Häufige Fragen im Zusammenhang mit Faser-Bragg-Gittern, ihrer Technik und Anwendung in Systemen

Auf Faser-Bragg-Gittern (FBG) basierende optische Sensoren werden immer beliebter. Sie lassen sich einfach installieren, sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen und lassen sich auch in stark explosionsgefährdeten Bereichen einsetzen. Wie aber funktioniert ein Faser-Bragg-Gitter eigentlich?

Unsere Fachleute beantworten diese Frage und weitere Fragen zur Messung mit Licht:

Die Technologie

Wie funktioniert ein Faser-Bragg-Gitter?

Ein Faser-Bragg-Gitter besteht aus zahlreichen Reflexionsstellen, die Teile des einfallenden Lichtes zurückwerfen. Eine solche Stelle wird durch starkes UV-Licht, das auf den Faserkern wirkt, hervorgerufen. Dieser Vorgang wird auch als "einschreiben" bezeichnet. Wenn sehr viele Reflexionsstellen in einem konstanten Abstand in die Faser eingeschrieben werden, entsteht ein Gitter.

Prinzipieller Aufbau eines Faser-Bragg-Gitters


Der Abstand zwischen den Reflexionsstellen ist bei einem Faser-Bragg-Gitter immer gleich. Eine Wellenlänge, die exakt zwischen zwei Reflexionsstellen passt, wird an dem Gitter reflektiert. Alle anderen Wellenlängen passieren das Gitter, ohne reflektiert oder geschwächt zu werden.

Da sich das Licht der einzelnen Reflexionsstellen überlagert, entsteht ein Reflexionspeak, der vom Abstand der Gitterstellen zueinander bestimmt wird. Liegen alle Reflexionen phasengleich – in diesem Fall entspricht die Wellenlänge dem Abstand der Reflexionsstellen –, entsteht an dieser Stelle konstruktive Interferenz. Die Wellenlänge eines solchen Reflexionspeaks wird in der Auswerteeinheit (Interrogator) bestimmt.



Sobald Dehnung auf ein Faser-Bragg-Gitter wirkt, ändert sich der Abstand der Reflexionsstellen und es wird eine andere Wellenlänge reflektiert. Somit kann die Änderung der Bragg-Wellenlänge bestimmt werden. Analog zu der Beziehung für den metallischen DMS gilt:


Mit

λ  Basiswellenlänge des Faser-Bragg-Gitters (Wellenlänge bei Start der Messung)
Δλ  Wellenlängenänderung bei in das Gitter eingeprägter Dehnung
k    k-Faktor
ε   Dehnung

Faser-Bragg-Sensoren weisen eine größere Schichtdicke als elektrische Dehnungsmessstreifen auf. Hierdurch ergibt sich bei der Messung von Biegedehnungen auf dünnen Bauteilen ein nicht zu vernachlässigender Messfehler, der jedoch sehr einfach korrigiert werden kann:


Mit
εOF   Dehnung auf Bauteiloberfläche
εAnz   von der Faser gemessene Dehnung
h    Bauteilstärke
d    Abstand der Faser von der Bauteilstärke

Bei den optischen DMS von HBM ist der Abstand d 0,5 mm.


Wie werden Dehnungen erfasst?

Die vom Interrogator gemessenen Werte sind die Wellenlängen der von den Sensoren reflektierten Signale. Wenn sich durch eine Dehnung am optischen Dehnungsmessstreifen die Wellenlänge ändert, ist diese Änderung proportional zur Dehnung. Um die entsprechenden Dehnungswerte zu erhalten, müssen die Wellenlängen in Dehnungen umgerechnet werden.

Als Proportionalitätsfaktor dient der k-Faktor, der auf der Verpackung der Sensoren angegeben ist. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz einer für optische Messtechnik geeigneten Datenerfassungs- und Auswertesoftware.

Notwendige Einstellungen, wie die Parameter zur Spektrumsanzeige und Dehnungsermittlung sowie die Nullabgleichswerte, können in der Software dauerhaft abgespeichert werden. Temperaturänderungen haben einen großen Einfluss auf die Messergebnisse. Die Messdaten-Erfassungssoftware bietet Möglichkeiten, Temperatureinflüsse zu kompensieren. Dies kann auch zusätzlich mit Hilfe eines Kompensations-Sensors oder über Korrektur mit einem Temperaturkanal erfolgen.


Sind Dehnungsmessungen temperaturempfindlich?

Faser-Bragg-Gitter sind empfindlich gegenüber Dehnung und Temperatur. Das bedeutet, dass eine Dehnungsmessung durch einen Aufnehmer, der sowohl Dehnungs- als auch Temperaturänderungen unterworfen ist, auch durch die Temperaturänderung beeinflusst wird. Dieser Einfluss ist aber klar charakterisiert und lässt sich leicht kompensieren. Es gibt mehrere Verfahren zur Kompensation dieses Einflusses:

  • mit einem zusätzlichen Faser-Bragg-Gitter-Sensor, der lediglich die Temperatur misst und der gleichen Temperaturänderung unterworfen ist;
  • mit einem zusätzlichen optischen Dehnungssensor als Dummy (auf dem gleichen Material installiert, aber ohne Beanspruchung durch Dehnung);
  • mit einem zusätzlichen Dehnungssensor, der sicherstellt, dass die Dehnungsbeanspruchung den gleichen Wert hat, dass sich aber die Signale unterscheiden (z. B. mit einem Dehnungssensor auf der Oberseite und einem Sensor an der Unterseite eines Auslegers);
  • mit einem zusätzlichen, endständigen Faser-Bragg-Gitter ohne Befestigung;
  • mit einem athermischen Dehnungsaufnehmer mit mechanischer Konstruktion zur Kompensation des unerwünschten Temperatureinflusses bei der Dehnungsmessung;
  • und einige weitere Möglichkeiten …

Worum geht es bei Temperaturkompensation und wie funktioniert sie?

Dehnungsabhängigkeit von Faser-Bragg-Gittern (FBG)

Für die Dehnungsabhängigkeit eines Faser-Bragg-Gitters gilt folgender Ausdruck:

 

wobei:

k– k-Faktor des Bragg-Gitters

Temperaturabhängigkeit von Faser-Bragg-Gittern (FBG)

Für die Temperaturabhängigkeit eines Faser-Bragg-Gitters gilt:

 

wobei:

 – thermischer Ausdehnungskoeffizient der Faser

ζ – thermo-optischer Koeffizient (Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes)

Temperaturabhängigkeit eines fixierten Faser-Bragg-Gitters (FBG)

Wenn der optische Dehnungssensor an einer starren dehnungsfreien Konstruktion befestigt ist, kann die Temperatur den Brechungsindex der Faser verändern, ihre Ausdehnung ist aber durch die Konstruktion fixiert. Das entspricht der Betrachtung der thermischen Ausdehnung einer fixierten Faser als =0. Die Temperaturabhängigkeit eines Faser-Bragg-Gitters zur Dehnungsmessung ist also:

 

  

Bei der Messung von Dehnungen wird diese temperaturbedingte Wellenlängenänderung mit Dehnung verwechselt. Für die tatsächlich durch Temperatur verursachte Dehnung gilt:

Daher gilt für die Querempfindlichkeit gegenüber Temperatur (TCS) folgender Ausdruck:

 

Die effektive Dehnung sollte anhand der Daten vom Dehnungssensor als vom Dehnungssensor gemessene Dehnung minus Temperaturauswirkung auf das FBG zur Dehnungsmessung berechnet werden:

  

Diese Korrektion der Verformung berücksichtigt nicht den Einfluss der Temperatur auf die Verformung der Konstruktion, an der der Sensor befestigt ist.

Temperaturabhängigkeit eines an einer Konstruktion befestigten Faser-Bragg-Gitters (FBG)

Um auch die Verformung der Konstruktion aufgrund von Temperatureinflüssen zu kompensieren, sollte die Berechnung unter Berücksichtigung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) der Konstruktion erfolgen.

Für die gesamte Dehnungsänderung einer Konstruktion gilt:

 

Für die Wellenlängenänderung eines Sensors, der an einer Last- und Temperaturänderungen unterworfenen Konstruktion befestigt ist, gilt folgender Ausdruck:

  

Dies bedeutet, dass es zur Kompensation der temperaturbedingten Verformung der Konstruktion notwendig ist, den CTE des Materials der Konstruktion zu kennen, an der der Sensor befestigt ist.


4. Ist es im Fall einer kombinierten Beanspruchung durch mechanische Spannung und Temperatur möglich, nur die Spannung zu messen? Oder auch nur den Einfluss der Temperatur?

Um nur die Spannung zu messen, muss der Einfluss der Temperatur kompensiert werden. Dafür stehen mehrere Methoden zur Verfügung, unter anderem die Verwendung eines mechanischen Gehäuses oder die Verwendung eines auf Faser-Bragg-Gitter-Sensors (FBG).

Die Dehnung kann nur dann aus der Messung eliminiert werden, wenn das Gehäuse des Gitters in der Lage ist, die Dehnung der Konstruktion gegenüber dem Sensorelement zu isolieren. Dies kann durch die mechanische Bauform des Sensors (z. B. Optische Temperatursensoren des Typs FS63 oder den Optischen Temperaturkompensationssensor OTC) oder durch Verwendung eines freiliegenden, endständigen FBGs ohne Befestigung erreicht werden. 


Lässt sich mit FBG-Dehnungssensoren die Biegedehnung an dünnen Bauteilen messen?

Bauteile ein Messfehler, der nicht vernachlässigt werden darf, sich jedoch sehr einfach kompensieren lässt:

Wobei
εOF   Dehnung auf der Bauteiloberfläche
εAnz  von der Faser gemessene Dehnung
h       Bauteilstärke
d       Abstand der Faser von der Bauteiloberfläche

Es gibt jedoch einen weiteren Aspekt, der berücksichtigt werden sollte. Glasfasern weisen aufgrund optischer Verluste einen Mindestbiegeradius auf. HBM FiberSensing-Sensoren der OP-Linie bieten die Möglichkeit, Messungen auch an gekrümmten Flächen durchzuführen. Der bei diesen Sensoren zu berücksichtigende Abstand beträgt d = 0,5 mm.


Gibt es einen bestimmten Grund für die Festlegung der Standard-Bragg-Wellenlänge auf 6,4 nm für Sensoren der FS-Linie und auf 5 nm für Sensoren der OP-Linie?

Die Bragg-Wellenlänge der optischen Sensoren wird direkt bei der Fertigung des Faser-Bragg-Gitters festgelegt. Um die Fertigung zu erleichtern, wurden Standardwerte definiert.

Aus historischen Gründen unterscheiden sich derzeit die Standardwellenlängen der FS-Linie und der OP-Linie.

Auf Anfrage sind auch andere kundenspezifische Wellenlängen zwischen 1500 nm und 1600 nm verfügbar.


Kann die FBG-Technologie auch in sehr rauen Umgebungen eingesetzt werden?

Beispiele für raue Umgebungen, in denen optische Systeme der Marke HBM FiberSensing erfolgreich eingesetzt werden, sind Hochtemperatur-, Hochstrahlungs-, Hochvakuum- und Hochspannungsumgebungen sowie kryogene Umgebungen.

Auch die folgenden Anwendungen wurden erfolgreich durchgeführt:

  • Vibrations- und Temperaturüberwachung in Hochleistungsgeneratoren;
  • Hotspot-Überwachung in Netztransformatoren;
  • Überwachung von Rotorblättern in Windkraftanlagen;
  • Spannungsüberwachung in Treibstofftanks von Flugzeugen;
  • Dehnungs-, Temperatur- und Wegüberwachung im thermonuklearen Reaktor;
  • Überwachung von Raumfahrzeugen usw.

Welche Entfernung kann eine Glasfaserleitung maximal erreichen?

Die Abschwächung mit zunehmender Entfernung ist in Glasfasern sehr gering. In Kombination mit den optischen Interrogatoren von HBM FiberSensing können Glasfaserlängen von bis zu Dutzenden von Kilometern erreicht werden.


Welche Auswirkungen hat Druck in einem FBG?

Wenn das Gitter Druck ausgesetzt wird, tritt am Bragg-Reflexionspeak eine Wellenlängenverschiebung auf. Die Wellenlängenänderung beträgt ungefähr:

 

Dieser Effekt ist jedoch im Vergleich zu der Wellenlängenänderung, die durch Dehnung oder Temperaturänderungen hervorgerufen werden, sehr klein und wird daher im Allgemeinen vernachlässigt.

Wird das FBG keiner Druckbelastung, sondern einer punktuellen seitlichen Belastung ausgesetzt, tritt das Phänomen der Doppelbrechung auf. Dies bedeutet das Auftreten eines neuen Peaks (zwei Peaks koexistieren gleichzeitig), dessen Verschiebung ebenfalls quantifiziert werden kann.

 

 


Optische Sensoren

Welche Vorteile hat die Verwendung optischer Sensoren?

Optische Sensoren, insbesondere Faser-Bragg-Gitter-Sensoren, sind eine gute Wahl, wenn die erforderliche Anzahl an Sensoren relativ groß ist oder wenn die Abstände zu den Sensoren und zwischen den Sensoren relativ hoch sind. Für bestimmte Umgebungen kann die Technologie auch als eine der bestehenden Alternativen zur konventionellen Sensorabtastung eingesetzt werden.

Man nehme zum Beispiel eine Anwendung, bei der sich die Entfernungen für Messungen mit altbewährten Dehnungsmessstreifen eignen. Wenn in dieser Anwendung mehr als 30 Sensoren benötigt werden, ist es kostengünstiger, optische Sensoren statt der konventionellen Sensoren zu verwenden.

Darüber hinaus können die Vorteile, die diese Technologie bietet, auch dazu führen, dass sich FBG-Sensoren/optische Sensoren als einzige verfügbare oder bestmögliche Lösung für bestimmte Anwendungen erweisen.

Wenn lange Distanzen (in der Größenordnung von km) oder sehr spezifische Anwendungsszenarien (zum Beispiel starke Magnetfelder, starke elektromagnetische Störungen und Funkfrequenzstörungen, Explosionsgefahr usw.) zu berücksichtigen sind, können optische Sensoren die einzige verfügbare Lösung sein, da elektrische Sensoren einfach versagen oder zu zahlreichen Problemen führen würden.

Dies trifft auf Anwendungen in kryogenen Umgebungen zu, die Immunität gegenüber elektromagnetischen Effekten (elektromagnetische Störungen, Funkfrequenzstörungen, Funken ...) und Potenzialtrennung erfordern.

Weitere seit Langem erkannte Vorteile von Sensoren auf Basis von Faser-Bragg-Gittern (FBG) sind:

  • safe operation in potentially explosive atmospheres;
  • hohe Multiplexfähigkeit, die den Anschluss einer großen Anzahl unterschiedlicher Sensortypen an eine einzelne Glasfaser ermöglicht und somit eine Verminderung der Netzwerk-Komplexität und des Installationsaufwands bewirkt;
  • geringe Größe und geringes Gewicht, wodurch sie sich für schwer zugängliche Orte und Messpunkte eignen;
  • Fernabtastung: große Entfernungen zwischen Sensoren und Interrogatoren (mehrere Kilometer);
  • kein mechanisches Versagen und hohe Ermüdungsbeständigkeit;
  • Fähigkeit zur Durchführung absoluter Messungen ohne erforderliches Referenzieren: basierend auf der Messung eines absoluten Parameters – der Bragg-Wellenlänge – unabhängig von Leistungsschwankungen.

Wie viele Sensoren dürfen in eine Faser integriert werden?

Ein großer Vorteil der optischen Faser-Bragg-Messtechnik besteht darin, dass mehrere Sensoren in ein und dieselbe Faser integriert werden können.

Voraussetzung ist, dass diese Sensoren unterschiedliche Bragg-Wellenlängen aufweisen. Wie unter dem Punkt „Wie funktioniert ein Faser-Bragg-Gitter?“ beschrieben, ändert sich die Bragg-Wellenlänge, wenn auf den Sensor Temperatur oder Dehnung wirken.

Peaks dürfen sich dabei nicht überlagern. In Abhängigkeit von der mechanischen Belastung des Sensors wird eine mehr oder weniger starke Wellenlängenänderung durch die Sensoren verursacht. In der Summe dürfen diese Änderungen die Wellenlängen-Bandbreite des Interrogators nicht überschreiten.

Dabei ist zu beachten, dass zwischen den Wellenlängen-Peaks der Sensoren Sicherheitsabstände einkalkuliert werden. Diese sind notwendig, damit der Interrogator die Sensoren anhand der reflektierten Wellenlängen zuordnen kann. Als Richtwert gelten 13 Sensoren pro Faser. Bei einem vierkanaligen Interrogator können folglich bis zu 52 Sensoren angeschlossen werden.


Gibt es bestimmte Wellenlängen, die für jeden Typ eines optischen Sensors vorgegeben sind?

Die Wellenlänge des Faser-Bragg-Gitters (FBG) wird bei der Fertigung des Sensors festgelegt und kann auf jeden Wert zwischen 1500 nm und 1600 nm abgestimmt werden. Alle Sensortypen (Temperatur, Dehnung, Neigung, Weg usw.) können mit jeder Wellenlänge gefertigt werden. Dennoch gibt es vorgegebene Wellenlängen, die aufgrund der Wiederholbarkeit den Fertigungsprozess vereinfachen. Diese Wellenlängen sind jedoch transversal und in allen Sensortypen koexistent. Eine Einschränkung bei der Auswahl der Wellenlänge des Sensors ist, dass nicht zwei FBG-Sensoren in Reihe (in der gleichen Faser) integriert werden können, die die gleiche Wellenlänge reflektieren. Wenn mehrere FBG-Sensoren in der gleichen Glasfaser angeschlossen sind, ist die die einzige Bedingung bezüglich ihrer Bragg-Wellenlängen, dass diese einander nicht überlagern (jedes FBG sollte eine einmalige Bragg-Wellenlänge aufweisen und es darf innerhalb des Messbereichs keine Überlagerung der anderen Wellenlängen geben). Sensoren können die gleichen Wellenlängen reflektieren, solange sie in verschiedenen optischen Kanälen des Interrogators gemessen werden (Datenerfassungssystem). In der Regel wird die Wellenlänge des Sensors auf Anfrage durch den Kunden oder beim Projektentwurf durch das Ingenieurteam festgelegt.


Wie ist ein optischer Sensor an der Probe angebracht?

Der optische Sensor kann auf verschiedene Weise an der Probe angebracht werden. Von HBM FiberSensing gefertigte optische Sensoren können durch Kleben, Punktschweißen auf Metallkonstruktionen, Einbetten (zum Beispiel in Beton), Einsetzen in Verbundwerkstoffen, Befestigen mit Schrauben usw. angebracht werden.


Welche Reaktionszeit haben Temperatursensoren?

Der Einfluss der Temperatur auf den Sensor ist unmittelbar. Er hängt allein von der Wärmeübertragung durch das Material ab.

 

 


Werden Temperatursensoren mit ihrer eigenen Polynomkalibrierfunktion geliefert?

Alle Temperatursensoren werden mit einem Kalibrierdatenblatt einschließlich Polynomkalibrierfunktion geliefert.


Von welcher aktiven Gitterlänge kann ausgegangen werden?

Ein optischer DMS hat keine aktive Gitterlänge in dem Sinne, wie sie bei den elektrischen DMS definiert ist. Bei HBM haben optische DMS aber generell eine Länge von 30mm.

Das Faser-Bragg-Gitter ist in der Mitte des DMS in einen Spezialkunststoff eingebettet (im Bild der helle Bereich). Die Dehnungseinleitung in das Faser-Bragg-Gitter erfolgt über die "Endpunkte" des optischen DMS (im Bild die beiden dunkleren Bereiche). Diese Endpunkte haben eine Länge von jeweils 5mm. Der optische DMS muss über seine gesamte Länge flächig verklebt werden. Der helle Spezialkunststoff dient der Führung der Faser, insbesondere bei Stauchung. Das Dehnungssignal des optischen DMS, das an den Interrogator geliefert wird, ist der Mittelwert aller Dehnungen im Bereich des hellen Spezialkunststoffes.


Welchen Einfluss hat Feuchtigkeit/Wasser auf die Haftfestigkeit von Klebstoffen?

Optische DMS werden im Allgemeinen mit kalt härtenden Klebstoffen installiert, die bei höherer Luftfeuchtigkeit nicht langzeitstabil sind. Dies gilt insbesondere für Cyanacrylatkleber (Z70).

Stabil gegenüber Feuchteeinfluss sind hingegen Epoxydharzsysteme (X280). Beachten Sie bitte, dass die auf optische DMS wirkende Feuchtigkeit dazu führt, dass die verwendeten Materialien in sehr geringem Maße aufquellen.

Hierdurch entstehen im Inneren des optischen DMS Kräfte, die auf das Bragg-Gitter wirken. Dies hat einen ungünstigen Einfluss auf die Nullpunktsstabilität der Messstelle. Wir empfehlen in jedem Fall die Verwendung eines Abdeckmittels, wie sie auch für elektrische Dehnungsmessstreifen zur Anwendung kommen. Alle Abdeckmittel aus dem HBM-Produktprogramm (mit Ausnahme des SL450) sind für optische DMS verwendbar.


Bei einem Neigungssensor sind zwei FBGs zur Eliminierung der Temperatureinflüsse erforderlich. Warum?

Der Neigungssensor enthält zwei FBGs, die beide zum Erhalt des Winkel-Messwerts ohne Temperatureinflüsse erforderlich sind. Die beiden Faser-Bragg-Gitter arbeiten in einer Push-Pull-Konfiguration, wenn also einer der Sensoren aufgrund der Sensorposition gespannt wird, wird der andere mit dem gleichen Dehnungswert komprimiert. Bei dieser Konfiguration lässt sich die Winkeländerung durch die Wellenlängenänderung bestimmen, die für beide FBGs den gleichen Wert aufweist, jedoch mit umgekehrtem Signal. Der Temperatureffekt bewirkt an beiden FBGs die gleiche Wellenlängenänderung und wird daher annulliert.


Hängt die Neigungsempfindlichkeit vom ursprünglichen Positionierungswinkel des Neigungssensors ab?

Die Neigungsempfindlichkeit ist nicht vom ursprünglichen Winkel des Sensors abhängig. Der Sensor arbeitet jedoch wie ein Pendel, d. h. der Winkelmessbereich von ±5 deg ist in der Vertikalen zentriert und außerhalb dieser Grenzen arbeitet der Sensor nicht.


Fast alle Sensoren weisen einen Betriebstemperaturbereich von [-20–80]°C auf, warum?

Die Temperaturbegrenzung von -20°C bis 80°C gilt für Sensoren der FS-Linie. Diese Grenzen sind durch die Acrylatbeschichtung der Faser bedingt.


Was ist der Grund für die Verwendung von optischen Sensoren, also FBG-Sensoren, an Rotorblättern von Windkraftanlagen statt konventioneller Dehnungsmessstreifen?

Es gibt viele Gründe, FBG-Sensoren für die Überwachung von Rotorblättern in Windkraftanlagen zu wählen. Die folgende Tabelle vergleicht FBG-Sensoren mit konventionellen Dehnungsmessstreifen und anderen optischen Technologien.

Vs konventionelle Technologie Vs sonstige optische Technologie
Passive Sensoren – unempfindlich gegenüber Blitzen Interne spektrale Referenz – Langzeitgenauigkeit
Ermüdungsresistent Autojustierung alle 10 ms – keine Neukalibrierung erforderlich
Multiplex – verschiedene Variablen verwenden den gleichen Interrogator Großer Wellenlängenbereich verfügbar – große Sensorzahl
Geringere Verkabelung – mehrere Sensoren in der gleichen Leitung Unempfindlich gegenüber Polarisationsseffekt – Signalstabilität
Keine Schweißverfahren Sensoren mit hohem Reflexionsvermögen (>70%) – keine Begrenzung der Entfernung voneinander

Weitere Informationen zum optischen System zur Überwachung von Rotorblättern in Windkraftanlagen sind hier zu finden.


Wie hoch ist die maximale Abtastrate eines FBG-Sensors?

Das Faser-Bragg-Gitter alleine (blanke Faser) hat eigentlich keine „Grenze“. Die Begrenzung der Abtastrate liegt auf der Interrogator-Seite. Die Interrogator-Technologie legt den Maximalwert der messbaren Samples pro Sekunde fest. Standard-Interrogatoren von HBM FiberSensing sind derzeit auf 500 S/s begrenzt, aber das Unternehmen verfügt über firmeneigene Technologie für Erfassungsraten bis zu 10 kS/s. Bei gekapselten Sensoren, d. h. mit umgebenden mechanischen Apparaten, ist die faktische Grenze voraussichtlich nicht gültig, da die Dehnungsübertragung auf das Gitter durch die mechanische Schnittstelle begrenzt wird.


Optical Interrogators

Worin besteht der Unterschied zwischen statischen und dynamischen Interrogatoren?

Statische und dynamische Interrogatoren unterscheiden sich durch ihre Messrate. Statische Interrogatoren arbeiten mit einer Messrate von 1 bis 10Hz. Dynamische Interrogatoren arbeiten mit einer Messrate von 100 bis 1000Hz.

  • HBM Modellnummern statische Interrogatoren: SIxxx
  • HBM-Modellnummern dynamische Interrogatoren: DIxxx

 

 


20. Ist die BraggMONITOR-Software mit statischen und dynamischen BraggMETER-Interrogatoren kompatibel?

Die Schnittstellen sind zwar ziemlich ähnlich, HBM FiberSensing bietet aber zwei deutlich unterschiedliche Anwendungen: BraggMONITOR SI für den statischen Interrogator FS22 Industrial BraggMETER SI und BraggMONITOR DI für den dynamischen Interrogator FS22 Industrial BraggMETER DI.


Welchen Wert soll ich bei Verwendung der BraggMONITOR-Software für das Feld Central Wavelength (CWL, λ0) verwenden?

Der Wert für die zentrale Wellenlänge, der während der Sensoraufbereitung eingetragen werden muss, entspricht dem Wert der Wellenlänge (λ0 in nm), von dem aus die Wellenlängenänderung (x = Δλ, in nm) berechnet wird. Dies bedeutet, dass das Ergebnis für die Wellenlängenänderung eines Sensors zu einem Zeitpunkt t (xt, Δλt) gegeben ist durch:

 

wobei λt die Wellenlänge des Sensors gemessen zum Zeitpunkt t ist.

Wenn der Anwender beabsichtigt, die Messwerte eines Zeitpunkts „auf Null zu setzen“, sollte im Feld CWL der zu diesem bestimmten Zeitpunkt gemessene Wert eingetragen werden. Wenn der Anwender jedoch absolute Messwerte benötigt (wie z. B. bei Temperatursensoren), sollte in das Feld CWR der im mit dem Sensor mitgelieferten Kalibrierdatenblatt festgelegte Wert eingetragen werden.

 

Beispiel für die Verwendung des Temperatursensors

Auf dem Kalibrierdatenblatt eines Temperatursensors von HBM FiberSensing wird die Temperatur als Polynom zweiter Ordnung der Wellenlängenänderung beschrieben:

wobei:

S2 = die Empfindlichkeit zweiter Ordnung,

S1 = die Empfindlichkeit erster Ordnung,

S0 = der Temperatur-Offset.

 

Der Wert S0 entspricht der Referenztemperatur beim Kalibrierverfahren. Um daher absolute Temperaturwerte zu erhalten, muss das x unter Verwendung der gleichen zentralen Wellenlänge aus der Kalibrierung berechnet werden: Die in den Messungen verwendete CWL muss die gleiche Wellenlänge wie die auf dem Kalibrierdatenblatt angegebene zentrale Wellenlänge aufweisen.

Beispiel für die Verwendung des Dehnungssensors

Die Verformungsabhängigkeit von auf Faser-Bragg-Gitter (FBG) basierenden Dehnungssensoren ist gegeben durch:

 

 

wobei k der K-Faktor des Dehnungssensors und S die auf dem Kalibrierdatenblatt angegebene Dehnungsempfindlichkeit ist.

Diese Verformung wird immer ab einem als „Null“ definierten Zeitpunkt registriert. Dies bedeutet, dass der x-Wert immer relativ zu der Wellenlänge berechnet wird, die der Sensor zum Zeitpunkt „Null“ nach der Sensorinstallation aufgewiesen hat.

 

 


Ist es möglich, mehrere FBG-Sensoren zu verbinden, wenn der Bereich des Interrogators begrenzt ist?

Die Anzahl der Sensoren, die mit einem Interrogator mit einem begrenzten Bereich von z. B. [1500–1600] nm adressiert werden kann, ist begrenzt. Wenn sich jedoch die Bragg-Wellenlängen jedes einzelnen Sensors unterscheiden und sie sich innerhalb des Messbereichs nicht überlagern, ist es weiterhin möglich, mehrere Sensoren (Dutzende oder sogar Hunderte Sensoren) in einer einzigen Glasfaser zu integrieren.

Beispiel: Der Interrogator-Bereich ist [1500–1510] nm und es sollen 3 Sensoren in diesem Bereich messen.

Wenn die Bragg-Wellenlängen der Sensoren wie folgt gegeben sind:

Sensor 1 = 1502 nm

Sensor 2 = 1505 nm

Sensor 3 = 1508 nm

und alle Sensoren eine Wellenlängenverschiebung von +/- 1 nm während der Messung aufweisen, tritt während der Messung keine Überlagerung auf. Wenn z. B. die Messgrößen eine Wellenlängenverschiebung der Sensoren von +/- 3 nm bewirken, würde eine Überlagerung der Bragg-Wellenlängen innerhalb des Messbereichs auftreten und ein Sensor würde dadurch begrenzt.


Um die Dehnung zu messen, ist es erforderlich, eine Temperaturkompensation unter Verwendung eines anderen Sensors durchzuführen. Sollen in diesem diesem Fall zwei Kanäle verwendet werden?

Es hat sich in der Praxis bewährt, zusätzlich zum Dehnungssensor einen Temperatursensor zur Kompensation des Temperatureffekts auf den Dehnungssensor zu verbinden.

Es ist jedoch nicht erforderlich, zwei Kanäle zur Messung von Temperatur und Dehnung zu belegen.

FS22 Industrial BraggMETER-Interrogatoren von HBM FiberSensing (mit bis zu 8 Kanälen) können Sensor-Arrays mit mehreren Sensoren messen.

Wärmedehnungssensoren von HBM FiberSensing sind in der Lage, die Dehnung unabhängig von der Temperatur mit nur einem FBG zu messen.


Ist die drahtlose Übertragung der Messdaten auf einen PC möglich?

Interrogatoren von HBM FiberSensing kommunizieren über Ethernet. Dadurch ist es möglich, die Interrogatoren über WLAN oder GSM unter Verwendung bestimmter Ausrüstung zu verbinden, die am Interrogator angeschlossen werden muss. In Bezug auf die Zuverlässigkeit der übertragenen Daten ist jedoch Sorgfalt geboten. Zum Beispiel ist auf den dynamischen Interrogatoren mit höheren Erfassungsraten die erforderliche Bandbreite zur Sicherstellung einer fehlerfreien Datenübertragung hoch.

Optische Sensoren beinhalten keine Kommunikationskomponente, da die Sensoren keine Elektronik aufweisen. Optische Sensoren sind elektrisch passiv und basieren lediglich auf einer blanken Glasfaser.


Sind die Datenerfassungssysteme von HBM FiberSensing tragbar?

Die Interrogatoren von HBM FiberSensing sind klein und können einfach mitgeführt werden. Die FS22 Industrial BraggMETER benötigen jedoch eine Stromversorgung und einen PC für eine Schnittstelle, wodurch das Transportieren der Ausrüstung schwieriger wird.

Die Interrogatoren FS42 Portable BraggMETER sind für mobile Anwendungen ausgelegt. Diese Interrogatoren sind eigenständige Geräte, die Messungen an voneinander entfernten Standorten ermöglichen und mit jedem Typ des FBG-Sensors (Temperatur, Dehnung, Neigung usw.) verwendet werden können. Sie verfügen über Batterien, eine Touchscreen-Schnittstelle und eine integrierte Software im internen PC. In der Praxis kommt es häufig vor, dass diese tragbaren Interrogatoren im Feld bei der Installation von Sensor-Netzwerken oder zur Durchführung von In-situ-Live-Messungen eingesetzt werden.


Müssen die Interrogatoren kalibriert werden?

Die Interrogatoren FS22 Industrial BraggMETER und FS42 Portable BraggMETER werden bei der Fertigung kalibriert und enthalten eine rückführbare interne Referenz, die ihre Langzeitgenauigkeit sicherstellt.

Dennoch ist es für alle Interrogatoren möglich, von Zeit zu Zeit eine zertifizierte Kalibrierung durchzuführen.


Ist es möglich, einen optischen Interrogator von HBM FiberSensing in andere Systeme einzubetten?

Ja, dies ist bei den Interrogatoren des Typs FS22 Industrial BraggMETER möglich. Diese Interrogatoren kommunizieren mit der TCP/IP-Schnittstelle über Ethernet.

Bei den Interrogatoren des Typs FS42 Portable BraggMETER lautet die Antwort nein.


Sind Treiber zur Steuerung der Interrogatoren verfügbar?

Die Treiber sind im gelieferten Supportmaterial der Interrogatoren enthalten.


Über welche Speicherkapazität verfügt der Interrogator FS22 Industrial BraggMETER SI?

Die Speicherkapazität des statischen Interrogators beträgt 2 GB. Wenn Sie von der Konfiguration 25 Sensoren/Kanal und einem 8-Kanal-Interrogator ausgehen, reichen 2 GB aus, um ungefähr 3000 Stunden an Daten zu speichern.


Verfügt der Interrogator FS22 Industrial BraggMETER DI über eine interne Speicherkapazität?

Nein. Der FS22 DI verfügt jedoch über einen Pufferspeicher, der sicherstellt, dass z. B. bei einem kurzzeitigen Kommunikationsverlust Messungen von mehreren Sekunden nicht verloren gehen.


Ist die Funktion Smart Peak Detection (SPD) in den statischen und dynamischen Interrogatoren verfügbar?

Die Funktion SPD ist nur im Echtzeit-Betriebssystem des statischen Interrogators FS22 Industrial BraggMETER SI eingebettet.


Ist es möglich, auf den internen Speicher des Interrogators FS22 Industrial BraggMETER SI physisch zuzugreifen und diesen zu ersetzen?

Ein physischer Zugriff auf den internen Speicher ist nicht möglich. Es ist nur möglich, auf die gespeicherten Dateien zuzugreifen und diese bei Bedarf zu löschen.


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