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Ihr Spezialist für optische Polymerfasern (POF) und POF – Systemtechnik
Faseroptische Sensorik mit POF
Faseroptische Sensoren sind vor allem für Anwendungen interessant, die bei Verwendung elektrischer, strombetriebener Sensoren zu Problemen mit EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) oder zu Wechselwirkungen in chemischen oder biologischen Prozessen führen können. Bekannt sind bisher vor allem faseroptische Sensoren aus Singlemode Glasfasern, die mit Braggreflektoren zur wellenlängenselektiven Auslesung selektiert werden. Leider sind die Kosten für ein derartiges Sensorsystem für viele Anwendungen zu hoch.
Bei den typischen Einsatzbereichen des SHM (Structural Health Monitoring) in
- Bauindustrie (Dehnungsmessung, Schwingungsmessung),
- Maschinenbau (Vibrationsmessung),
- Chemische Industrie (Temperaturmessung), und auch
- Medizin- und Biotechnik (minimal invasive Messung im Innern von lebenden Organismen)
können mit Bragg Strukturen versehene Glasfasersensoren aus Kostengründen meist nur bei Großprojekten mit entsprechenddem finanziellen Budget eingesetzt werden. Auf der Suche nach einer preisgünstigeren Alternative faseroptischer Snsoren bietet sich die POF an, die neben einer deutlich einfacheren Systemtechnik gegenüber der Glasfaser auch eine Reihe weiterer Vorteile hat.
- POF ist nicht brüchig wie Glasfaser und kann in Dehnungssensoren viel stärker belastet werden.
- Zur Lichtein- und Auskopplung wird eine unkomplizierte LED – bzw. Photodioden – Ankopplung verwendet.
- Die Montage des POF Sensorsystems benötigt keinSpezialistenteam mit teurer Messtechnik, sondern kann nach kurzer Anlernzeit von jedem Techniker durchgeführt werden.
Nachteile hat die POF allerdings bei einer durch die höhere Dämpfung begrenzten Reichweite von etwa 100m und die nicht vorhandene Option, mit einer Faser mehrere Messpunkte zu überwachen. Die POF Sensorelektronik kann jedoch problemlos mehrere Fasern und damit Messpunkte anschließen.
Verschiedene Messprinzipien für faseroptische Sensoren
Die DieMount veröffentlichte bereits 2010 mit “Semsoren für die Farbmessung über die optische Polymerfaser (POF)” einen Beitrag zum Einsatz von POF – Splittern und LED verschiedener Wellenlängen bei der Anwendung verschiedener Messprinzipien in der POF Sensortechnik. In Ergänzung zu der dort vorgenommenen Klassifikation in Duplex- und Simplex – Messprinzipien ist die Unterscheidung von intrinsischen und extrinsischen Messprinzipien hilfreich. Einem groben Überblick dient die im folgenden vorgenommene Einführung der Begriffe Duplex und Simplex, sowie extrinsisch und intrinsisch für die unterschiedlichen Messprinzipien.
Extrinsisches Messverfahren
Durch Einsatz von faseroptischen Splittern kann mit verschiedenen, durch Auswahl der LED wählbaren Wellenlängen das reflektierte Licht eines reflktierenden Objekts gemessen werden, in dem das Rücksignal entweder durch eine zweite Faser (Duplexverfahren) oder aber durch Verwendung der beleuchtenden Faser (Simplexverfahren) geführt wird. Das Simplexverfahren benötit zur Trennung von vor- und rücklaufendem Signal spezielle 1×2 Splitter mit hoher Crosstalk – Dämpfung (Low Crosstalk – Splitter).
Da bei beiden, oben skizzierten Messprinzipien das optische Signal nicht durch die Faser selbst, sondern durch ein außerhalb der Faser befindliches Objekt moduliert wird, spricht man von einem extrinsischen Verfahren.
Intrinsisches Messverfahren
Mit dem Lichtwellenleiter POF kommen neben extrinsischen Messverfahren auch intrinsische Verfahren zur Anwendung. Intrinsisch bedeutet, dass die Veränderung des optischen Signals durch die Faser selbst als Reaktion auf eine physikalische Messgröße erfolgt. Die beiden folgenden Skizzen zeigen das Prinzip:
Obige Skizzen zeigen, dass im intrinsischen Messverfahren die physikalische Größe (z.B. Druck oder Dehnung) direkt auf die Faser wirkt, sie verändert und dadurch eine messbare Änderung der Dämpfung hervorruft.
Die Möglichkeit, im Simplex – Verfahren messen zu können, ist im praktischen Betrieb sehr hilfreich, weil die POF am Messobjekt nur von einer Seite angeschlossen werden muss. Für manche Anwendung ist ein Duplexbetrieb nicht möglich, z. B. wenn die Faser im zu überwachenden Objekt einseitig nicht zugänglich ist.
Alle oben dargestellten Verfahren, Duplex und Simplex, intrinsisch und extrinsisch, verwenden eine optische Leistungsmessung, die sich elektronisch mit moderatem Aufwand realisieren lässt. Weder schnelle Elektronik noch optische Filter werden benötigt. Die Option Simplex ist für viele Messverfahren verfügbar. Der Verlust des optischen Leistungsbudgets aufgrund des Splitter- und Simplex – Designs wird i.A. leicht durch den Dynamikbereich der opto-elektronischen Auswerteinheit kompensiert.
Unter Anwendungen wird gezeigt, wie Simplex- und Duplexverfahren im intrinsischen und extrinsischen Aufbau in der Praxis umgesetzt werden können.