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Faseroptische Technik Sicher messen - sicher abheben

30.06.2017

Die besonderen Einsatzbedingungen in der Luftfahrt stellen hohe Anforderungen an die Messtechnik: Genauigkeit und kleine Baugrößen sind genauso wichtig wie Explosionsschutz und Unempfindlichkeit gegenüber schwankenden Umgebungsbedingungen. Eine Antwort kann die faseroptische Messtechnik, basierend auf der Weißlicht-Polarisations-Interferometrie, kurz WLPI, sein.

In vielen industriellen Anwendungen wird die Messtechnik benötigt, um Prozesse und Umgebungsparameter zu überwachen. Dabei stoßen konventionelle elektronische Sensoren häufig an die Grenzen der Technik, da Störeffekte, wie hohe Spannungen oder elektrische Felder die Funktionsfähigkeit der Sensorik einschränken. Insbesondere für diese Anwendungen schafft die WLPI-Technik mit ihren faseroptischen Sensoren neue Möglichkeiten, verlässliche Messungen durchzuführen.

Es existieren unterschiedliche faseroptische Messverfahren, die auf einer oder mehrerer der spezifischen Eigenschaften des Lichtes (Intensität, Phase, Polarisation und Spektrum) beruhen. Prinzipiell verändert die zu erfassende Messgröße eine oder mehrere der speziellen Eigenschaften, sodass ein verändertes Lichtsignal zurückgeworfen wird.

Die Messsysteme bestehen aus zwei Hauptkomponenten, dem faseroptischen Sensor und der Signalauswerteeinheit. Hinzu kommt ein Lichtwellenleiter, der je nach eingesetzter Technik unterschiedliche Zwecke erfüllt.

Faseroptische Sensoren lassen sich grundsätzlich in zwei Klassen einordnen: Extrinsische und intrinsische Sensoren. Bei intrinsischen Sensoren ist der Lichtwellenleiter ein essentieller Bestandteil des Messmechanismus. Die optische Faser ist der Sensor. Faseroptische Sensoren, die auf der Faser-Bragg-Technik beruhen sind populäre Vertreter dieser Sensorklasse.

Die extrinsischen Sensoren hingegen zeichnen sich dadurch aus, dass der empfindliche Teil von der optischen Faser entkoppelt ist. Die optische Faser dient lediglich der Übertragung des Lichtsignals zwischen Sensoreinheit und Signalauswerteelektronik. Die Sensoren von Althen, basieren sowohl auf der WLPI-Technik als auch auf Galliumarsenid-Kristallen und sind Vertreter der extrinsischen Sensorklasse.

Die WLPI-Technik verwendet breitbandiges weißes Licht anstelle eines Lasers als Lichtquelle. Diese Lichtquelle befindet sich in der Signalauswerteeinheit. Die ausgesandte Lichtstrahlung trifft im Sensor auf zwei Spiegel mit definiertem Abstand, der Hohlraumlänge. Das Lichtsignal wird am ersten Spiegel teilweise reflektiert. Der nicht reflektierte Teil trifft auf den zweiten Spiegel und wird reflektiert, sodass zwei Lichtsignale entstehen, die sich im zurückgelegten Weg unterscheiden. Die Hohlraumlänge und somit die Weglänge ist eine Funktion der Messgröße. Die Membran eines Drucksensors biegt sich abhängig vom anliegenden Druck unterschiedlich. Ein auf der Rückseite der Membran angebrachter zweiter Spiegel führt zur Änderung der Hohlraumlänge in Abhängigkeit der Messgröße.

Funktionsprinzip der WLPI-Technik

Die reflektierten Lichtsignale werden zurück in die Auswerteeinheit geleitet, in der sich ein weiteres Interferometer befindet. Dort kommt es an der Stelle, an der die Hohlraumlängen beider Interferometer ähnlich sind, zu örtlich begrenzten Interferenzeffekten des Lichtsignals. Das maximale Interferenzsignal ist an der Stelle zu finden, an der die Hohlraumlängen beider Interferometer identisch sind.

Die Hohlraumlänge des Auswerteinterferometers ist präzise auf die Positionen eines CCD-Sensors abgestimmt. Dadurch können Hohlraumlängen in Nanometer einem Pixel auf dem CCD-Sensor zugeordnet werden. Um die Auflösung im Sub-Pixel Bereich zu ermöglichen, erfolgt eine digitale Signalverarbeitung nach einem geschützten Verfahren. Die Positionsbestimmung des Interferogram Spitzenwertes erfolgt in Echtzeit und liefert eine eindeutige und präzise Messung der Hohlraumlänge im Sensor. Aufgrund der bereits beschriebenen Abhängigkeit der Hohlraumlänge und der Messgröße erfolgt der Rückschluss auf den aktuellen Messwert.

Die WLPI-Technik basiert also auf der Positionsbestimmung eines Signalspitzenwertes und wird, im Gegensatz zu den meisten Messverfahren, nicht durch Veränderungen der Lichtintensität beeinflusst. Daher ist dieses Verfahren robuster gegenüber Störeffekten wie optischen Verlusten durch Steckverbindungen, Biegung der Faser oder Verdunkelung aufgrund von Reaktionen mit Wasserstoff. Da das Weißlicht über ein breitbandiges Spektrum verfügt, können mögliche Verluste beispielsweise durch OH-Absorptionslinien, die bestimmte Wellenlängen betreffen, verkraftet werden.

Vorteile von WLPI

Gegenüber elektronischen Sensoren bieten faseroptische Sensoren generell Vorteile, beispielsweise ihre Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen und Hochspannungen. Sie sind eigensicher, unempfindlich gegenüber Blitzeinschlägen und können mit kleinsten Abmessungen ausgeführt werden. Weißlicht-Polarisations-Interferometrie hat darüber hinaus insbesondere gegenüber konventionellen faser-
optischen Techniken wie auf Faser-Bragg-Gittern beruhende Sensoren weitere Vorteile.

Im Gegensatz zur Faser-Bragg-Technik haben die Lichtwellenleiter in der WLPI nur die Aufgabe, das Lichtsignal zwischen Sensor und Auswerteeinheit zu übertragen. Der Lichtwellenleiter kann mühelos mittels optischer Verlängerungskabel und Steckverbinder in der Länge angepasst werden, eine Spleißung, wie bei Faser-Bragg, ist nicht notwendig.

Die Montage kann je nach Applikation zum Beispiel durch Punktschweißung oder Klebung erfolgen. Ein Vorteil ist, dass die Sensoren auch in Verbundwerkstoffe integriert werden können und so direkt im Bauteil zuverlässig messen.

In der Luftfahrt sind Temperaturschwankungen von bis zu 100 °C innerhalb von 15 Minuten, beispielsweise bei Start- und Landevorgängen möglich. Insbesondere bei der faseroptischen Dehnungsmessung können Vibrationen, Biegung und Temperaturänderungen negativen Einfluss auf die Faser nehmen und die Lichtintensität reduzieren. Auf die Qualität der Messungen mittels WLPI haben diese Störeinflüsse keine Wirkung, da die Funktion von der Lichtintensität unabhängig ist. Die bei der Faser-Bragg-Technik benötigte Temperaturkompensation entfällt bei WLPI ebenso wie der negative Einfluss von Querdehnungen der Faser.

Hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit

Auch in Sachen Sicherheit, besonders Explosionssicherheit, punktet die WLPI-Technik: Im Extremfall, dem Betrieb mit maximaler Intensität der Lichtquelle und auf 1 cm begrenzte Länge der Faser, ist die maximal messbare Intensität am Faserende kleiner als einige Mikrowatt. Im Vergleich hierzu kann ein Laser im Störfall eine Energie von einigen hundert Milliwatt abgeben. In der Luftfahrt kommen Drucksensoren zur Überwachung des Tankfüllstands zum Einsatz. Faseroptische Drucksensoren mit WLPI Technik eliminieren eine Zündquelle in dieser Anwendung. Bei durchgängiger Nutzung des Systems mit der maximalen Lichtintensität beträgt der MTBF-Wert der Lichtquelle 100.000 Stunden. In der Praxis wird die Lichtquelle nur sehr selten mit mehr als 50 Prozent der maximalen Intensität betrieben, wodurch die Zuverlässigkeit noch gesteigert wird.

Wartungsfrei und vielseitig

Eine breitbandige Lichtquelle, wie sie für die WLPI Technik verwendet wird, muss nicht kalibriert werden. Bei Laser basierte faseroptische Verfahren wie der Faser-Bragg-Technik müssen regelmäßige Wartungen und Kalibrierungen erfolgen, um das Driftverhalten zu kompensieren und die Wellenlänge und Intensität zu korrigieren. WLPI-Sensoren hingegen funktionieren nach dem „Plug and Forget“-Prinzip. Dies ist in Luftfahrt mehr Voraussetzung denn Option, da Anwender erwarten, dass eine Wartung innerhalb 15.000 Zyklen oder 10.000 Flugstunden nicht notwendig ist. Kosten für Wartung oder Kalibrierung werden eingespart.

Ein weiterer Vorteil: Die WLPI-basierten Sensoren können in sehr kleinen Abmessungen ausgeführt werden. Zudem lassen sich alle Komponenten die zur Signalauswertung benötigt werden, auf einem Modul unterbringen, das in etwa die Größe einer Kreditkarte aufweist. Es ist möglich, mit der gleichen Signalauswerteeinheit alle angebotenen Messgrößen zu erfassen. Gerade in der Luftfahrt ist Platzersparnis und Gewichtsreduktion essentiell, ebenso ermöglicht die geringe Baugröße Messungen an bisher unzugänglichen Stellen. Im Bestreben den Leichtbau bei Flugzeugen weiter voranzutreiben, um Gewicht einzusparen, kommen neue Materialien wie GFK zum Einsatz. Dies führt dazu, dass der natürliche faradaysche Käfig aufgeweicht wird. Daher ist die Unempfindlichkeit der WLPI Sensoren gegenüber Blitzschlag ein zusätzliches Merkmal für die Zuverlässigkeit der Technik.

Bildergalerie

  • Faseroptischer GF Drucksensor

    Bild: Althen

  • Weitere Variante eines faseroptischen Drucksensors

    Bild: Althen

  • Embedded Dehnungssensor für die direkte Integration in den Verbundwerkstoff

    Bild: Althen

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