IPHT, Bereich Optik (Leiter: Prof. Dr. H. Bartelt), stellt optische Lichtleitfasern auf Quarzglasbasis her, erzeugt in solchen Fasern Bragg-Gitter ("Optische Fasergitter") und entwickelt Sensorsysteme zur Anwendung in der Messtechnik/Sensorik. Das angewandte Prinzip trägt den Namen der englischen Physiker Sir W. H. Bragg und seines Sohnes Sir W. L. Bragg, die für Ihre Entdeckungen in der Röntgenstrukturanalyse 1915 den Nobelpreis erhielten.

Bild 2: Sir William Henry Bragg 1862-1942

Bild 3:Sir William Lawrence Bragg

1890-1971

Ein Bragg-Gitter ist eine periodische Brechungsindex-Struktur der Periode Λ, die mit einem UV-Laser in eine Monomode-Lichtleitfaser (äußerer Durchmesser des Quarz-Mantels 125µm) entlang einer Strecke von einigen Millimetern eingeschrieben wird. Die so entstehenden Interferenzgitter wirken wie schmalbandige Filter, die Licht einer bestimmten Wellen-länge, der Bragg-Wellenlänge λB, reflektieren (Bild 4):

λB = 2 Λ neff (Gleichung 1) (neff: effektiver Brechungsindex des Lichtleitfaserkerns)

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Bild 4: Wirkprinzip der Faser-Bragg-Gitter Anwendungen in der Lichtleitfaser-Telekommunikationstechnik und in der Photonik nutzen diese schmal-bandige Filterfunktion. Proportional zur mechanischen Dehnung und der Temperatur der Faser bzw. des Bragg-Gitters ver-schiebt sich der Wellenlängenbereich des reflektierten Lichtes. Diese Eigenschaft erlaubt die Anwendung der Fasergitter als Sensorelement für diese Messgrößen (Bild 5):

PC

Bild 5: Schema des Fasergitter-Sensorsystems Relative Längsdehnungen ΔL/L bewirken eine Änderung δλB der Bragg-Wellenlänge mit der Beziehung: ΔλB / λB = (1-p) ΔL / L (Gleichung 2)

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p ist der Koeffizient der photoelastischen Wechselwirkung im Kern der Lichtleitfaser. p ist vom Fasertyp abhängig, meist im Bereich p=0,2..0,3 und für die Sensoren eines Sensorarrays konstant. Die photoelas-tische Wechselwirkung verringert bei Dehnung den Brechungsindex des Faserkerns, wodurch der Ein-fluss der geometrischen Dehnung auf die Vergrößerung der Bragg-Wellenlänge etwas verringert wird (optische Weglänge gleich Produkt aus geometrischer Weglänge und Brechungsindex ! ). Temperaturänderungen ΔT beeinflussen die Bragg-Wellenlänge λB über

- den Temperaturkoeffizienten δn/δT des Brechungsindex n und - durch thermische Ausdehnung der Faser bzw. des Substrates, auf welchem das Fasergitter

befestigt ist, α = (δL/L) / δT: Temperaturkoeffizient der thermischen Ausdehnung. ( δλB/λB ) / δT = δn / (n δT) + α (1-p) (Gleichung 3) Durch spektrale Messungen sind Temperaturänderungen von 0.2K zwischen -100..+300°C und relative Dehnungen im Bereich 10-6..10-2 detektierbar, Dehnungs-Schwingungen noch wesentlich empfindlicher. Praktisch lassen sich in ein einziges Glasfaserkabel einige hundert Bragg-Gitter applizieren. Das Kabel kann einige km lang sein, da die Lichtintensität das Ergebnis nicht beeinflusst. Durch Variation des Gitter-abstandes reflektiert jedes Gitter eine andere Wellenlänge, was die Adressierung einer bestimmten Git-terposition ermöglicht (Wellenlängen-Multiplexen). Zusätzlich kann bei Beleuchtung mit Lichtimpulsen eine weitere Adressierung durch die Lichtlaufzeit bis zur jeweiligen Sensor-Messstelle erfolgen (Zeit-Multiplexen - OTDR). Ein nach diesem Verfahren aufgebautes Fasergitter-Sensorsystem ist eine Alternative zur Messung von Kraft oder Verformung, wo elektrische Dehnungsmessstreifen versagen oder zu aufwendig sind, wie zum Beispiel in großen elektrischen Feldern von Kraftwerksgeneratoren, an geotechnischen Verankerungen im Tunnelbau oder der Tragflächen-Überwachung von Flug- und Raumfahrzeugen (Projekte des IPHT für Siemens AG, Geso GmbH und Kayser-Threde GmbH/NASA). 5. Messtechnik und Signalverarbeitung Die Messtechnik zur Fasergittersensorik besteht aus folgenden Komponenten:

- Fasergittersensoren (Array aus mehreren Sensoren auf dem zu untersuchenden Werkstück, im Versuchsbeispiel ein Biegbalken) mit faseroptischem Kabelanschluss

- Signalverabeitungseinheit mit Optoelektronik-, Polychromator- und Controller-Modulen - PC zur Kalibrierung der Sensoren, Visualisierung und Speicherung der Messergebnisse

5.1 Optoelektronik Ein faseroptisches Netzwerk aus Monomode-Lichtleitfasern, faseroptischem X-Koppler (Teilungsverhält-nis 1:1) und faseroptischen Steckverbindungen verbindet entsprechend dem Blockschema in Bild 5 Lichtquelle, Fasergittersensoren und das spektrale Auswertegerät (Polychromator). Eine breitbandige Lichtquelle wird zur Beleuchtung der Fasergittersensoren im Arbeitswellenlängenbe-reich von ca. 815 .. 855 nm eingesetzt. Ein Beispiel für das Anregungsspektrum, das über den X-Koppler zu 50% seiner Intensität auf die Fasergittersensoren gelangt, ist entsprechend den Angaben des Herstel-lers in Bild 6 gezeigt.

Die reflektierten Spektren der Fa-sergitter gelangen über den X-Koppler, wieder zu 50% aufgeteilt, zum Polychromator.

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Bild 6: Typisches breitbandiges Spektrum einer Super-Lumineszenz-Diode

810 820 830 840 850 Wellenlänge [nm]

5.2 Polychromator Für die messtechnische Auswertung der Fasergitter-Sensorsignale wird ein speziell entwickelter opti-scher Polychromator als kostengünstiges und hochauflösendes Kompakt-Spektrometer eingesetzt (Bilder 7 und 8). Das optische Signal (Sensorspektrum) gelangt aus der Eingangs-Lichtleitfaser (Eintrittsspalt = Faserkern der Monomodefaser, ca. 5µm Durchmesser) auf ein holografisch strukturiertes Beugungsgit-ter, wird dort räumlich in seine spektralen Anteile zerlegt (unterschiedliche Beugungswinkel) und auf eine optoelektronische CCD-Empfängerzeile abgebildet, die das Spektrum als Serie elektrischer Messsignale der einzelnen Pixel liefert.

Bild 7: Schema des Strahlenganges im Polychromator

FasereingangAbbildendes Gitter

CCD-Zeile

Controller-Board

Bild 8: Polychromator-Aufbau

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Basislänge zwischen Fasereingang und abbildendem Gitter: 180 mm Die spektrale Verteilung liegt also zunächst als Intensitätsverteilung über den Piixel-Nummern P der CCD-Zeile vor. In einem optischen Kalibrierungsschritt wird aus der Lage der Spektrallinien einer Argon-Entladung die Zuordnung zwischen Pixel-Nr. und optischer Wellenlänge bestimmt (Bild 9).

0 500 1000 1500 2000

810

820

830

840

850

860g y

Meßpunkte linearer Fit

λ=807,3749nm+P.0,0248765nm

λ=806,341nm+0,029096.P-2,2794.10-6.P2

quadratischer Fit

Wel

lenl

änge

in n

m

Pixelnummer PBild 9: Beispiel für Polychromator-Kennlinie 5.3 Auswertung des Reflexionsspektrums Die Position der Fasergitterreflexe wird durch einen Sub-Pixel-Approximations-Algorithmus auf <1pm aufgelöst, d.h., wesentlich genauer als es der spektralen Breite eines Pixels (hier ca. 25pm) entspricht. Ein gut geeigneter Algorithmus ist die Schwerpunkt-Berechnung der Flächen unter den jeweiligen Re-flexmaxima. Diese Schwerpunktwellenlängen der Fasergitter-Reflexe werden im Sensorprogramm-Modus an den PC zur Darstellung, weiteren Auswertung und Speicherung übergeben. Als Hilfe bei der Sensorinstallation und zur Fehlerdiagnostik ist es günstig, in einem weiteren Spektrum-programm-Modus die primären Reflexionsspektren bereits auf dem PC darzustellen (z.B. Bild 10). Z. B. können so eventuelle Faserbrüche lokalisiert werden.

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820 830 840 8500,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

RFG

y ( y )

Rel

ativ

e In

tens

ity

Wavelength [nm]

Bild 10: Beispiel eines Sensorarray-Reflexions-spektrums von 10 Fasergit-tersensoren entlang einer Lichtleitfaser; zusätzlich ist der Reflex eines thermisch stabilisierten Refe-renzgitters (RFG, in der Aus-werteeinheit) sichtbar.

5.4 Sensorkalibrierung Der Fasergittersensor liefert als Messwert zunächst nur die spektralen Positionen (Bragg-Wellenlänge) von Intensitäts-Maxima im Sensorspektrum, aber noch nicht den entsprechenden Messwert Dehnung oder Temperatur. Dazu wird der Sensor mit Mess-Ergebnissen von Temperaturen oder Dehnungen bekannter Größe kalib-riert (Bestimmung der Wechselwirkungsparameter in Gleichungen 2 bzw. 3). Die Ermittlung des Kalibrierungs-Parameters p zur Messung von Dehnungen nach Gleichung 2 (Seite 5) ist ein Ziel dieses Praktikum-Versuches. 6. Versuchsaufbau und Auswertesoftware Zum Praktikumversuch gehören folgende Komponenten:

- Biegebalken mit 3 aufgeklebten Fasergitter-Dehnungssensoren - Signalverarbeitungseinheit SPU4 mit 24V-Netzteil - PC mit RS232-Kabel zur SPU4

6.1 Biegebalken mit spektralkodierten Fasergitter-Dehnungssensoren Die Dehnungsversuche werden an einem einseitig eingespannten Biegebalken aus Aluminium vorge-nommen, dessen Querschnitt zwischen Einspannstelle und Ort der Krafteinwirkung konstant ist (Bild 11).

FBG2 FBG3

FBG1

Einspannstelle Krafteinleitung Bild 11: Schema des verwendeten Biegebalkens Er ist durch folgende Parameter charakterisiert: Länge L 330 mm Höhe H 60 mm Dicke D 5,8 mm Elastizitäts-Modul E 72 GPa Poisson-Zahl ν (Verhältnis von Quer-Kontraktion zu Längsdehnung, im Versuch

zu bestimmen) Mittlere Bragg-Wellenlängen λBi und Positionen xi (Abstand des Sensors Si von der Einspannstelle) der Fasergitter-Sensoren Si, i=1,2,3 : S1 λB1 = 825,6 nm x1 (quer) 39,5 mm S2 λB2 = 833,6 nm x2 (längs) 39,5 mm S3 λB3 = 841,1 nm x3 (längs) 80 mm Bei Durchbiegung am Ende des Biegebalkens um eine Strecke W treten relative Dehnungen ε = ΔL/L auf, die vom Ort xi (Abstand des Sensors, der zur Kalibrierung benutzt wird, von der Einspannstelle) und von der betrachteten Dehnungsrichtung abhängen. Für die Längsdehnung gilt :

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32)(3)()(

LxLWDWW

LL

⋅−⋅⋅⋅

==Δ ε

(Gleichung 4)

z.B. sind bei W=10 mm am Ort der Sensoren S2 und S3 folgende Dehnungen zu erwarten: ε2(10mm) = 703⋅10-6 ε3(10mm) = 605⋅10-6 Die Längsdehnung ist mit einer Querkontraktion verbunden (ν - Poisson-Zahl des Biegebalken-Materials, Verhältnis von Quer-Kontraktion zu Längsdehnung ):

νεε ⋅−==

Δ)()()( WWW

LL

Lqq

(Gleichung 5)

z.B. ist bei W=10 mm und einem angenommenem Wert ν=0,25 am Ort des Sensors S1 folgende Kontrak-tion zu erwarten: ε1q(10mm) = -180⋅10-6 6.2 Auswerteeinheit SPU4 für Fasergittersensoren Die Auswerteeinheit SPU4 enthält die im Kapitel 5 in ihrer Funktion beschriebenen Komponenten Optoe-lektronik-, Polychromator- und Controller-Module. Das weiterhin enthaltene Spannungswandler-Modul wird von einer externen unstabilisierten Gleichspan-nung im Bereich 18..30V / max. 1A versorgt. Die Auswerteinheit ist über ein optisches Monomode-Faserkabel mit den Fasergittersensoren verbunden. Über die serielle RS232-Schnittstelle können vom angeschlossenen PC entweder komplette Reflexions-spektren angefordert und empfangen werden, oder es werden die Bragg-Wellenlängen von Fasergitter-sensoren ermittelt und kontinuierlich an den PC übertragen (Mess- und Übertragungsgeschwindigkeit ca. 1 Messung/s). SPU4 enthält ein internes thermisch stabilisiertes Referenzgitter (RFG) mit einer Bragg-Wellenlänge λB(RFG) = 849,6 nm. Bei Langzeit-Absolutmessungen kann diese Wellenlängen-Referenz zur Erkennung und rechnerischen Kompensation von Wellenlängendriften des Polychromators dienen. Das Reflexionsspektrum dieses Gitters erscheint immer zusätzlich zu den über das Faserkabel ange-schlossenen Sensor-Gittern. 6.3 Rechner (PC) mit Auswerte-Software Es kommt PC-Software zum Einsatz, die unter Borland Pascal 7.0 entwickelt wurde und am PC unter DOS lauffähig ist (wenn keine Multitasking-Fähigkeit benötigt wird, ist dieser Modus für Messzwecke mit schneller unterbrechungsfreier Datenübertragung sehr gut geeignet). 6.3.1 Das Programm FBG_Spek dient zur Anforderung und dem Empfang von Reflexionsspektren. Damit kann die Funktionsfähigkeit der SPU und des Sensornetzwerkes geprüft werden. Nach Programmstart wird die Kommunikation zwischen PC und SPU4 überprüft:

Es werden aus dem Programm einige Standard-Parameter, z.B. für SLD-Strom und Belichtungsdauer der SPU4, übermittelt:

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Danach erscheint das Spektrum-Hauptmenü Bild 12:

Bild 12: Hauptmenü des Programmes FBG_Spek Nach fehlerfreiem Ablauf, können unter "Spectrum" (Mouseclick oder Taste "S") Sensor-Spektren zur Anzeige gebracht werden. Ansonsten wäre eine Fehlerbehebung entsprechend den Fehlermeldungen vorzunehmen (COM1 Parameter, Kontrolle der Verbindungskabel und der Stromversorgung), eventuell Programm beenden, Stromversorgung an SPU4 für ca. 10s unterbrechen und Neustart. Im Menü "Parameter" (Bild 13) können die Belichtungsstärke (Strom durch die Superlumineszenzdiode SLD) und Belichtungsdauer der CCD-Zeile im Polychromator eingestellt werden, um die Reflexionssigna-le an die Aussteuerbarkeit der CCD-Zeile möglichst gut anzupassen (Optimierung des Signal-Rausch-Verhältnisses).

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Bild 13: Menü zur Parameter-Auswahl Der SLD-Strom ist unter "Current Level" (Bild 13, roter Pfeil) in 32 Stufen im Bereich 0..130mA (entspre-chende Stufen 0..31) einstellbar. Die CCD-Belichtungsdauer ist unter "Integration time" (blauer Pfeil) direkt in Millisekunden vorgebbar. Die Bedeutung der weiteren Parameter für die Funktion der Fasergitter-Messtechnik kann während der Versuchsdurchführung diskutiert und z.T. experimentell untersucht werden. Die gemessenen Spektren (aus "Parameter" mit "Back" zum Hauptmenü, "Spectrum"; im Spektrum-Menü "Repeat" für kontinuierliche Messung aktivieren) zeigen im Beispiel des Bildes 14 die 3 Sensorreflexe und ein Referenzgitter (bei 850nm, stark bedämpft). Bei Biegung des Biegebalkens (2. Spektrum, in Zyan) werden die Peaks der längs angeordneten Senso-ren zu höheren Wellenlängen verschoben (Dehnung), der Peak des quer angeordneten Fasergitters hingegen schwach zu kürzeren Wellenlängen (Stauchung). Im Menu "Zoom" (vom Hauptmenü aus) kann dieser Effekt auch über einer gespreizten Wellenlängen-skala aufgenommen werden.

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Bild 14: Beispiel für Spektren von 3 Dehnungs-Sensoren und Referenzgitter (niedriger Peak rechts) Blau: Ausgangszustand Zyan: 20mm Verbiegung des Biegebalkens 6.3.2 Das Programm FBG_Sens dient zum Empfang und der Darstellung der Bragg-Wellenlängen der Fasergittersensoren. Nach Initialisierung der Schnittstelle und der Messparameter kann im "Sensor"-Modus der zeitliche Ver-lauf der Bragg-Wellenlänge von bis zu 10 Sensoren gleichzeitig registriert werden. In diesem Modus werden in der SPU4 selbständig SLD-Strom und Belichtungsdauer auf optimale Aus-steuerung der CCD-Zeile geregelt. Im Folgenden wird ein Messbeispiel demonstriert: Die Dehnungscharakteristiken für die Sensoren S1 und S2 in Bild 15 wurden bei einer Biegung W=27 mm erhalten. Nach Gleichung 4 berechnet man eine Dehnung für Sensor S2 von ε2 = 1900⋅10-6 = 0,19%. Die Bragg-Wellenlängen-Verschiebung für S2 beträgt nach den Messresultaten in Bild 15 δλB2 = 1,252 nm. Aus Gleichung 3 (Seite 5) erhält man aus dem Vergleich von berechneter Dehnung ε2 und gemessener Verschiebung der Bragg-Wellenlänge δλB2 einen Kalibrierungswert für den photoelastischen Koeffizien-ten p von p = 0,21.

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0 10 20 30 40825,0

825,5

826,0

826,5

Seite 13

S2

S1

Bragg-Wellenlänge [nm]

Zeit [s]

833,5

834,0

834,5

835,0

Bild 15: Bragg-Wellenlängen der Sensoren S1 und S2 bei Biegung um W = 27 mm. Für Sensor S1 beträgt δλB1 = -0,302 nm, mit dem eben aus der S2-Charakteristik ermittelten Kalibrie-rungswert für p erhält man nun nach Gleichung 5 für die Poisson-Zahl ν den Kalibrierungswert ν = 0,24. 7. Versuchsvorbereitung Machen Sie sich mit der Versuchsanleitung vertraut und beantworten Sie anschließend folgende Punkte: 7.1 Nennen Sie wesentliche Eigenschaften bzw. Vorteile faseroptischer Sensoren und leiten Sie

daraus mögliche Einsatzgebiete ab. 7.2 Wodurch unterscheiden sich extrinsische und intrinsische Fasersensoren?

Nennen Sie jeweils ein typisches Sensorbeispiel.

7.3 Weshalb lassen sich spektralkodierte optische Sensorsignale (im Gegensatz zu intensitätsko-dierten) weitgehend "streckenneutral" übertragen?

7.4 Erläutern Sie das physikalische Wirkungsprinzip spektralkodierter Fasersensoren mit optischen

Fasergittern am Beispiel eines Dehnungssensors. Wie kann dieses Wirkprinzip auch für Tempe-ratursensoren genutzt werden?

7.5 Beschreiben Sie Aufbau und Funktionsweise eines optischen Polychromators. 7.6 Beschreiben Sie den Verlauf der mechanischen Dehnung auf den Oberflächen eines homogenen

Biegebalkens, zwischen Einspannstelle und Ort der Krafteinwirkung, in Längs- und Quer-Richtung.

7.7 Was versteht man unter Sensor-Kalibrierung und welchen Einfluss hat sie auf die Messgenauig-

keit? Literaturhinweise: Fasersensoren: "Handbook of Optical Fibre Sensing Technology", Ed. José Miguel López-Higuera, John Wiley & Sons (2002) R. Willsch, Vorlesung Sensorik, Teil 5 Optische Effekte: Faseroptische Sensoren Bragg-Gitter: E. Grimsehl, Lehrbuch der Physik, Bd. 3 Optik, S. 115-117, B. G. Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig (1985) Fasergitter: A. Othonos, K. Kalli, Fiber Bragg Gratings, Artech House Boston, London (1999)

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Biegebalken: E. Grimsehl, Lehrbuch der Physik, Bd. 1 Mechanik, Akustik, Wärmelehre, S. 127-131, B. G. Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig (1991) 8. Durchführung und Auswertung des Versuches 8.1 Vorbemerkungen • Die am Biegebalken befindlichen Sensoren sind mit Vorsicht zu behandeln, da sie aus Glasfasern

bestehen. • Die faseroptischen Stecker (Typ E2000) sollen nicht mit Gewalt aufgesteckt werden, es ist darauf zu

achten, dass die Staubschutzklappen am Stecker nicht beschädigt werden und die Schutzstecker an den Buchsen nach Gebrauch wieder aufzustecken sind.

8.2 Messplatz-Inbetriebnahme

- Schalten Sie PC und Bildschirm an 220V Netzspannung. Der PC-Start ist mit Norton Com-mander im DOS Modus beendet.

- Der PC-Anschluss des Messgerätes erfolgt über ein RS 232-Nullmodem-Kabel. - Schließen Sie das 24V-SPU-Netzteil noch ohne Verbindung zur SPU4 an 220V Netzspan-

nung. - Verbinden Sie das 24V-Kabel mit der SPU4, Eingang "28V" (zulässiger Eingangsspan-

nungsbereich 18..36V). 8.3 Spektren der Sensoren 8.3.1 Starten Sie C:\FBG_SPEK.BAT aus dem Norton-Commander. Entsprechend dem in Kap. 6.6.1 beschriebenem Ablauf finden Sie das Reflexionsspektrum folgender Fasergitter: Nominelle Wellenlängen Position (Abstand des Sensors von Einspannstelle) S1 825,6 nm quer, 39,5 mm S2 833,6 nm längs, 39,5 mm S3 841,1 nm längs, 80 mm

RFG 849,6 nm internes Referenzgitter der SPU4 (Ein weiteres RFG mit ca. 816nm Bragg-Wellenlänge, am unteren Ende des nutzbaren Spektralbereich, ist sehr intensitätsschwach und nur bei Übersteuerung der anderen Sensorreflexe zu finden.) 8.3.2 Beobachten Sie die Verschiebungen der Bragg-Wellenlängen bei Biegung am Biegebalken ("Re-peat"-Modus der Spektrenmessung), diskutieren Sie die Ursachen. 8.3.3 Überlegen Sie, wie die Faserzuleitung am Ende abgeschlossen sein muss, um die Reflexions-messungen an den Fasergittern nicht zu beeinträchtigen. 8.3.4 Überlegen Sie, welche Ursachen zu einer Verbreiterung des Reflexionsspektrums eines Fasergit-ters führen können. 8.3.5 Überprüfen Sie den Einfluss von SLD-Stromstufe und Belichtungsdauer auf die Spektren. Gibt es Unterschiede? 8.4 Kalibrierung der Fasergitter-Dehnungssensoren 8.4.1 Beenden Sie C:\FBG_SPEK.BAT ("Back", "End") mit Rückkehr zum Norton-Commander.

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8.4.2 Messen Sie die für die Dehnungscharakteristik des Biegebalkens und der Sensoren maßgebli-chen geometrischen Parameter. Überprüfen und korrigieren Sie erforderlichenfalls die in der Versuchsan-leitung angegebenen Beispielwerte. 8.4.3 Starten Sie C:\FBG_SENS.BAT aus dem Norton-Commander. Entsprechend dem in Kap. 6.6.2 beschriebenem Ablauf finden Sie die zeitlichen Verläufe der Bragg-Wellenlängen folgender Fasergitter: Nominelle Wellenlängen Position (Abstand des Sensors von Einspannstelle) S1 825,6 nm quer, 39,5 mm S2 833,6 nm längs, 39,5 mm S3 841,1 nm längs, 80 mm 8.4.4 Messen Sie die Verschiebungen der Bragg-Wellenlängen bei Biegung am Biegebalken. Notieren Sie die numerischen Werte und berechnen Sie die Verschiebungen der Bragg-Wellenlängen für folgende Biegestufen. Benutzen Sie zur Einstellung definierter Auslenkungen W des Biegebalkens den Wert M für die Steigung des Schraubbolzens: M=1,815 mm. N - Anzahl der Umdrehungen des Schraubbolzens

N W/mm λB1 /nm δλB1 /nm λB2 /nm δλB2 /nm λB3 /nm δλB3 /nm

0

3

6

9

12

8.4.5. Berechnen Sie Kalibrierungswerte für p und ν.

W/mm δλB1 /λB1 ν δλB2/λB2 ΔL/L p δλB3 /λB3 ΔL/L p

Berechnen Sie einen arithmetischen Mittelwert und den wahrscheinlichen Fehler. Diskutieren Sie wesent-liche Ursachen der Messfehler. Welche Art von Mittelwertbildung berücksichtigt den Einfluss von Unsi-cherheiten bei der Ablesung der Auslenkung des Biegebalkens und der Bragg-Wellenlänge?

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8.5 Beispiel einer Dehnungsmessung 8.5.1 Stellen Sie eine willkürliche, unbekannte Verbiegung ein. 8.5.2 Messen Sie die Verschiebungen der Bragg-Wellenlängen, berechnen Sie daraus nach Gl. 2 die Dehnungen der Sensoren. 8.5.3 Messen Sie die Verbiegung des Biegebalkens und berechnen Sie nach Gl. 4 die Längsdehnun-gen der Sensoren S1 und S2. Vergleichen Sie die Resultate der faseroptischen Messung mit diesen be-rechneten Dehnungswerten. Diskutieren Sie die möglichen Ursachen von Differenzen. 8.6 Messungen beenden 8.6.1 Beenden Sie C:\FBG_SENS.BAT ("Back", "End") mit Rückkehr zum Norton-Commander. 8.6.2 Abziehen des 24V-Spannungsversorgungskabels von der SPU4 8.6.3 Alle Netzspannungen ausschalten. 8.6.4 Biegebalken entspannen. Jena, den 28.11.2003 Prof. Dr. Reinhardt Willsch, Dr. Wolfgang Ecke Institut für Physikalische Hochtechnologie (IPHT) e.V. Jena Bereich Optik, Abteilung Optische Mikrosysteme Tel: 03641/206-220, Fax: -297, e-mail: wolfgang.ecke@ipht-jena.de