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Ihr Spezialist für optische Polymerfasern (POF) und POF – Systemtechnik
Anwendungen faseroptische Sensorik mit POF
POF faseroptische Sensoren können wie in der Übersicht dargestellt als Duplex- oder Simplexsysteme sowohl extrinsisch als auch intrinsisch konzipert werden. Anhand einiger Beispiele zeigen wir die konkrete Umsetzung.
Faseroptische Messung des mechanischen Drucks auf eine POF
Bei diesem Messverfahren handelt es sich gemäß der Übersicht um eine intrinsische Messung im Duplex – Verfahren. Ein POF Lichtwellenleiter wird als Sensorelement verwendet und mechanisch durch Druck belastet, der optisch gemessen werden soll. Der Druck führt in der POF zu einer Zunahme der optischen Dämpfung, die über zwei an den POF Endflächen angeschlossene POF Kabel mit einem POF Link Analyzer gemessen wird.
In Zusammenarbeit mit dem Institut für Stahlbau der RWTH Aachen, Herrn B. Schaaf, wurde im Rahmen des Innovationsnetzwerkes SMART SHM ein Demonstrator entwickelt, der mit der Hard- und Software des POF Link Anaylzer die Überwachung von Silikonklebungen im konstruktiven Glasbau möglich macht.
Das Video zeigt in Echtzeit, wie das POF Reflection Meter Druckveränderungen zwischen zwei Stahlplatten aufzeichnet.
Als Sensor POF kann entweder eine weiche POF mit PUR Kern (Polyurethan) oder eine Standard POF mit PMMAKern (Polymethylmethacrylat) mit 1mm oder 0,5mm Durchmesser verwendet werden. Die spezielle Anwendung entscheidet im Einzelfall welche Faser geeigneter ist.
Durch Optimierung der Bedingungen für Ein- und Auskopplung kann die Empfindlichkeit des Sonsorsystems erheblich gesteigert werden. Dies geht allerdings zu Lasten der gesamten Streckendämpfung.
POF Vibrationsmessung mit dem POF Reflectionmeter
Mit einem extrinsischen Simplex Messverfahren ist der Aufbau eines sehr interessanten faseroptischen Sensors zur Messung von Dehnungen an Maschinen und Gebäudeelementen mit Frequenzen von bis zu 100Hz möglich. Vibrationsschwingungen können so faseroptisch wirkungsvoll detektiert werden. In einer mechanisch modifizierten Version kann das Verfahren zur Messung von Beschleunigungen eingesetzt werden.
Der POF Link Anaylzer wird gem. Skizze 3 als POF Reflectionmeter aufgebaut. Ein möglichst gut endflächenpräpariertes POF Kabel wird an den 1×2 Splitter des Gerätes angeschlossen. An der Endfläche des Kabels im Sensorkopf befindet sich ein kleiner beweglicher Spiegel, der sich entsprechend der zu messenden Dehnung von der Endfläche des POF Kabels hin und her bewegt. So entsteht eine mit der Messgröße veränderliche Reflektion, die vom POF Link Anaylzer aufgezeichnet wird.
Mit dem POF Reflectionmeter kann über nur ein POF Kabel ein einfacher Sensorkopf zur Vibrationsmessung über Entfernungen von 100m und mehr ausgelesen werden.
Das POF Refelctionmeter zur Vibrationsmessung wurde erstmalig auf der internationalen POF Conference 2015 in Nürnberg präsentiert: Vortrag Nürnberg 2015.
Weitere Details vor allem zum elektronischen und opto -elektronischen Aufbau des Sensorsystems wurden anschließend auf der internationalen POF Conference 2017 in Aveiro, Portugal, gezeigt: Vortrag Aveiro, 2017
Um die Eignung des neuen Messverfahrens im praktischen Einsatz zur Überwachung von Maschinen und Gebäudeelementen zu zeigen, wurde 2021 die Zusammenarbeit mit den Spezialisten für SHM (Structural Health Monitoring) der RWTH Aachen, dem Institut für Strukturmechanik und Leichtbau (SLA) vereinbart.
Als erstes Ergebnis der gemeinsamen Arbeit ist ein von SLA anhand eines Kragarms erstellter Vergleich klassischer, elektrischerDehnungsmessstreifen (DMS) mit dem POF Dehnungssensor der DieMount zu sehen im Video hier:
Die Strukturüberwachung (SHM; structural health monitoring) vieler Maschinen, Anlagen und deren Komponenten findet unter schwierigen EMV – Bedingungen (elektromagnetische Verträglichkeit) statt. Hohe Ströme, große elektrische Spannungen oder eine explosionsgefährdete Umgebung erlauben nicht die Nutzung klassischer elektrischer Sensoren. Durch Blitzeinschlag gefährdete Windenergieanlagen und Anlagen der Starkstrom- oder chemischen Prozesstechnik sind Beispiele dafür.
Das Institut für Strukturmechanik und Leichtbau (SLA) verfolgt mit dem gemeinsamen Vorhaben die Ziele:
- Umsetzung einer faseroptischen Strukturüberwachung auf Basis der “polymeren optischen Faser” (POF) für die physikalischen Messgrößen Dehnung und Beschleunigung,
- Optimierung des Sensorlayouts und der Messparameter mit Hilfe so genannter struktureller Schadensindikatoren, die auf Basis strukturmechanischer Untersuchungen sorgfältig hergeleitet werden,
- datentechnische Integration dieser Parameter in den Digitalen Zwilling des Systems,
- kommeruiell attraktiver, d. h. kostengünstiger Entwurf des gesamten SHM – Systems vergleichbar mit konventionellen elektrischen Sensorsystemen.
POF Farbmesssensor
Wird der POF Link Analyzer entsprechend Skizze 4 mit 3 LED unterschiedlicher Farbe und einem 1×3 POF Splitter als Combiner ausgestattet, kann er zur faseroptischen Farbmessung verwendet werden. Das Grundprinzip ist im Video demonstriert anhand einer 650nm roten, einer 520nm grünen und einer 460nm blauen LED. Als wellenlängenselektiver Reflektor dient für die Demonstration ein gedrucktes Farbrad, dessen Farben nicht optimal an die LED Wellenlängen angepasst sind, so dass sich für die roten, grünen und blauen reflektierenden Signale unterschiedliche Intensitäten ergeben. Farbechte Prüfkörper und die exakte Anpassung der LED an diese beheben dies.
Interessant sind faseroptische Farbmessungen auch im technischen, chemischen oder medizinischen Bereich, wenn die Wellenlänge der LED so gewählt sind, dass die durch einen physikalischen Prozess bedingte Farbänderung (Rostbildung auf Stahl, Farbumschlag durch Veränderung des pH – Wertes oder Sauerstoffkonzentration des Blutes durch Rotfärbung) gemessen wird. Bei der Auswahl der LED Wellenlängen sollte auf das Dämpfungsspektrum der PMMA POF geachtet werden.
Qualifizierung von Heimnetzen mit dem POF Installationstester
Zur Qualifikation von POF – Netzwerken dient der POF Link Analyzer in der Ausführung als POF Installation Tester. Nach der Installation von POF Kabeln in einem Heimnetz muss der Installateur messtechnisch den Nachweis erbringen, dass die von ihm verlegten Kabel den spezifizierten Qualitätsmerkmalen genügen. Insbesondere muss gezeigt werden, dass
- ein verlegtes POF Kabel eine für das Power Budget des optischen Übertragungssystems ausreichend niedrige Dämpfung hat und
- dass die optische Signalleistung am Kabelende für den Receiver ausreichend hoch ist.
Der entwickelte “POD Installation Tester” unterstüzt den Installateur bei der Durchführung dieser Aufgabe. Für Details zum Gebrauch des Gerätes siehe: