DE102009020115B4

DE102009020115B4 - Fehlerkorrekturverfahren für einen faseroptischen Sensor und Meßvorrichtung

Info

Publication number: DE102009020115B4
Application number: DE200910020115
Authority: DE
Inventors: Philipp Lenke
Original assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2009-05-06
Filing date: 2009-05-06
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2029-05-07
Also published as: DE102009020115A1

Abstract

Fehlerkorrekturverfahren für einen faseroptischen Sensor, umfassend (a) Bereitstellen von Rückstreu-Meßdaten einer optischen Polymerfaser; (b) Ermitteln eines gemessenen Streuprofils aus den Rückstreu-Meßdaten; (c) Bereitstellen eines Modells der optischen Polymerfaser, wobei das Modell angepaßt ist, einen Zeitverlauf des Rückstreuverhaltens der optischen Polymerfaser zu beschreiben; (d) Ermitteln des Zeitverlaufs des Rückstreuverhaltens anhand des Modells; und (e) Kompensieren des ermittelten Zeitverlaufs des Rückstreuverhaltens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fehlerkorrekturverfahren für einen faseroptischen Sensor, insbesondere für einen Sensor mit einer optischen Polymerfaser. Weiterhin wird eine Meßvorrichtung bereitgestellt, die ein solches Fehlerkorrekturverfahren ausführt.
Faseroptische Sensoren spielen zunehmend eine Rolle bei der Überwachung ausgedehnter Strukturen wie beispielsweise Gebäude, Dämme oder Deiche. Dabei können die faseroptischen Sensoren unter anderem zur Dehnungsmessung verwendet werden, da sich die Streueigenschaften der Faser für verschiedene Dehnungszustände unterscheiden. Typischerweise werden für solche Untersuchungen Rückstreu-Meßverfahren eingesetzt. Diese Rückstreu-Meßverfahren erlauben, eine örtliche Verteilung der Meßgröße entlang der Faser zu erfassen. Unter den Rückstreu-Meßverfahren ist die optische Rückstreumessung im Zeitbereich, auch kurz OTDR (engl.: Optical Time Domain Reflectometry) die am weitesten verbreitete Meßtechnik. Beispielsweise wird beim OTDR-Verfahren ein kurzer Lichtpuls in die Faser eingestrahlt und das rückgestreute Licht als Funktion der Zeit aufgezeichnet. Die Laufzeit des Lichts in der Faser ergibt sich zu 2·d/c·n, wobei d die einfache Strecke entlang der Faser zur Streustelle, c die Lichtgeschwindigkeit und n die effektive Brechzahl in der Faser ist. Die Größe c/n entspricht also der effektiven Geschwindigkeit v des Lichts in der Faser. Auf diese Weise kann ein Bezug zwischen dem zeitlichen Verlauf und dem örtlichen Verlauf des Signals hergestellt werden und der Ort eines Streuzentrums in der Faser lokalisiert werden. Neben der Zeitbereichsanalyse (OTDR) sind dem Fachmann weiterhin die Korrelationsbereichsanalyse und die Frequenzbereichsanalyse als Rückstreu-Meßverfahren bekannt.
Typischerweise werden Glasfasern als optische Fasersensoren verwendet, wobei bereits faseroptische Dehnungssensoren aus Glasfaser im Stand der Technik bekannt sind. Allerdings sind Glasfasern nicht zur Messung größerer Dehnungen, beispielsweise über 1% geeignet. Im Gegensatz zu den Glasfasersensoren sind Sensoren auf Basis optischer Polymerfasern, kurz POF (engl.: Polymer Optical Fiber), auch zur Dehnungsmessung für Dehnungen bis über 45% geeignet.
Allerdings ist die Höhe der Rückstreuung in POF-Sensoren ab etwa 1% Dehnung nicht mehr allein abhängig von der Dehnung sondern auch vom zeitlichen Verlauf der Dehnung, d. h. beispielsweise dem Zeitpunkt der Dehnung in Bezug zum Meßzeitpunkt aber auch wie schnell die Dehnung durchgeführt wurde.
Aufgrund der Zeitabhängigkeit der Rückstreuung wird die Auswertung der Meßsignale erschwert. Der Fehler, der durch die zeitliche Abnahme der Streuung entsteht, kann eine zuverlässige quantitative Auswertung des Streuprofils in ein Dehnungsprofil für Dehnungen oberhalb von ca. 2–5% praktisch unmöglich machen.
Im Hinblick auf das oben Gesagte wird ein Fehlerkorrekturverfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Meßvorrichtung gemäß Anspruch 16 bereitgestellt. Weitere Aspekte, Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Fehlerkorrekturverfahren für einen faseroptischen Sensor bereitgestellt. Dabei werden zunächst Rückstreu-Meßdaten bereitgestellt, insbesondere Rückstreu-Meßdaten, die aus einer optischen Polymerfaser gewonnen wurden. Aus den Rückstreu-Meßdaten wird ein gemessenes Streuprofil ermittelt. Weiterhin wird ein Modells der optischen Polymerfaser bereitgestellt. Das Modell ist angepaßt, einen Zeitverlauf des Rückstreuverhaltens der optischen Polymerfaser zu beschreiben. Anhand dieses Modells wird nun der Zeitverlauf des Rückstreuverhaltens ermittelt. Der so anhand des Modells ermittelte Zeitverlauf des Rückstreuverhaltens wird nun verwendet, um das Zeitverhalten der Sensorfaser zu kompensieren. Auf diese Weise kann ein korrigiertes Dehnungsprofil erhalten werden.
Das beschriebene Fehlerkorrekturverfahren erlaubt es, zeitliche Veränderungen im Rückstreuverhalten der Sensorfaser zu kompensieren. Auf diese Weise kann die Auswertung der Rückstreu-Meßdaten verbessert werden. Insbesondere erlaubt das Fehlerkorrekturverfahren eine verläßliche quantitative Auswertung von Rückstreu-Meßdaten aus POF-Sensoren. Dabei handelt es sich typischerweise um Rückstreu-Meßdaten, die durch eine optische Rückstreumessung im Zeitbereich, eine optische Rückstreumessung im Korrelationsbereich, oder eine optische Rückstreumessung im Frequenzbereich erhalten wurden. Weiterhin kann ein korrigiertes Dehnungsprofil der optischen Polymerfaser ermittelt werden, wobei aufgrund des Fehlerkorrekturverfahrens auch größere Dehnungen, insbesondere Dehnungen im Bereich von 3% bis 50% der Faserlänge, quantitativ bestimmt werden können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das zur Fehlerkorrektur verwendete Modell ein nichtlineares Zeitverhalten auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Modell als ein mechanisches Modell ausgebildet. Beispielsweise weist das mechanische Modell mindestens eine Feder und mindestens ein Dämpfungsglied auf. Dabei können die mindestens eine Feder und das mindestens eine Dämpfungsglied parallel oder in Reihe angeordnet sein. Selbstverständlich kann das Modell mehrere Federn und/oder Dämpfungsglieder aufweisen, die jeweils parallel und/oder in Reihe angeordnet sind. Gemäß einer Weiterbildung weist das mindestens eine Dämpfungsglied ein nichtlineares Verhalten auf. Insbesondere kann die Spannung an einem Stoßdämpfer, abhängig von der ersten zeitlichen Ableitung der Auslenkung an einem Dämpfungsglied, ein polynomiales Verhalten aufweisen. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das Modell auch weitere Glieder aufweisen, die ein anderes Verhalten als Federn oder Dämpfungsglieder zeigen.
Durch Modelle, wie sie oben beschrieben sind, kann das zeitliche Rückstreuverhalten der Sensorfaser hinreichend gut vorhergesagt werden. Insbesondere mechanische Modelle der Sensorfaser sind gut zur Beschreibung des Rückstreuverhaltens geeignet. Dabei lassen sich die mechanischen Modelle relativ einfach darstellen und daher auch schnell und stabil numerisch lösen.
Typischerweise wird das Modell durch ein Differentialgleichungssystem dargestellt, das zur Gewinnung des Zeitverlaufs des Rückstreuverhaltens gelöst wird. Für einige Modellklassen, wie sie weiter unten beschrieben werden, kann das Differentialgleichungssystem auf einfache Weise mittels des Euler-Verfahrens gelöst werden. Auf diese Weise kann die Fehlerkorrektur mit relativ geringem Rechenaufwand und insbesondere sehr schnell durchgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Modell-Streuprofil anhand des Modells ermittelt. Das Modell-Streuprofil wird anschließend mit dem gemessenen Streuprofil verglichen, wonach zumindest ein Parameter des Modells in der Weise angepaßt wird, daß ein Fehler zwischen dem gemessenen Streuprofil und dem angepaßten Modell-Streuprofil möglichst klein wird.
Auf diese Weise können Abweichungen zwischen dem Modell und dem realen Verhalten der Faser verringert werden. Dadurch kann das Modell der Sensorfaser anhand tatsächlich gemessener Werte verbessert werden, und liefert dann genauere Werte für das Zeitverhalten der Rückstreuung. Insbesondere kann das Verfahren in der Weise iterativ durchgeführt werden, daß hintereinander mehrere Messungen von Rückstreu-Meßdaten erfolgen. Für eine jeweilige dieser Messung wird dann das Modell-Streuprofil wie beschrieben angepaßt, wobei bei der Anpassung jeweils von dem angepaßten Modell-Streuprofil der vorhergehenden Messung ausgegangen wird. Auf diese Weise wird das Modell mit jeder Messung verbessert und die Fehlerkorrektur immer besser.
Gemäß einem anderen Ausfürhungsbeispiel wird ein Modell-Dehnungsprofil anhand des Modells ermittelt, das Modell-Dehnungsprofil mit dem gemessenen Dehnungsprofil verglichen und zumindest ein Parameter des Modells in der Weise angepaßt, daß ein Fehler zwischen dem gemessenen Dehnungsprofil und dem angepaßten Modell-Dehnungsprofil möglichst klein wird. Bei dieser Variante wird also direkt das Dehnungsprofil optimiert, ohne daß der Zwischenschritt über eine Korrektur des gemessenen Streuprofils gegangen werden muß.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Meßvorrichtung bereitgestellt, die eine optische Polymerfaser, eine Lichtquelle, die eingerichtet ist, Lichtpulse in die optische Polymerfaser einzuleiten, einen Detektor, der eingerichtet ist, aus der optischen Polymerfaser rückgestreutes Licht als Rückstreu-Meßdaten aufzunehmen, und eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, auf den Rückstreu-Meßdaten das oben beschriebene Fehlerkorrekturverfahren auszuführen, umfaßt. Typischerweise weist die optische Polymerfaser als Bestandteil Polymethylmethacrylat, ein Fluoropolymer oder ein Perfluorpolymer auf. Weiterhin kann die optische Polymerfaser als Gradientenindexfaser oder Stufenindexfaser ausgebildet sein.
Insbesondere können einige der optischen Polymerfasern einer Dehnung bis zu 45% ohne Beschädigung ausgesetzt werden.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Meßvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung eines Meßprinzips;
3 eine spektrale Verteilung des relativen Intensitätsanstiegs des Streulichts für verschiedene Dehnungen;
4 die zeitliche Abnahme der erhöhten Streuung mit der Zeit für eine Dehnung von 20%;
5 ein Flußdiagramm eines Fehlerkorrekturverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 ein Modell, wie es in einem Fehlerkorrekturverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet wird;
7 ein iteratives Verfahren zur Auswertung bei mehreren aufeinanderfolgenden Messungen.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Meßvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Meßvorrichtung 100 umfaßt Lichtquellen 110, 112, die eingerichtet sind, Lichtpulse in einen optischen Fasersensor 120 einzuleiten. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Meßvorrichtung 100 eine erste Lichtquelle 110 auf, die Lichtpulse in ein vorderes Ende 122 der Sensorfaser 120 einleitet, sowie eine zweite Lichtquelle 112, die Lichtpulse in ein hinteres Ende 124 der Sensorfaser 120 einleitet. Es ist dabei zu beachten, daß Messungen am vorderen und am hinteren Ende der Sensorfaser 120 zeitlich hintereinander durchgeführt werden. Daher ist es auch möglich, daß das vordere Ende und das hintere Ende der Sensorfaser mit derselben Lichtquelle und demselben Detektor verbunden sind. Dieses Ausführungsbeispiel ist in 1 nicht gezeigt, jedoch dem Fachmann ohne weiteres geläufig. Grundsätzlich sind die Messungen jedoch auch durchführbar, wenn das Licht nur an einem Ende der Sensorfaser eingespeist wird.
In typischen Ausführungsbeispielen ist der Fasersensor als optische Polymerfaser (POF) ausgeführt. Dabei kann der POF-Sensor als Bestandteil Polymethylmethacrylat (PMMA), ein Fluoropolymer oder ein Perfluorpolymer aufweisen. Weiterhin kann die optische Polymerfaser als Gradientenindexfaser oder als Stufenindexfaser ausgeführt sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Sensorfaser aus PMMA mit einem Kerndurchmesser von 1 mm und einem Stufenindexpofil verwendet. Solche Fasern sind beispielsweise von den Firmen Mitsubishi, Toray und Asahi erhältlich. Die Fasern sind auch mit anderen Kerndurchmessern bei gleichem Material verfügbar. Die Fasern lassen sich ohne Beschädigung einige zehn Prozent dehnen (> 45%) und weisen eine mit der Dehnung stetig steigende Streuung auf. Weiterhin zeigen diese Fasern eine Dämpfung im Bereich von 160 dB/km bei der üblichen Wellenlänge von 650 nm. Darüber hinaus weiten sich die eingespeisten Lichtpulse aufgrund des Stufenindexprofils entlang der Faser stark auf. Eine Gradientenindexfaser aus PMMA mit 1 mm Kerndurchmesser ist von der Firma optimedia erhältlich. Diese Faser weist nur im Dehnbereich zwischen 1,5% und 6% erhöhte Streuung auf. Darüber hinaus ist diese Faser deutlich zerbrechlicher als die oben genannten Stufenindexfasern. Alle diese PMMA-Fasern werden typischerweise mit Lichtquellen 110, 112 verwendet, die im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 700 nm arbeiten.
Gemäß anderen Ausführungsbeispielen werden für den Fasersensor 120 Gradientenindexfasern der Hersteller Asahi Glas und Chromis verwendet, die aus dem Perfluorpolymer Cytop^® bestehen. Dämpfung und Pulsaufweitung sind bei diesen Fasern vergleichsweise gering und liegen im Bereich von 30 dB/km. Eine Zunahme der Streuung ist aber nur im Dehnbereich zwischen 1,5% und 3% zu beobachten. Diese Fasern sind auch im sichtbaren Bereich einsetzbar, werden aber typischerweise mit Lichtquellen verwendet, die im Wellenlängenbereich von 850 nm bis 1300 nm arbeiten.
Polymerfasern können beispielsweise aus Thermoplasten hergestellt werden. Unter den Thermoplasten können neben PMMA beispielsweise auch optische Fasern aus Polycarbonat oder Polystyrol hergestellt werden. Weiterhin können auch optische Fasern aus zyklischen Polyolefinen hergestellt werden. Weitere Fluoropolymere, die zur Herstellung optischer Fasern geeignet sind, umfassen Hexafluoroisopropyl 2-Fluoroacrylat (HFIP 2-FA), Polytetrafluoroethylen (PTFE), Tetrafluoroethylen-Hexafluoropropylen (PFE) und Tetrafluoroethylen-Perfluoroalkylvinyl-Ether (PFA). Weiterhin können optische Fasern auch mit deuteriertem Polymer auf Basis von PMMA hergestellt werden. Neben diesen Thermoplasten können optische Fasern auch aus Elastomeren wie beispielsweise Polysiloxanen hergestellt werden.
Weiterhin umfaßt die Meßvorrichtung 100 Detektoren 130, 132, die eingerichtet sind, aus dem Fasersensor 120 rückgestreutes Licht als Rückstreu-Meßdaten aufzunehmen. Dabei kann es eine optische Rückstreumessung im Zeitbereich, eine optische Rückstreumessung im Korrelationsbereich, oder eine optische Rückstreumessung im Frequenzbereich durchgeführt werden. Beispielhaft jedoch ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird hier eine optische Rückstreumessung im Zeitbereich (OTDR) beschrieben. Dazu sind die Detektoren 130, 132 eingerichtet, das Streulicht zeitaufgelöst zu registrieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind sowohl am vorderen als auch am hinteren Ende der Sensorfaser 120 optische Koppler 140, 142 vorgesehen, die das Streulicht aus der Faser auskoppeln und an den jeweiligen Detektor 130, 132 leiten.
Schließlich umfaßt die Meßvorrichtung 100 noch eine Auswerteeinheit 150. Die Auswerteeinheit 150 erhält die von den Detektoren 130, 132 aufgenommenen Rückstreu-Meßdaten und ist eingerichtet, auf den Rückstreu-Meßdaten ein unten beschriebenes Fehlerkorrekturverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auszuführen. Typischerweise umfaßt die Auswerteeinheit 150 einen Rechner, auf dem ein Computerprogramm ausgeführt wird, das das unten beschriebene Fehlerkorrekturverfahren durchführt. Die Auswerteeinheit 150 ist typischerweise weiterhin eingerichtet, aus den Rückstreu-Meßdaten bzw. aus mit Hilfe des Fehlerkorrekturverfahrens erhaltenen korrigierten Rückstreu-Meßdaten ein Dehnungsprofil der Sensorfaser 120 zu erhalten. Insbesondere wird das Dehnungsprofil für einen gedehnten Teil 125 der Sensorfaser 120 erhalten.
In 2 ist das zugrundeliegende Meßprinzip schematisch dargestellt. Dabei werden zunächst am vorderen und am hinteren Ende der Sensorfaser 120 mittels der Detektoren 130, 132 jeweilige Meßsignale zeitaufgelöst aufgenommen. In den Meßsignalen werden sodann die sich entsprechenden Faserabschnitte anhand von Referenz-Reflexen (z. B. Fresnel-Reflexen an Faseranfang bzw. Faserende oder an Steckverbindungen) identifiziert. Hierbei ist zu beachten, daß die Signale, von den beiden Referenzpunkten aus betrachtet, zueinander zeitlich invertiert sind, da die Streuereignisse an den entgegengesetzten Enden der Sensorfaser aufgenommen wurden. Anschließend erfolgt eine Schärfung der Signale, um die durch die Sensorfaser verursachte Pulsverbreiterung zu kompensieren. Beispielsweise kann eine solche Schärfung mit Hilfe einer Unschärfe-Matrix erfolgen, wobei zur Schärfung die Pseudoinverse der Unschärfematrix verwendet wird. Typischerweise wird die Pseudoinverse der Unschärfematrix einmal für eine bestimmte Meßvorrichtung ermittelt und dann gespeichert. Die Schärfung des Signals wird dann durch einfache Multiplikation des Signalvektors mit der Pseudoinversen der Unschärfematrix erreicht. Anschließend wird das am hinteren Ende der Sensorfaser erhaltene Signal noch zeitlich invertiert, um beim Übereinanderlegen der beiden Meßsignale korrekte Positionswerte zu erhalten. Durch Übereinanderlegen der beiden so erhaltenen Meßsignale können das Dämpfungsprofil, das heißt die Dämpfung an einem jeweiligen Ort der Sensorfaser, und das Streuprofil, das heißt die Stärke der Rückstreuung an einem jeweiligen Ort der Sensorfaser, voneinander getrennt werden. Typischerweise wird die Stärke der Rückstreuung an einem jeweiligen Ort der Sensorfaser durch die Intensität des Streulichts, typischerweise normiert auf die vorhandene Lichtintensität, an dem Ort angegeben.
In 3 zeigt eine spektrale Verteilung des relativen Intensitätsanstiegs des Streulichts für verschiedene Dehnungen der Sensorfaser im Bereich von 1% bis 40% Dehnung. Die Auftragung ist doppeltlogarithmisch gewählt, um die typische λ^–4-Abhängigkeit zu zeigen, die von der Rayleigh-Streuung in der Sensorfaser herrührt. Das in 3 gezeigte Streuverhalten der Sensorfaser für verschiedene Dehnungen erlaubt nun, einen Zusammenhang zwischen dem Streuprofil und dem Dehnungsprofil der Faser herzustellen. Mit anderen Worten kann über den in 3 gezeigten Zusammenhang die Streuintensität an einem Ort der Sensorfaser in eine Dehnung an diesem Ort überführt werden. Der relativen Zunahme der Streuung in der gedehnten Faser im Vergleich zur ungedehnten Faser kann so ein Dehnwert zugeordnet werden. Auf diese Weise kann die Sensorfaser als Dehnungssensor verwendet werden.
Allerdings ist die Höhe der Rückstreuung in POF-Sensoren ab etwa 1% Dehnung nicht mehr allein abhängig von der Dehnung selbst sondern ist auch zeitabhängig. Insbesondere zeigen die POF-Sensoren eine Abnahme der erhöhten Streuung mit der Zeit, d. h. ein Relaxationsverhalten. Dies ist in 4 gezeigt, in der die Erhöhung der Streuung gegen die Zeit aufgetragen ist. Die 4 zeigt deutlich die Abnahme der aufgrund der Dehnung erhöhten Streuung mit der Zeit. Im Beispiel der 4 wurde eine Dehnung von 20% eingestellt, grundsätzlich läßt sich dieses Abklingen der Streuung aber praktisch für alle Dehnungen oberhalb von ca. 1% beobachten. Im allgemeinen gilt hier, daß die relative Abnahme der Meßgröße mit der Zeit umso stärker ist, je stärker die aufgeprägte Dehnung ist. Weiterhin kann die Dehnung auch vom zeitlichen Verlauf der Dehnung, d. h. beispielsweise dem Zeitpunkt der Dehnung in Bezug zum Meßzeitpunkt aber auch wie schnell die Dehnung durchgeführt wurde, abhängen.
Aufgrund der Zeitabhängigkeit der Rückstreuung wird die Auswertung der Meßsignale erschwert. Mit anderen Worten erscheint die Dehnung nach einer gewissen Zeit kleiner, als sie tatsächlich ist. Aufgrund der unkorrigierten Meßdaten würde man also die Dehnung in der Sensorfaser systematisch unterschätzen, wobei auch der Fehler zeitabhängig ist. Der Fehler, der durch die zeitliche Abnahme der Streuung entsteht, macht somit eine zuverlässige quantitative Auswertung des Streuprofils in ein Dehnungsprofil für Dehnungen oberhalb von ca. 2–5% ohne entsprechende Fehlerkorrektur unmöglich.
In 5 ist ein Flußdiagramm eines Fehlerkorrekturverfahrens 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. In einem ersten Schritt 510 werden Rückstreu-Meßdaten einer optischen Polymerfaser bereitgestellt. Anschließend wird ein gemessenes Streuprofil aus den Rückstreu-Meßdaten ermittelt (Schritt 520). Es wurde oben bereits beschrieben, wie sich ein Streuprofil aus den Rückstreu-Meßdaten ermitteln läßt, so daß eine weitere Erläutertung dazu hier weggelassen wird. In einem Schritt 530 wird ein Modell der optischen Polymerfaser bereitgestellt. Das Modell ist angepaßt, den Zeitverlauf des Rückstreuverhaltens der Sensorfaser, insbesondere einer optischen Polymerfaser, zu beschreiben. Typischerweise weist das Modell eine inhomogene Spannungsverteilung auf. Eine solche inhomogene Spannungsverteilung ist typischerweise auch in den Sensorfasern zu finden. Weiterhin zeigt das Modell typischerweise ein nichtlineares Zeitverhalten, wie es beispielsweise auch in den Sensorfasern gefunden wird (vgl. 4). Geeignete Modelle werden weiter unten genauer beschrieben. Anhand des Modells wird nun in Schritt 540 der Zeitverlauf des Rückstreuverhaltens ermittelt. Anhand des im Modell ermittelten Zeitverlaufs des Rückstreuverhaltens wird nun eben dieses Zeitverhalten in dem gemessenen Streuprofil kompensiert.
Das beschriebene Fehlerkorrekturverfahren erlaubt es, zeitliche Veränderungen im Rückstreuverhalten der Sensorfaser zu kompensieren. Auf diese Weise kann die Auswertung der Rückstreu-Meßdaten verbessert werden. Insbesondere erlaubt das Fehlerkorrekturverfahren eine verläßliche quantitative Auswertung von Rückstreu-Meßdaten aus POF-Sensoren. Weiterhin kann ein Dehnungsprofil der optischen Polymerfaser anhand des korrigierten Rückstreuprofils ermittelt werden, wobei aufgrund des Fehlerkorrekturverfahrens auch größere Dehnungen, insbesondere Dehnungen im Bereich von 3% bis 50% der Faserlänge, quantitativ zuverlässig bestimmt werden können.
In 6 ist ein Modell 600 gezeigt, wie es in einem Fehlerkorrekturverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet wird. Dabei wird hier ein mechanisches Modell verwendet, d. h. ein Modell, das aus miteinander gekoppelten mechanischen Elementen besteht. Das Modell gemäß 6 weist dabei zwei zueinander parallel verlaufende Zweige auf. Der erste Zweig umfaßt eine erste Feder S₁ und ein mit der ersten Feder S₁ in Reihe angeordnetes erstes Dämpfungselement D₁. Der zweite Zweig umfaßt eine zweite Feder S₂ und ein mit der zweiten Feder S₂ in Reihe angeordnetes zweites Dämpfungselement D₂. Die Auslenkung der ersten bzw. der zweiten Feder ist zeitabhängig und durch z₁ bzw. z₂ gegeben. Die beiden Dämpfungsglieder D₁, D₂ weisen ein nichtlineares Verhalten auf. Das Modell 600 läßt sich durch ein Differentialgleichungssystem beschreiben, welches beispielsweise mittels des Euler-Verfahrens numerisch lösbar ist.
Das oben beschriebene Modell ist geeignet, die Abnahme der Streuungsintensität mit der Zeit quantitativ korrekt wiederzugeben. Dabei werden die Spannungen an den einzelnen Federn F_n ¹ = z_n ¹·S¹ über eine Funktion g(F_n ¹) in einen Streufaktor umgerechnet. Dabei steht der Index i für die verschiedenen Zweige im Modell und der Index n für die Messung bzw. den Zeitpunkt der Messung. Im einfachsten Fall entspricht die Funktion g einer gewichteten Summe der Komponenten aus F_n ¹, so daß die Umrechnung über eine einfache Multiplikation mit diesen Konstanten erfolgt. Die Summe der einzelnen Streufaktoren bildet dann den Streufaktor, der auch im Streuprofil wiederzufinden ist. Die Spannung F¹(t) an einer Feder ist zeitabhängig und gegeben durch das Produkt aus Federkonstante S¹ und Auslenkung z¹ F¹(t) = z¹(t)·S¹.
Dadurch wird auch der aus F_n ¹ berechnete Streufaktor zeitabhängig, wodurch sich beispielsweise das in 4 gezeigte Relaxationsverhalten beschreiben läßt. Wie bereits erläutert können die Dämpfungsglieder entweder ebenso wie die Federn linear sein (F¹(t)d/dt(z(t) – z¹(t))·D¹) oder ein nichtlineares Zeitverhalten aufweisen (z¹(t)·S¹)^m = d/dt(z(t) – z¹(t))·D¹.
Dabei ist d/dt(z – z¹) die Änderung der Auslenkung des Dämpfungsglieds mit der Zeit und m ein Exponent. Die Variable z ist dabei äquivalent zur Dehnung ε am jeweiligen Ort der Faser. Insofern ist also die zeitliche Änderung von z äquivalent zur zeitlichen Änderung der Dehnung ε. Im einfachsten Fall wird angenommen, dass sich die Änderung der Dehnung gleichförmig über das Zeitintervall zwischen den Messungen dt verteilt. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen werden aber auch Modelle mit anderen zeitlichen Dehnungsverläufen verwendet.
Grundsätzlich können in dem Modell auch andere als polynomielle Funktionsverläufe (m = 1, 2, 3...) verwendet werden. Jedoch zeigt bereits das relativ einfache abgebildete Modell mit zwei parallel angeordneten nichtlinearen Dämpfungsgliedern gute Ergebnisse für m = 2. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß grundsätzlich die Anzahl der Federn und Dämpfungsglieder in dem Modell beliebig ist. Genauso ist die Topologie des Netzwerks, das die Kopplungen der mechanischen Glieder miteinander beschreibt, grundsätzlich beliebig. Jedoch ist es zur schnellen und einfachen Ermittlung des Zeitverhaltens sinnvoll, eine möglichst einfache Netzwerktopologie mit möglichst wenigen Knoten, d. h. mechanischen Gliedern, zu verwenden.
Das Modell liefert zunächst eine Reihe gewöhnlicher Differentialgleichungen für F¹(t). Weiterhin sind die Konstanten S¹ und D¹ an jedem Ort der Faser identisch gewählt. Allerdings gibt es für jeden Ortspunkt entlang der Faser jeweils eine Dehnung z bzw. ε sowie eigene Auslenkungen z¹ der jeweiligen Federn. Durch Lösung des Differentialgleichungssystems für jeden Ort entlang der Faser können nun die F¹ bestimmt werden. Die Zeitabhängigkeit wird dabei so berücksichtigt, daß die F¹(t) jeweils für Meßzeitpunkte n = 1, 2, 3, ... als F_n ¹ bestimmt werden. Dazu werden aus vorherigen Messungen die Startwerte z_n, z_n ¹ des Modells verwendet, sowie ein geschätztes Δz und das Zeitintervall Δt_n zwischen der aktuellen und der vorhergehenden Messung. Aus den F_n ¹ lassen sich dann die Streufaktoren für den jeweiligen Ort der Faser neu ermitteln. Diese können nun zum Abgleich mit den gemessenen Streufaktoren verwendet werden. Die ermittelte Zeitabhängigkeit der lokalen Streufaktoren kann nun dazu verwendet werden, um in dem gemessenen Streuprofil die Zeitabhängigkeit zu kompensieren. Mit anderen Worten kann nun die zeitabhängige Abnahme der Streuintensität berücksichtigt werden.
In 7 ist ein iteratives Verfahren zur Auswertung bei mehreren aufeinanderfolgenden Dehnungsmessungen gezeigt. Dabei werden zunächst die Auslenkungen z_n-1 und z_n-1 ¹ der vorangegangenen Messung sowie der Zeitabstand Δt_n zu dieser Messung als Eingangsgrößen des Modells verwendet. Weiterhin wird eine lokale Änderung der Dehnung Δε_n geschätzt und als Eingangsgröße verwendet, um daraus das sich ergebende Streuprofil zu berechnen. Es wird nun der geratene Wert Δε_n für die Änderung der Dehnung solange optimiert, bis das errechnete Modell-Streuprofil möglichst gut mit dem gemessenen Streuprofil übereinstimmt. Für die Berechnung des Dehnprofils aus der nächsten Messung werden neben den Dehnwerten für jeden Ortspunkt entlang der Sensorfaser außerdem jeweils die Zustände für alle z_n ¹ gespeichert, da diese wieder als Startpunkt für die nächste Berechnung dienen. Mit andern Worten enthält das Modell für jeden Ort entlang der Faser einen eigenen Zustand mit den lokalen Zustandsgrößen z_n bzw. ε_n und z_n ¹, die die gesamte Historie der Faser ausreichend beschreiben und nach jeder Berechnung mit neuen Messdaten angepasst werden.
Bei dem iterativen Verfahren wird also ein Modell-Streuprofil anhand des Modells ermittelt, das Modell-Streuprofil mit dem gemessenen Streuprofil verglichen wird, und anschließend die geschätzte Dehnung in der Weise angepaßt, daß der Fehler zwischen dem gemessenen Streuprofil und dem angepaßten Modell-Streuprofil möglichst klein wird. Beispielsweise kann diese Optimierung mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate erfolgen, jedoch sind auch andere Optimierungsverfahren geeigent. Typischerweise wird das Verfahren wie beschrieben in der Weise iterativ durchgeführt, daß mehrere Messungen von Rückstreu-Meßdaten erfolgen und für eine jeweilige Messung das Modell-Streuprofil angepaßt wird. Bei der Anpassung wird jeweils von dem angepaßten Modell-Streuprofil der vorhergehenden Messung ausgegangen wird.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden.

Claims

Fehlerkorrekturverfahren für einen faseroptischen Sensor, umfassend (a) Bereitstellen von Rückstreu-Meßdaten einer optischen Polymerfaser; (b) Ermitteln eines gemessenen Streuprofils aus den Rückstreu-Meßdaten; (c) Bereitstellen eines Modells der optischen Polymerfaser, wobei das Modell angepaßt ist, einen Zeitverlauf des Rückstreuverhaltens der optischen Polymerfaser zu beschreiben; (d) Ermitteln des Zeitverlaufs des Rückstreuverhaltens anhand des Modells; und (e) Kompensieren des ermittelten Zeitverlaufs des Rückstreuverhaltens.
Fehlerkorrekturverfahren nach Anspruch 1, wobei weiterhin ein gemessenes Dehnungsprofil der optischen Polymerfaser anhand des Rückstreuprofils ermittelt wird.
Fehlerkorrekturverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Modell eine inhomogene Spannungsverteilung aufweist.
Fehlerkorrekturverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Modell ein nichtlineares Zeitverhalten aufweist.
Fehlerkorrekturverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Modell ein mechanisches Modell ist.
Fehlerkorrekturverfahren nach Anspruch 5, wobei das mechanische Modell mindestens eine Feder und mindestens ein Dämpfungsglied umfaßt.
Fehlerkorrekturverfahren nach Anspruch 6, wobei mindestens eine Feder und mindestens ein Dämpfungsglied parallel angeordnet sind.
Fehlerkorrekturverfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei mindestens eine Feder und mindestens ein Dämpfungsglied in Reihe angeordnet sind.
Fehlerkorrekturverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das mindestens eine Dämpfungsglied ein nichtlineares Zeitverhalten aufweist.
Fehlerkorrekturverfahren nach Anspruch 9, wobei die erste zeitliche Ableitung des mindestens einen Dämpfungsglieds ein polynomiales Verhalten aufweist.
Fehlerkorrekturverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Modell durch ein Differentialgleichungssystem dargestellt wird und das Differentialgleichungssystem in Schritt (d) gelöst wird.
Fehlerkorrekturverfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3 bis 11 soweit auf Anspruch 2 zurückbezogen, wobei ein Modell-Dehnungsprofil anhand des Modells ermittelt wird, das Modell-Dehnungsprofil mit dem gemessenen Dehnungsprofil verglichen wird, und zumindest ein Parameter des Modells in der Weise angepaßt wird, daß ein Fehler zwischen dem gemessenen Dehnungsprofil und dem angepaßten Modell-Dehnungsprofil möglichst klein wird.
Fehlerkorrekturverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Modell-Streuprofil anhand des Modells ermittelt wird, das Modell-Streuprofil mit dem gemessenen Streuprofil verglichen wird, und zumindest ein Parameter des Modells in der Weise angepaßt wird, daß ein Fehler zwischen dem gemessenen Streuprofil und dem angepaßten Modell-Streuprofil möglichst klein wird.
Fehlerkorrekturverfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Verfahren in der Weise iterativ durchgeführt wird, daß mehrere Messungen von Rückstreu-Meßdaten erfolgen und für eine jeweilige Messung das Modell-Dehnungsprofil bzw. das Modell-Streuprofil angepaßt wird, wobei bei der Anpassung jeweils von dem angepaßten Modell-Dehnungsprofil bzw. dem Modell-Streuprofil der vorhergehenden Messung ausgegangen wird.
Fehlerkorrekturverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rückstreu-Meßdaten durch eine optische Rückstreumessung im Zeitbereich, eine optische Rückstreumessung im Korrelationsbereich, oder eine optische Rückstreumessung im Frequenzbereich erhalten wurden.
Meßvorrichtung, umfassend eine optische Polymerfaser, eine Lichtquelle, die eingerichtet ist, Lichtpulse in die optische Polymerfaser einzuleiten, einen Detektor, der eingerichtet ist, aus der optischen Polymerfaser rückgestreutes Licht als Rückstreu-Meßdaten aufzunehmen, und eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, auf den Rückstreu-Meßdaten ein Fehlerkorrekturverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Meßvorrichtung nach Anspruch 16, wobei die optische Polymerfaser als Bestandteil Polymethylmethacrylat, ein Fluorpolymer oder ein Perfluorpolymer aufweist.
Meßvorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei die optische Polymerfaser eine Gradientenindexfaser oder eine Stufenindexfaser ist.
Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die optische Polymerfaser einer Dehnung bis zu 45% ohne Beschädigung ausgesetzt werden kann.
Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die optische Polymerfaser ein Thermoplast, insbesondere Polycarbonat, Polystyrol, ein zyklisches Polyolefin, Hexafluoroisopropyl 2-Fluoroacrylat (HFIP 2-FA), Polytetrafluoroethylen (PTFE), Tetrafluoroethylen-Hexafluoropropylen (PFE), Tetrafluoroethylen-Perfluoroalkylvinyl-Ether (PFA) oder ein deuteriertes Polymer auf Basis von PMMA, oder ein Elastomer, insbesondere ein Polysiloxan, umfaßt.