DE69816534T2 - Zugisolierter faseroptischer Sensor mit einem Bragg-Gitter - Google Patents

Zugisolierter faseroptischer Sensor mit einem Bragg-Gitter Download PDF

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen beanspruchungsfreien faseroptischen Bragg-Gitter-Sensor, der insbesondere, aber nicht ausschließlich, geeignet ist zur Kompensation von Bragg-Gittem, die nicht beanspruchungsfrei sind.
  • Faseroptische Sensoren können zur Messung zahlreicher Parameter benutzt werden, beispielsweise von Temperatur, Beanspruchung, Druck, Versetzung, elektrisches Feld, Brechungsindex, Drehung, Position und Vibration. Wegen seiner Empfindlichkeit gegenüber diesen Parametern kann jedoch ein faseroptischer Sensor häufig unter einer Querübertragungs-Empfindlichkeit leiden, so dass, wenn er zum Messen eines Parameters benutzt wird, die Messung durch einen oder mehrere der anderen Parameter beeinflusst wird. Obgleich derartige Sensoren so ausgebildet werden können, dass ein Teil der Querübertragungs-Empfindlichkeit vermieden wird, so hat es sich als besonders schwierig erwiesen, die durch Spannungsbeanspruchung bewirkte Querübertragungs-Empfindlichkeit zu eliminieren.
  • Deshalb besteht ein Bedarf nach einem faseroptischen Bragg-Gitter-Sensor, der beanspruchungsfrei ist und der daher benutzt werden kann, um die Temperatureffekte bei einem ähnlichen nicht beanspruchungsfreien faseroptischen Bragg-Gitter-Sensor zu kompensieren.
  • Ein Versuch, das Problem der Temperaturkompensation zu behandeln, findet sich in der Veröffentlichung „Simultaneous Measurement of Temperature and Strain Using Two Fiber Bragg Gratings Embedded in a Glass Tube" von E. A. Song, veröffentlicht in Optical Fibre Techology: Materials, Devices and Systems, Band 3, Seiten 194 bis 196. Es wird eine optische Faser beschrieben, deren Mittelteil mit zwei im dichten Abstand zueinander angeordneten Bragg-Gittern versehen ist. Ein Glasrohr ist auf beiden Seiten eines der Bragg-Gitter festgelegt, und es wird versucht, hierdurch die Beanspruchungen über jenem Bragg-Gitter zu verringern.
  • Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung betrifft diese einen beanspruchungsfreien faseroptischen Bragg-Gitter-Sensor, der gekennzeichnet ist durch eine optische Faser, die an einem Ende oder in der Nähe hiervon mit einem Bragg-Gitter versehen ist und durch eine Kappe mit offener Mündung, die das Faserende und den mit dem Bragg-Gitter versehenen Bereich mit einem Abstand von der Faser, vom Faserende und vom Bragg-Gitter umschließt, wobei die Kappe an der offenen Mündung mit der optischen Faser auf der Seite des Bragg-Gitters, die vom Faserende entfernt liegt, dichtend verbunden ist und die Kappe aus einem Material mit niedrigem Elastizitätsmodul besteht und das Bragg-Gitter von allen Beanspruchungen freihält.
  • Vorzugsweise besteht die Kappe aus einem dünnwandigen Kapillarrohr aus Quarz.
  • Stattdessen kann die Kappe auch aus einem Epoxydharz bestehen.
  • Zweckmäßigerweise enthält der Sensor ein gasförmiges Medium innerhalb der Kappe um die Faser herum, welches ein niedriges Elastizitätsmodul aufweist.
  • Zweckmäßigerweise ist das gasförmige Medium Luft.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung betrifft diese ein faseroptisches Bragg-Gitter-Sensor-System, das auf einem Gegenstand angebracht oder in diesen integrierbar ist und einen oder mehrere faseroptische Bragg-Gitter-Sensoren zur Feststellung einer Beanspruchung in dem Gegenstand oder an diesem und einen oder mehrere beanspruchungsfreie faseroptische Bragg-Gitter-Sensoren gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist, um die Temperatur in oder an dem Gegenstand zu messen.
  • Vorzugsweise weist das System Mittel auf, um ein Temperatur-Ausgangssignal von dem oder jedem beanspruchungsfreien faseroptischen Bragg-Gitter-Sensor zu empfangen, wobei das Temperatur-Ausgangssignal verarbeitet und daraus ein Ausgang erzeugt wird, der den Einfluss der Temperatur auf den oder jeden faseroptischen Bragg-Gitter-Sensor kompensiert.
  • Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und um zu zeigen, wie diese in die Praxis umgesetzt werden kann, werden nachstehend Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines beanspruchungsfreien faseroptischen Bragg-Gitter-Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine graphische Darstellung der Amplitude in Abhängigkeit von der Wellenlänge, welche zeigt, wie sich die Wellenlängen-Scheitelwerte bei einer konstanten Beanspruchung mit der Temperatur bei dem Sensor gemäß 1 verschieben;
  • 3 zeigt die Veränderung der Wellenlängen-Scheitelwerte in Abhängigkeit von der Temperatur bei einem Sensor gemäß 1; und
  • 4 ist eine schematische Ansicht eines faseroptischen Bragg-Gitter-Sensor-Systems mit wenigstens einem beanspruchungsfreien faseroptischen Bragg-Gitter-Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Ein beanspruchungsfreier faseroptischer Bragg-Gitter-Sensor gemäß der Erfindung ist schematisch in 1 der beiliegenden Zeichnung mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet. Der Sensor 1 weist eine optische Faser 2 an oder benachbart zu einem Ende 2a mit einem Bragg-Gitter 3 auf, das gleiche Gitterabstände wie dargestellt oder variable Gitterabstände aufweisen kann. Eine mit offener Mündung versehene Kappe 4 umgibt das Faserende und den Bereich, der mit dem Bragg-Gitter 3 versehen ist, mit einem Abstand von der Faser, vom Faserende 2a und vom Bragg-Gitter. Die Kappe 4 ist an der offenen Mündung bei 5 mit der optischen Faser 2 dichtend verbunden. Diese Dichtung 5 liegt an der Seite des Bragg-Gitters, das vom Faserende 2a entfernt liegt, und die Dichtung besteht aus einem Material mit niedrigem Elastizitätsmodul und ist in der Lage, das Bragg-Gitter 3 von Beanspruchungen freizuhalten. Die Dichtung 5 kann eine Fusionsverspleißung oder ein Expoxyd-Kunstharz sein.
  • Die Kappe 4 besteht vorzugsweise aus einem Stück eines dünnwandigen Quarz-Kapillarrohres, das das Faserende 2a und das Gitter 3 umschließt, ohne in körperliche Berührung mit dem Gitter 3 zu kommen. Stattdessen kann die Kappe 4 aus einem Epoxydharz bestehen. Eine geeignete optische Faser 2 ist eine Standard-optische Faser, die mit Germanium dotiert ist und beispielsweise einen Durchmesser von 125 μm aufweist, wobei die Kappe 4 eine Länge von 5 mm und einen Innendurchmesser von etwa 150 μm und einen Außendurchmesser von im Wesentlichen 360 μm besitzt.
  • Vorzugsweise kann das geschlossene Ende der Kappe 4 unter Benutzung eines Fusionsspleißverfahrens hergestellt werden, das auch benutzt werden kann, um die Dichtung 5 am offenen Mündungsende der Kappe 4 zu erzeugen. Die Kappe 4 hält wirksam Beanspruchungen vom Bragg-Gitter 3 ab.
  • Der Sensor gemäß 1 wurde an einer Materialstange befestigt, die unter Benutzung eines Dreipunkt-Biegeversuchs beansprucht wurde. Bei einem Dreipunkt-Biegeausschlag der Stange über einen Bereich zwischen 7,5 bis 22,5 mm ergab sich keine Beanspruchungsablesung für den Sensor, während ein nicht gemäß der Erfindung ausgebildeter Sensor eine Beanspruchungsänderung in diesem Ausschlagsbereich zwischen 500 und 1500 μm anzeigte.
  • 2 der beiliegenden Zeichnung zeigt, wie sich die Scheitelwerte der Reflexions-Wellenlängen mit der Temperatur verschieben, wenn der Sensor gemäß 1 erhitzt wird. 3 zeigt die Scheitelwert-Stellungen der Reflexions-Wellenlängen bei verschiedenen Temperaturen bei dem Sensor gemäß 1, wenn dieser mit einer Breitband-superlumineszierenden Diode beleuchtet wurde.
  • Die auf der optischen Faser 2 bei 5 dichtend aufgesetzte Kappe 4 in dem beanspruchungsfreien faseroptischen Bragg-Gitter-Sensor gemäß 1 nach der Erfindung enthält ein gasförmiges Medium um die Faser herum. Dieses Medium hat einen niedrigen Elastizitätsmodul, was zu dem beanspruchungsfreien Effekt beiträgt. Zweckmäßigerweise ist dieses gasförmige Medium Luft.
  • Der erfindungsgemäße beanspruchungsfreie faseroptische Bragg-Gitter-Sensor ist geeignet zur Benutzung in einem faseroptischen Bragg-Gitter-Sensor-System, das an einem Gegenstand befestigt oder in diesem eingeschaltet wird, an welchem eine Beanspruchung zu messen ist. Ein solches System ist schematisch in 4 der beiliegenden Zeichnung dargestellt. Dieses System weist einen nicht beanspruchungsfreien faseroptischen Bragg-Gitter-Sensor 6 oder mehrere Sensoren und wenigstens einen beanspruchungsfreien Sensor 1 gemäß der Erfindung auf. Die vom beanspruchungsfreien Sensor 1 gemessene Temperatur wird benutzt, um die Querübertragungs-Empfindlichkeit der übrigen nicht beanspruchungsfreien Sensoren 6 im System zu kompensieren. Es sind Mittel vorgesehen, um ein Temperatur-Ausgangssignal von dem oder jedem beanspruchungsfreien Sensor 1 zu empfangen und um das Signal zu verarbeiten und daraus einen Ausgang zu erzeugen, der die Wirkungen der Temperatur auf die Sensoren 6 kompensiert. Die Sensoren 6, die die gleiche optische Faser 2 und das gleiche Bragg-Gitter 3 wie der beanspruchungsfreie Sensor 1 benutzen, sind hiermit kompatibel, und demgemäß ist die Temperaturablesung vom Sensor 1 direkt vergleichbar mit jener, der der Sensor 6 ausgesetzt ist. Natürlich werden der Sensor 1 und die Sensoren 6 in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet.

Claims (7)

  1. Beanspruchungsfreier faseroptischer Bragg-Gitter-Sensor mit einer optischen Faser (2), die an einem Ende (2a) oder in der Nähe hiervon mit einem Bragg-Gitter (3) versehen ist und mit einer Kappe (4) mit offener Mündung, die das Faserende (2a) und den mit dem Bragg-Gitter (3) versehenen Bereich mit einem Abstand von der Faser, vom Faserende und vom Bragg-Gitter umschließt, wobei die Kappe (4) an der offenen Mündung mit der optischen Faser (2) auf der Seite des Bragg-Gitters, die vom Faserende (2a) entfernt liegt, dichtend verbunden ist und die Kappe aus einem Material mit niedrigem Elastizitätsmodul besteht und das Bragg-Gitter (3) von allen Beanspruchungen freihält.
  2. Sensor nach Anspruch 1, bei welchem die Kappe (4) ein dünnwandiges Kapillarrohr aus Quarz ist.
  3. Sensor nach Anspruch 1, bei welchem die Kappe (4) aus einem Epoxydharz besteht.
  4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welcher ein gasförmiges Medium innerhalb der Kappe (4) um die Faser herum enthält, wobei dieses Medium ein niedriges Elastizitätsmodul aufweist.
  5. Sensor nach Anspruch 4, bei welchem das gasförmige Medium Luft ist.
  6. Faseroptisches Bragg-Gitter-Sensor-System, das auf einem Gegenstand angebracht oder in diesen integrierbar ist und einen oder mehrere faseroptische Bragg-Gitter-Sensoren (6) zur Feststellung einer Beanspruchung in dem Gegenstand oder an diesem und einen oder mehrere beanspruchungsfreie faseroptische Bragg-Gitter-Sensoren (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist, um die Temperatur in oder an dem Gegenstand zu messen.
  7. Sensor-System nach Anspruch 6, welches Mittel aufweist, um ein Temperatur-Ausgangssignal von dem oder jedem beanspruchungsfreien faseroptischen Bragg-Gitter-Sensor (1) zu empfangen, wobei das Temperatur-Ausgangssignal verarbeitet und daraus ein Ausgang erzeugt wird, der den Einfluß der Temperatur auf den oder jeden faseroptischen Bragg-Gitter-Sensor (6) kompensiert.
DE69816534T 1997-06-19 1998-06-19 Zugisolierter faseroptischer Sensor mit einem Bragg-Gitter Expired - Lifetime DE69816534T2 (de)

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