| WO/2010/007520 | FORCE SENSOR AND CORRESPONDING FORCE MONITORING MATTRESS |
| JP2006275813 | DIAPHRAGM PRESSURE SENSOR |
| JP11106239 | COATING DEVICE IN OPTICAL FIBER DRAWING |
LIEHR, Sascha (Anklamer Str. 2, Berlin, 10115, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Meßgröße mittels einer Sensorfaser, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen mindestens einer Sensorfaser, die an n, n > 1, vorbestimmten Positionen (zr) jeweils einen Sensor aufweist, der die mindestens eine Meßgröße mittels einer Änderung der am Sensor reflektierten Lichtleistung detektiert; (b) Bereitstellen einer Referenzübertragungsfunktion (Ho, Hr) der Sensorfaser, wobei die Referenzübertragungsfunktion (H0, Hr) in einem vorbestimmten Ausgangszustand der Sensorfaser ermittelt wurde; (c) Durchführen von m > n optischen Frequenzbereichsreflektometrie- Messungen bei m voneinander verschiedenen Meßfrequenzen (fjj zur Ermittlung von m Meßübertragung sfunktionen (MjJ; (d) Ermitteln einer Änderung der reflektierten Lichtleistung an mindestens einer Sensorposition anhand der Referenzübertragungsfunktion (H0, Hr) und der Meßübertragungsfunktionen (MjJ; und (e) Ermitteln mindestens eines Meßwertes der Meßgröße an mindestens einer Sensorposition anhand der ermittelten Änderung der reflektierten Lichtleistung an der Sensorposition. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (b) weiterhin umfaßt: (bl) Durchführen einer Frequenzbereichsreflektometrie- Messung an der Sensorfaser im Ausgangszustand zur Ermittlung der Übertragungsfunktion (H(f)) der Sensorfaser im Frequenzbereich; (b2) Ermitteln der Impulsantwort (h(z)) im Zeitbereich der Sensorfaser mittels inverser Fouriertransformation der Übertragungsfunktion (H(f)); (b3) Zerlegen der Impulsantwort (h(z)) in n Einzelimpulsfunktionen (hk(z)) und eine Zeitbereich-Untergrundfunktion (ho(z)), die durch Subtraktion der Einzelimpulsfunktionen (hk(z)) von der Impulsantwort (h(z)) erhalten wird; und (b4) Durchführen einer Fouriertransformation für die n Einzelimpulsfunktionen (hk(z)) und die Zeitbereich-Untergrundfunktion (h0(z)), um die Referenzübertragungsfunktion im Frequenzbereich als n Einzelsensorpositionsfunktionen (Hk(f)) und eine Frequenzbereich- Untergrundfunktion (Ho(f)) bereitzustellen. 3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt (c) die Modulationsfrequenzen (fk)für die optischen Frequenzbereichsreflektometrie- Messungen im Bereich von 1 Hz bis 10 GHz liegen. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt (d) umfaßt: (dl) Subtrahieren der Frequenzbereich-Untergrundfunktion (Ho(fk)) für eine jeweilige Meßfrequenz (fk) von der Meßübertragung sfunktion (Mk) bei dieser Meßfrequenz; (d2) Bestimmen einer Phase und eines Absolutwerts einer jeweiligen Einzelsensorpositionsfunktion; und (d3) Bestimmen der relativen Phasendifferenzen für eine jeweilige Meßfrequenz (fk), und (d4) Bestimmen eines Meßwerts der Meßgröße an einer Sensorposition mittels der Phasen, Absolutwerte und Verhältnisse der Einzelsensorpositionsfunktionen. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend das Bestimmen einer Brechzahl eines Mediums, das an einer Sensorposition mit der Sensorfaser in Kontakt steht, anhand der Absolutwerte der gemessenen Einzelsensorpositionsfunktion Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine örtliche Verschiebung der Sensorposition anhand der Referenzübertragungsfunktion (Ho, Hr) und der Meßübertragungsfunktionen (MjJ ermittelt wird, und wobei eine Dehnung eines zu dem mindestens einen Sensor benachbarten Abschnitts der Sensorfaser anhand der ermittelten örtlichen Verschiebung der Sensorposition bestimmt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: (f) eine optische Frequenzbereichsreflektometrie-Messung an einer Referenzsensorfaser oder einem Referenzabschnitt der Sensorfaser, um eine Temperaturabhängigkeit der optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messungen an der Sensorfaser zu ermitteln; und (fl) Kompensation der ermittelten Temperaturabhängigkeit in der ermittelten Dehnung der Sensorfaser; und/oder (f2) Bestimmung der Temperatur mindestens eines Abschnitts der Sensorfaser. System zur Messung mindestens einer Meßgröße mittels einer Sensorfaser, umfassend eine Sensorfaser (110), die an n, n > 1, vorbestimmten Positionen (zr) jeweils einen Sensor (Rl, R2) aufweist, der eingerichtet ist, die mindestens eine Meßgröße mittels einer Änderung der am Sensor reflektierten Lichtleistung zu detektieren, eine mit der Sensorfaser (110) verbundene Einrichtung (120) zur Durchführung einer optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messung, und eine mit der Einrichtung (120) verbundene Auswerteeinheit (130) zur Ermittlung eines Meßwertes der mindestens einen Meßgröße, wobei das System eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen. 9. System nach Anspruch 8, wobei das System mehrere Sensorfasern (210, 212) umfaßt, die mit der Einrichtung (120) zur Durchführung einer optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messung über mindestens einen optischen Splitter (240) verbunden sind, und wobei die Sensorpositionen (Rl, R2, R3, R4) in den mehreren Sensorfasern so angeordnet sind, daß ihre jeweilige Positionen (zr) voneinander so verschieden sind, daß auch bei maximaler Dehnung der Sensorfasern die Positionen (zr) unterscheidbar sind. 10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der in Schritt (a) bereitgestellte Sensor ein Ende der Sensorfaser mit 0°-Winkel, einen Faserabschnitt ohne optischen Mantel und/oder einen Evaneszenzfeldsensor umfaßt. |
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein zugehöriges Verfahren quasiverteilten Messung einer Meßgröße, insbesondere mittels einer Sensorfaser.
Viele Bauteile und Bauwerke, die dynamischen Belastungen ausgesetzt sind, lassen sich durch herkömmliche Sensorik nicht zur Zufriedenheit überwachen. Punktuelle Sensoren, wie etwa Dehnungsmeßstreifen (DMS) oder Faser-Bragg-Gitter (FBG) liefern zwar schnell und genau Dehnungswerte für bestimmte Punkte, ihnen fehlt jedoch die Meßbasis, um integrative Längenänderungen, d.h. Längenänderungen zwischen zwei Punkten, zu erfassen.
Weiterhin sind faseroptische Sensoren auf Basis direkter Phasenmessung eines
intensitätsmodulierten Signals in Transmission bekannt. Diese Systeme sind ebenfalls in der Lage, Längenänderungen hochfrequent und genau zu messen. Jedoch können diese Sensoren nur die Gesamtlängenänderung entlang der Faser ermitteln, nicht aber die Längenänderung definierter Faserabschnitte.
Weiterhin sind die sogenannte Optische Zeitbereichsreflektometrie (OTDR-Technik) und die Optische Frequenzbereichsreflektometrie (OFDR-Technik) als Dehnungsmeßverfahren bekannt. Mit Hilfe der OTDR-Technik bzw. der OFDR-Technik können Reflektionsstellen relativ genau gemessen werden. Jedoch benötigen die OTDR-Technik bzw. die OFDR- Technik eine vergleichsweise lange Meßzeit, die die Anwendung dieser beiden Techniken für dynamische Anwendungen ausschließt.
Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Brillouin-Frequenzbereichsanalyse aus der WO
2007/131794 bekannt. Darin wird ein Überwachungssystem beschrieben, das mittels Brillouin-Frequenzbereichsanalyse die Dehnung einer optischen Faser überwacht, um beispielsweise Veränderungen in einem Deich oder einer ähnlichen sicherheitsrelevanten Struktur zu erkennen.
Ebenfalls ist eine Vorrichtung zur Brillouin-Frequenzbereichsanalyse aus dem Fachartikel „Brillouin optical-fiber frequency-domain analysis for distributed temperature and strain measurements" von Garus et al., Journal of Lightwave Technology, Bd. 15, Nr. 4, Seiten 654 bis 662, 1997, bekannt. Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Brillouin- Frequenzbereichsanalyse aus dem Fachartikel„Distributed fiber-optic frequency-domain Brillouin sensing" von Bernini et al., Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 123-124, Eurosensors XVIII 2004 - The 18th European Conference on Solid-State Transducers, Seiten 337-342, 2005, bekannt.
Zudem sind faseroptische Sensoren bekannt, die andere Meßgrößen als die Dehnung erfassen. Solche Sensoren sind beispielsweise beschrieben in„Fiber-Optic Chemical Sensors" von Arnold, Anal. Chem., Bd. 64, Nr. 21, November 1992, Seiten 1015-1025, oder in dem Artikel „Sensing application for POF and hybrid fibres using a photon counting OTDR" von
Saunders und Scully, Meas. Sei. Technol. Bd. 18, 2007, Seiten 615 -622. Die Arbeitsweise solcher Sensoren beruht typischerweise darauf, daß sie die Leistung des an ihnen reflektierten Lichts vermindern. Jedoch sind solche Systeme typischerweise nicht in der Lage, die jeweiligen Meßgrößen hochfrequent und genau zu messen.
Im Hinblick darauf ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Meßgröße bereitzustellen, die die genannten Nachteile zumindest teilweise überwinden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Meßgröße gemäß Anspruch 1 sowie durch ein System gemäß Anspruch 8. Weitere Aspekte, Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Meßgröße mittels einer Sensorfaser die Schritte des
Bereitstellens mindestens einer Sensorfaser, die an n, n > 1, vorbestimmten Positionen jeweils einen Sensor aufweist, der die mindestens eine Meßgröße mittels einer Änderung der am Sensor reflekierten Lichtleistung detektiert, des Bereitstellen einer
Referenzübertragungsfunktion der Sensorfaser, wobei die Referenzübertragungsfunktion in einem vorbestimmten Ausgangszustand der Sensorfaser ermittelt wurde, des Durchführens von m > n optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messungen bei m voneinander verschiedenen Meßfrequenzen zur Ermittlung von m Meßübertragungsfunktionen, des Ermitteins einer Änderung der reflektierten Lichtleistung an mindestens einer Sensorposition anhand der Referenzübertragungsfunktion und der Meßübertragungsfunktionen, und des Ermitteins mindestens eines Meßwertes der Meßgröße an mindestens einer Sensorposition anhand der ermittelten Änderung der reflektierten Lichtleistung an der Sensorposition.
Mit dem oben beschriebenen Verfahren sind sehr schnelle quasi- verteilte Messungen einer oder mehrerer Meßgrößen möglich, da jeweils nur n Frequenzen für n Sensoren gemessen werden müssen, d.h. man kommt mit der Meßwiederholrate in die Größenordnung von 1 kHz oder mehr. Auf diese Weise können insbesondere dynamische Vorgänge sehr gut erfaßt werden. Gleichzeitig liefert das Verfahren eine sehr hohe Genauigkeit. Die Genauigkeit der Messung läßt sich dabei erhöhen, wenn mehr Messungen vorgenommen werden, als Sensoren in der Sensorfaser vorhanden sind (m > n).
Im Gegensatz zu herkömmlichen Phasenauswertungsverfahren weist das vorliegende Verfahren einen stark erweiterten Meßbereich bei gleichzeitig großer Genauigkeit auf. Dabei ist die Präzision der Messung jedoch nicht, wie bei herkömmlichen
Phasenauswertungsverfahren, von der maximalen Modulationsfrequenz abhängig, sondern lediglich von der Genauigkeit des verwendeten Gerätes zur Messung der
Übertragungsfunktion. Daher stellt das vorliegende Verfahren vergleichsweise geringere Ansprüche an den Frequenzbereich der verwendeten Komponenten, wodurch
kostengünstigere Komponenten verwendet werden können.
Gemäß einer Weiterbildung umfaßt das Bereitstellen der Referenzübertragungsfunktion das Durchführen einer Frequenzbereichsreflektometrie-Messung an der Sensorfaser im
Ausgangszustand zur Ermittlung der Übertragungsfunktion der Sensorfaser im
Frequenzbereich; das Ermitteln der Impulsantwort im Zeitbereich der Sensorfaser mittels inverser Fouriertransformation der Übertragungsfunktion; das Zerlegen der Impulsantwort in n Einzelimpulsfunktionen und eine Zeitbereich-Untergrundfunktion, die durch Subtraktion der Einzelimpulsfunktionen von der Impulsantwort erhalten wird; und das Durchführen einer Fouriertransformation für die n Einzelimpulsfunktionen und die Zeitbereich- Untergrundfunktion, um die Referenzübertragungsfunktion im Frequenzbereich als n
Einzelsensorpositionsfunktionen und eine Frequenzbereich-Untergrundfunktion
bereitzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform können die Modulationsfrequenzen für die optischen
Frequenzbereichsreflektometrie-Messungen im Bereich von 1 Hz bis 10 GHz liegen. Wie bereits oben gesagt hängt die Genauigkeit der Messung von dem verwendeten Gerät zur Messung der Übertragungsfunktion ab. Beispielsweise können Netwerkanalysatoren im Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 10 GHz verwendet werden. Wird eine hohe Genauigkeit angestrebt, so ist bei den Geräten eine kleine Filterbandbreite zu verwenden. Bei der genauen Messung sehr kurzer Abschnitte sind Geräte im Frequenzbereich über 10 GHz zu verwenden.
Gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung umfaßt das Ermitteln einer Änderung der reflektierten Lichtleistung das Subtrahieren der Frequenzbereich-Untergrundfunktion für eine jeweilige Meßfrequenz von der Meßübertragung sfunktion bei dieser Meßfrequenz; das Bestimmen einer Phase und eines Absolutwerts einer jeweiligen
Einzelsensorpositionsfunktion, das Bestimmen der relativen Phasendifferenzen für eine jeweilige Meßfrequenz , und das Bestimmen eines Meßwerts der Meßgröße an einer
Sensorposition mittels der Phasen, Absolutwerte und Verhältnisse der
Einzelsensorpositionsfunktionen.
Die Meßfrequenzen sind frei wählbar und jede Kombination von Meßfrequenzen ergibt eine Lösung, so daß das beschriebene Verfahren sehr flexibel ist.
Gemäß einer Weiterbildung umfaßt das Bestimmen einer Brechzahl eines Mediums, das an einer Sensorposition mit der Sensorfaser in Kontakt steht, anhand der Absolutwerte der gemessenen Einzelsensorpositionsfunktion. Beispielsweise kann so das Medium über seine Brechzahl identifiziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann weiterhin mindestens eine Reflektions stelle in der Sensorfaser angeordnet sein, wobei eine örtliche Verschiebung der mindestens einen Reflektions stelle anhand der Referenzübertragungsfunktion und der
Meßübertragungsfunktionen ermittelt wird, und wobei eine Dehnung eines zu der mindestens einen Reflektionsstelle benachbarten Abschnitts der Sensorfaser anhand der ermittelten örtlichen Verschiebung der Reflektionsstelle bestimmt wird.
Zusätzlich zur Bestimmung der Meßgröße kann auf diese Weise auch die Dehnung der Faser berücksichtigt werden. Beispielsweise könnte in einem Deich das Vorhanden sein von Wasser sowie etwaige Spannungen oder Verschiebungen im Deich gleichzeitig mit einer einzigen Sensorfaser detektiert werden.
Gemäß noch einer Weiterbildung kann das Verfahren weiterhin eine optische
Frequenzbereichsreflektometrie-Messung an einer Referenzsensorfaser oder einem
Referenzabschnitt der Sensorfaser umfassen, um eine Temperaturabhängigkeit der optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messungen an der Sensorfaser zu ermitteln. Im Anschluß kann dann die Kompensation der ermittelten Temperaturabhängigkeit in der ermittelten Dehnung der Sensorfaser und/oder die Bestimmung der Temperatur mindestens eines Abschnitts der Sensorfaser erfolgen.
Auf diese Weise kann das Meßverfahren auch in Bereichen eingesetzt werden, die starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein System zur Messung mindestens einer Meßgröße mittels einer Sensorfaser, eine Sensorfaser, die an n, n > 1, vorbestimmten Positionen jeweils einen Sensor aufweist, der eingerichtet ist, die mindestens eine Meßgröße mittels einer Änderung der am Sensor reflektierten Lichtleistung zu detektieren, eine mit der Sensorfaser verbundene Einrichtung zur Durchführung einer optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messung, und eine mit der Einrichtung verbundene Auswerteeinheit zur Ermittlung eines Meßwertes der mindestens einen Meßgröße, wobei das System, hier insbesondere die Auswerteeinheit, eingerichtet ist, eines der oben geschilderten Verfahren auszuführen.
Ein solches System kann die oben beschriebenen Vorteile des vorliegenden
Dehnungsmeßverfahrens in geeigneter Weise verwirklichen.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfaßt das System mehrere
Sensorfasern, die mit der Einrichtung zur Durchführung einer optischen
Frequenzbereichsreflektometrie-Messung über mindestens einen optischen Splitter verbunden sind, und wobei die Sensorpositionen in den mehreren Sensorfasern so angeordnet sind, daß ihre jeweilige Positionen voneinander so verschieden sind, daß auch bei maximaler Dehnung der Sensorfasern die Positionen unterscheidbar sind. Auf diese Weise können mit einem einzelnen System gleich mehrere Strukturen oder verschiedene Abschnitte einer Struktur gleichzeitig überwacht werden. Der Einsatz eines oder mehrer weiterer Systeme wird dadurch überflüssig.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ein Beispiel für eine Übertragungsfunktion der Sensorfaser im Frequenzbereich, die im Ausgangszustand der Sensorfaser ermittelt wurde.
Fig. 4 die aus der Übertragungsfunktion gemäß Fig. 3 ermittelte Impulsantwort im
Zeitbereich.
Fig. 5 die Zerlegung der Impulsantwort in Einzelimpulsfunktionen.
Fig.6 die Subtraktion der Einzelimpulsfunktionen von der Impulsantwort,um eine
Zeitbereich-Untergrundfunktion zu erhalten.
Fig. 7 die aus den Einzelimpulsfunktionen mittels Fouriertransformation gewonnenen
Einzelreflektionsstellenfunktionen im Frequenzbereich.
Fig.8 die aus der Zeitbereich-Untergrundfunktion mittels Fouriertransformation
gewonnene Frequenzbereich-Unter grundfunktion .
Fig. 9 eine parallele Brechzahlmessung an zwei Fasern.
Fig. 10 eine Messung eines zeitversetzten Übergangs von Luft zu Wasser an dem System gemäß Fig. 9. Fig. 11 System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem gleichzeitig eine Messung der Brechzahl und der Dehnung vorgenommen werden kann.
Fig. 12 eine gleichzeitige Messung der Brechzahl und der Dehnung in dem System gemäß
Fig. 11.
Fig.13 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem zusätzlich eine Dehnung der Sensorfaser erfaßt wird.
Fig.14 eine schematische Darstellung eines Systems mit mehreren Sensorfasern gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig.15 eine schematische Darstellung eines Systems mit Temperaturkompensation gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Darin ist eine Sensorfaser 110 mit einer Einrichtung 120 zur Durchführung einer optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messung (OFDR-Messung) verbunden. Die Einrichtung 120 umfaßt ein Gerät zur Messung der komplexen Übertragungsfunktion 122, beispielsweise einen Netzwerkanalysator,
typischerweise einen Vektor-Netzwerkanalysator, der mit einer Laserquelle 124,
typischerweise einer Dauerstrich-Laserquelle, verbunden ist. Der Netzwerkanalysator 122 erzeugt ein sinusförmiges Ausgangssignal mit der Frequenz f. Mittels dieses Signals wird eine Amplitudenmodulation der Laserquelle 124 vorgenommen, wobei der
Netzwerkanalysator 122 die Frequenz f in einem vorbestimmten Frequenzintervall mit vorgebbaren Frequenz schritten durchstimmen kann. Beispielsweise kann ein
Frequenzintervall von 1 MHz bis 500 MHz in 1 MHz-Schritten durchlaufen werden. Das von der Laserquelle 124 abgegebene Licht wird über einen optischen Zirkulator 126 in die Sensorfaser 110 eingekoppelt. Der Zirkulator 126 koppelt weiterhin das in der Sensorfaser 110 reflektierte Signal aus und gibt dieses an eine Photodiode 128 weiter. Die Photodiode 128 wandelt das optische Signal vom Zirkulator 126 in ein elektrisches Signal um und gibt dieses Signal S an den Netzwerkanalysator 122 aus. Der Netzwerkanalysator 122 bestimmt nun anhand des Signals S die Übertragungsfunktion der Sensorfaser 110. Mit der Einrichtung 120, und typischerweise mit dem Netzwerkanalysator 122, ist eine Auswerteeinheit 130 zur Ermittlung einer Dehnung der Sensorfaser 110 verbunden. Die Auswerteeinheit 130 ist eingerichtet, ein Verfahren gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden auszuführen. Insbesondere kann die Auswerteeinheit 130 ein Computer sein, der programmtechnisch zur Ausführung eines solchen Verfahrens eingerichtet ist. Die Auswerteeinheit 130 kann mit einer Ausgabeeinheit (nicht gezeigt), beispielsweise einem Bildschirm oder einem Drucker, verbunden sein. Die von der Auswerteeinheit 130 ermittelte Dehnung kann dann auf der Ausgabeeinheit angezeigt bzw. ausgegeben werden.
In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Darin weist die Sensorfaser 110 an vorbestimmten Positionen z 1; z 2 jeweils einen Sensor Rl, R2 auf. Die Sensorpositionen Rl, R2 der Sensorfaser können beispielsweise durch Evaneszenzfeldsensoren gebildet sein.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können auch zwei benachbarte Abschnitte der Sensorfaser mittels der Sensoren oder zumindest an der jeweiligen Sensorposition
miteinander verbunden sein. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden also auch mehrere miteinander verbundene Fasern als eine Sensorfaser verstanden, da sie, wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 2, eine gemeinsame Fasermeßstrecke bilden können. Die Sensorpositionen Rl, R2 können jedoch auch anders gebildet sein. Beispielsweise können die Sensorpositionen Rl, R2 durch bei oder nach der Herstellung der Sensorfaser durchgeführte Prozesse gebildet sein. Desweiteren kann auch das offene Ende der Sensorfaser 110 selbst als Sensor dienen, so es denn in einer Weise gestaltet ist, daß das Licht im wesentlichen reflektiert wird. Beispielsweise kann das Faserende einen 0°-Schliff aufweisen.
Selbstverständlich ist die Anzahl und die Position der Sensoren in der Sensorfaser im wesentlichen frei wählbar. Es können also statt der in Fig. 2 gezeigten zwei Sensoren ganz allgemein n > 1 Sensoren in der Sensorfaser 110 vorgesehen sein.
Im Folgenden wird nun ein Verfahren zur Dehnungsmessung an der Sensorfaser 110 gemäß Fig. 2 beispielhaft erläutert. Dazu wird zunächst eine Referenzübertragungsfunktion der Sensorfaser bereitgestellt. Die Referenzübertragungsfunktion wurde in einem vorbestimmten Ausgangszustand der Sensorfaser ermittelt. Der Ausgangszustand der Faser ist so zu wählen, daß die zu ermittelnde Meßgröße in dem Ausgangszustand einen definierten Wert annimmt. Wenn beispielsweise die Brechzahl eines Mediums, mit dem der Sensor in Kontakt steht, ermittelt werden soll, so könnte als Ausgangszustand der Sensor im Kontakt mit Luft gemessen werden. Zur Ermittlung der Referenzübertragungsfunktion wird zunächst eine OFDR-Messung an der Sensorfaser 110 im Ausgangszustand und nach Kalibrierung des Meßsystems vorgenommen. Anhand dieser Messung wird die Übertragungsfunktion H(f) der Sensorfaser im Frequenzbereich ermittelt. Das Ergebnis dieser Messung ist in Fig. 3 gezeigt, wobei sowohl Betrag als auch Phase der Übertragungsfunktion dargestellt sind.
In einem nächsten Schritt wird nun aus der Übertragungsfunktion H(f) eine Impulsantwort im Zeitbereich ermittelt. Dazu wird die Übertragungsfunktion H(f) einer inversen
Fouriertransformation unterworfen. Typischerweise wird die inverse Fouriertransformation als inverse Fast-Fouriertransformation ausgeführt. Die auf diese Weise erhaltene
Impulsantwort h(z) im Zeitbereich ist in Fig. 4 gezeigt. Die beiden Sensorpositionen Rl, R2 sind in der Impulsantwort h(z) deutlich erkennbar. Dabei ist zu erwähnen, daß die
Signallaufzeiten mittels der Lichtgeschwindigkeit in der Sensorfaser direkt in Entfernungen umgerechnet wurden. Dennoch handelt es sich bei der Darstellung in Fig. 4 um eine
Zeitbereichsdarstellung.
In einem nächsten Schritt wird nun die Impulsantwort h(z) in zwei Einzelimpulsfunktionen hi(z) und h 2 (z) zerlegt. Dies ist in Fig. 5 gezeigt. Dazu wird um jeden Einzelimpuls herum ein Bereich definiert (schraffierte Kasten in Fig. 5) und die Impulsantwort außerhalb dieser Bereiche gleich Null gesetzt. Auf diese Weise erhält man die jeweiligen Impulsantworten separat für hi(z) und h 2 (z). Beispielsweise treten typischerweise Überschwinger neben dem jeweiligen Hauptpeak eines Einzelimpulses auf. In diesem Fall kann beispielsweise auf jeder Seite des Einzelimpulses das Minimum zwischen dem Hauptpeak und dem erstem Seitenpeak bestimmt werden. Der Bereich des Einzelimpulses wäre dann zwischen diesen beiden Minima gelegen. Allerdings hat sich gezeigt, daß die Ergebnisse des vorliegenden Verfahrens robust gegenüber dem Aus Schneidekriterium sind, so daß auch andere als das gerade beschriebene Kriterium zur Auswahl des Bereichs für einen jeweiligen Einzelimpuls herangezogen werden können. Die Zerlegung in Einzelimpulse erfolgt entsprechend, falls die Sensorfaser eine andere Anzahl als zwei Reflektions stellen aufweist. Hat man die Einzelimpulsfunktionen h r (z) isoliert, so wird anschließend eine Zeitbereich- Untergrundfunktion ho(z) durch Subtraktion der Einzelimpulsfunktionen h r (z) von der Impulsantwort h(z) erhalten.
Dieser Vorgang sowie das Ergebnis sind in Fig. 6 veranschaulicht.
Die Ergebnisse von neuen Messung beliebiger Frequenzpunkte M k k C{ l,...,m} der Frequenzen f k entsprechen - im Rahmen des Meßfehlers - der Summe der einzelnen Reflexe
Eine Laufzeitänderung, d.h. eine Längenänderung, bezüglich eines der Reflexe
gegenüber der Ausgangsmessung bewirkt eine Änderung der Phasenlage der jeweiligen
Reflexionsstelle R r . Die Phasenänderung dient somit als Meßgröße für eine
Längenänderung. Durch Aufstellen eines komplexwertigen Gleichungssystems mit m=n Zeilen und n Spalten lassen sich die Lösungen mit Betrags- und Phaseninformationen berechnen. Für die Bestimmung der Phasenlage und Beträge aller n Reflexions stellen in der Faser sind somit nur n Messungen M k =i ...n nötig. Zur Veranschaulichung ist unten beispielhaft ein Gleichungssystem für den speziellen Fall von zwei Sensoren Rl, R2 gezeigt. Dabei wurden in dem System jeweils bei den Frequenzen (wobei f k > f k -i für k=2..m) Messungen durchgeführt:
Die beiden Gleichungen I und II des Gleichungs Systems sind über die verschiedenen miteinander verknüpft. Dabei geben die jeweils die relative Phasenverschiebung an der
Reflektions stelle R r zur Messung mit der Frequenz f k gegenüber der Referenzmessung mit der Frequenz f k =i an. Die Größe ist abhängig von der Position des Reflexes z r und dem Frequenzunterschied
wobei co die Lichtgeschwindigkeit und n gr den Brechungsindex der Sensorfaser bezeichnen. Für den allgemeinen Fall mit n Sensoren und m Meßfrequenzen ergibt sich das Gleichungs System zu
Dabei läßt sich durch Überbestimmung des Gleichungs Systems auf m (m > n) Meßfrequenzen die Genauigkeit der Messung noch erhöhen.
Durch die Bereitstellung der komplexen Werte M r und die Verknüpfung der Ergebnisse über ergibt die Auflösung des Gleichungssystems nach die Phasen- und Betragswerte der einzelnen Sensoren bzw. Reflektionsstellen. Für die Auflösung des Gleichungs Systems nach zur Bestimmung von sind die Beträge \H r (f)\ an sich irrelevant. Allerdings werden die
Betragsrelationen \H r (f)\/\H r (f=l)\ zur Aufstellung des Gleichungs Systems beibehalten, um ein korrektes Ergebnis zu erhalten. Dies kann man beispielsweise sicherstellen, indem man die Werte der Referenzmessung übernimmt. Das Ergebnis der Auflösung nach ergibt bei Änderungen der reflektierten optischen Leistungen keinen Einheitsvektor sondern einen von abweichenden Betrag, der proportional zur Änderung der jeweiligen reflektierten Leistungen ist. Durch Lösung des Gleichungs Systems lassen sich somit neben der aktuellen Phasenlage der einzelnen Sensor- bzw. Reflektionsstellen auch die aktuelle reflektierte optische Leistung über bestimmen. Die reflektierte optische Leistung ist proportional zu Phasenlage und Betrag der einzelnen Reflektionsstellen können somit gleichzeitig und unabhängig voneinander aus bestimmt werden. Anhand der
Leistungsverluste an einer jeweiligen Sensorposition kann wiederum die Meßgröße, z.B. der Brechungsindex eines mit der Faser in Kontakt stehenden Materials, bestimmt werden, da die Verluste des Sensors in charakteristische Weise von der Meßgröße abhängen.
Beispielhaft wird dies nun für die Berechnung der aktuellen Brechzahlen n mr an einem
Faserende durch die Verhältnisse von erläutert. Die Phasen sind durch Referenzmessung an w m re bekannt und entsprechen den reflektierten optischen Leistungen R nach der Fresnelschen Formel für senkrechten Lichteinfall:
Zunächst wird der Referenzreflektionsbetrag für bekannte Brechzahlen am Faserende
gemessen und mit dem theoretischen Reflektionskoeffizienten R re r für den Übergang Glas-Luft bei senkrechtem Lichteinfall ins Verhältnis gesetzt. Dabei ergibt sich ein Relationsfaktor zu
Der theoretische Reflektionskoeffizient für den Übergang Glas-Luft bei senkrechtem Lichteinfall ergibt sich zu
Die Brechzahlen n m zum Zeitpunkt einer neuen Messung mit den Ergebnissen lassen sich nun direkt über die Verknüpfung von (1) und (2) wie folgt berechnen:
Dabei ergibt die Änderung des berechneten gegenüber der zu Beginn bestimmten
Phasenlage der Referenzmessung die Phasenverschiebung Δφ Γ . Diese kann durch den folgenden Ausdruck bestimmt werden:
Dabei ist die Funktion atan2 der Arcustangens mit zwei Argumenten, der wie folgt definiert ist:
Das erste Argument ist das Kreuzprodukt und das zweite Argument das Skalarprodukt zwischen
Aus den so erhaltenen lassen sich die Positionsänderungen mit sehr hoher
Genauigkeit wie folgt berechnen:
Aus diesen Positionsänderungen Az r der Sensorpositionen bzw. Reflektionsstellen lassen sich dann anhand der ursprünglichen Längen und der Faserabschnitte die Dehnungswerte für einen oder mehrere Abschnitte der Sensorfaser ermitteln.
Zur Berechnung der wurde angenommen, daß die Sensoren R r jeweils an denselben Orten z r angeordnet sind wie bei der Referenzmessung. Da nun aber eine Dehnung der Sensorfaser angenommen wird, schlägt das Verfahren eine Iteration mit den neu berechneten
Reflektionspositionen vor. Der Wert z r konvergiert typischerweise recht schnell und die Iteration kann insbesondere bei relativ kleinen Längenänderungen auch weggelassen werden. Gemäß einer Ausführungsform werden die iterierten Werte in einer
Programmschleife jeweils neu berechnet. Zunächst wird im folgenden beispielhaft die Bestimmung der Brechzahl eines Mediums, das mit der Sensorfaser in Kontakt steht, erläutert. Das dazu verwendete System 200 ist schematisch in Fig. 9 gezeigt. Darin sind eine erste Sensorfaser 210 und eine zweite
Sensorfaser 212 über einen Splitter 240 an ein OFDR-Gerät 120 angeschlossen. Bei beiden Sensorfasern 210, 212 weisen die jeweiligen Faserenden Rl, R2 einen 0°-Winkel auf, so daß die jeweiligen Faserenden Reflektionsstellen bilden. Weiterhin sind in der Anordnung gemäß Fig. 9 zwei Behälter 902, 904 vorgesehen, die jeweils ein flüssiges Medium 912, 914, z.B. Wasser, enthalten. Die Faserenden Rl, R2 sind jeweils in einen der Behälter 902, 904 geführt und dort in das flüssige Medium 912, 914 eingetaucht. Nun wird eine OFDR-Messung an den Sensorfasern durchgeführt. Auf diese Weise können die Brechzahlen der an den jeweiligen Faserenden Rl, R2 anliegenden flüssigen Medien 912, 914 bestimmt werden. Dies kann zum einen dazu dienen, überhaupt das Vorhandensein eines anderen Mediums als Luft zu detektieren. Dieses Meßprinzip kann beispielsweise für einen Füll Standdetektor genutzt werden, wobei hier insbesondere bevorzugt ist, mehrere solcher Brechzahl-Sensoren entlang der Faser zu verteilen. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann aber auch anhand der detektierten Brechzahl das Medium 912, 914 bestimmt werden.
In Fig. 10 ist eine Beispielmessung mit zwei Sensorfasern gemäß Fig. 9 gezeigt, wobei nach der Referenzmessung der beiden Faserenden an Luft zunächst das Faserende Rl der
Sensorfaser 210 und etwa 2 s später das Faserende R2 der Sensorfaser 212 in Wasser getaucht wurden. Die Fig. 10 zeigt zum einen deutlich den Anstieg in der Brechzahl, wenn die jeweiligen Faserenden eingetaucht werden. Zum ist aber auch der zeitliche Versatz genau bestimmbar, so daß sich die Faser auch zur dynamischen
Überwachung gut eignet.
Mit dem oben beschriebenen Verfahren sind sehr schnelle Messungen möglich, da jeweils nur n Frequenzen für n Sensoren gemessen werden müssen, d.h. man kommt mit der
Meßwiederholrate in die Größenordnung von 1 kHz oder mehr. Auf diese Weise können insbesondere dynamische Vorgänge, beispielsweise in chemischen Reaktoren, sehr gut erfaßt werden. Die Genauigkeit der Messung läßt sich dabei erhöhen, wenn mehr Messungen vorgenommen werden, als Sensorpositionen in der Sensorfaser vorhanden sind (m > n). Das Verfahren erlaubt darüber hinaus die gleichzeitige Messung von n Sensorpositionen in Reflexion. Daher kann von einer Seite der Faser aus gemessen werden und es muß auch nur eine Sensorfaser in der zu überwachenden Situation installiert werden.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Phasenauswertungsverfahren weist das vorliegende
Verfahren einen stark erweiterten Meßbereich bei gleichzeitig großer Genauigkeit auf. Dabei ist die Präzision der Messung jedoch nicht, wie bei herkömmlichen
Phasenauswertungsverfahren, von der maximalen Modulationsfrequenz abhängig, sondern lediglich von der Genauigkeit des verwendeten Gerätes zur Messung der
Übertragungsfunktion. Daher stellt das vorliegende Verfahren vergleichsweise geringere Ansprüche an den Frequenzbereich der verwendeten Komponenten, wodurch
kostengünstigere Komponenten verwendet werden können.
Wie bereits oben erläutert wurde, ist es gemäß dem vorgestellten Verfahren möglich, neben der durch den Sensor zu erfassenden Meßgröße gleichzeitig die Dehnung der Faser zu ermitteln. Dies wird im weiteren anhand des in Fig. 11 gezeigten Systems 200 gezeigt. Darin sind zwei Sensorfasern 210, 212 über einen optischen Splitter 240 mit einer OFDR- Meßeinheit 120 verbunden. Eine erste Sensorfaser 210 kann über einen Schrittmotor 250 um alternierend um jeweils 500 μιη gedehnt werden. Weiterhin hängt das als Sensor R5 ausgebildete Ende der Faser 210 in einen Behälter 902, in dem sich ein flüssiges Medium 912 befindet. Die zweite Sensorfaser 212 ist mit vier Reflektionsstellen Rl, R2, R3, R4 versehen. Die zweite Sensorfaser 212 ist auf einem 5 mm dicken Holzbrett 260 sowohl auf der
Vorderseite 262 als auch auf der Rückseite 264 in einem vorgespannten Zustand befestigt.
Zur Demonstration der Leistungsfähigkeit des Systems 200 wird nun das Holzbrett, und damit die zweite Faser 212, in Schwingungen versetzt. Die Überlagerung der Reflektionsstellen Rl bis R4 ist in Fig. 12(a) gezeigt. Da die Faser 212 sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite des Holzbretts angeordnet ist, verlaufen die jeweiligen Schwingungen genau spiegelsymmetrisch zueinander. Die hervorragende Übereinstimmung der Meßkurven zeigt die Genauigkeit des Verfahrens. Gleichzeitig wird nun die Sensorfaser 210 mittels des Schrittmotors 210 in Intervallen von 5 s alternierend gedehnt und entspannt. Die daraus resultierende Rechteckkurve ist ebenfalls in Fig. 12(a) gezeigt. Gleichzeitig wird nun in Abständen von jeweils 15 s der Flüssigkeit 912 eine bestimmte Menge an Zuckerlösung zugesetzt. Dadurch ändert sich jeweils der Brechungsindex der Flüssigkeit 912 schrittweise. Dies ist in Fig. 12(b) gezeigt. Somit erlaubt das Verfahren gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die gleichzeitige Bestimmung der Faserdehnung und einer Meßgröße, hier beispielhaft der Brechungsindex, mittels nur eines einzigen Sensors. Wie anhand der Faser 212 demonstriert ist es weiterhin möglich, mehrere Sensorpositionen in einer Faser zu vermessen, so daß nicht nur gleichzeitig die Dehnung in verschiedenen Faserabschnitten sondern auch eine Meßgröße an verschiedenen Stellen der Faser und/oder verschiedene Meßgrößen an verschiedenen Stellen der Faser ermittelt werden können.
In Fig. 13 ist eine schematische Darstellung eines Systems 300 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das System 300 ist ebenfalls ausgelegt, gleichzeitig eine Dehnung der Sensorfaser 310 sowie eine Meßgröße, z.B. eine chemische Größe, zu erfassen. Die Sensorfaser 310 ist wie üblich mit einer OFDR-Einheit 120 verbunden und weist beispielsweise zwei chemische Sensoren Rl, R3 auf. Die chemischen Sensoren Rl, R2 können beispielsweise durch eine spezielle Beschichtung der Faseroberfläche gebildet sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Sensoren Rl, R2 als Evaneszenzfeldsensoren ausgebildet sein. Sensoren der genannten Art sind im Stand der Technik bekannt, weshalb hier nicht weiter auf die genaue Ausgestaltung der Sensoren eingegangen wird. Gemeinsam ist all diesen Sensoren, daß sie zu einer Veränderung in der Lichtleistung in Abhängigkeit einer zu detektierenden Meßgröße am Ort des Sensors führen. Die Sensoren Rl, R3 sind beispielhaft jeweils flüssigen Medien 1112, 1114 ausgesetzt, die in jeweiligen Behältern 1102, 1104 vorgehalten sind. Weiterhin umfaßt die Sensorfaser 310 Reflektions stellen R2, R4. Die Reflektionsstelle R2 der Sensorfaser 310 kann beispielsweise durch einen Steckverbinder, insbesondere solche mit 0°-Schliff, gebildet sein, wobei der Steckverbinder zwei benachbarte Abschnitte der Sensorfaser 310 miteinander verbindet. Desweiteren bildet auch das offene Ende der Sensorfaser 310 selbst eine
Reflektionsstelle, so es denn in einer Weise gestaltet ist, daß das Licht im wesentlichen reflektiert wird. Beispielsweise kann das Faserende einen 0°-Schliff aufweisen und/oder verspiegelt sein. Eine Dehnung der Sensorfaser 310 kann nun über die örtliche Verschiebung der Reflektions stellen R2, R4 wie oben erläutert detektiert werden.
In Fig.14 ist eine schematische Darstellung eines Systems 400 mit mehreren Sensorfasern gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dabei umfaß das System eine erste Sensorfaser 410 und eine zweite Sensorfaser 412. Die erste Sensorfaser 410 weist eine erste Sensorposition Rl im Abstand z \ und eine zweite Sensorposition R2 im Abstand z 2 auf. Die zweite Sensorfaser 212 weist eine dritte
Sensorposition R3 im Abstand z 3 und eine vierte Sensorposition R4 im Abstand z 4 auf. Die Sensorposition en Rl, R2, R3, R4 in der ersten und der zweiten Sensorfaser 210, 212 sind so angeordnet, daß ihre jeweilige Positionen z 1; z 2 , z , z 4 voneinander so verschieden sind, daß auch bei maximaler Dehnung der Sensorfasern 210, 212 die Positionen z 1; z 2 , z , z 4 unterscheidbar sind. Beispielsweise kann z \ = 100 m, z 2 = 200 m, z 3 = 50 m und z 4 = 150 m sein. Auf diese Weise können die Einzelimpulse eindeutig den jeweiligen Sensorposition zugeordnet werden, selbst wenn die erste und die zweite Sensorfaser jeweils maximal und in entgegengesetzter Richtung gedehnt sind. Die erste und die zweite Sensorfaser 210, 212 sind über einen optischen Koppler bzw. einen optische Splitter 240 mit der Einrichtung 120 zur OFDR- Messung verbunden. Mittels des Kopplers/Splitters 240 ist ein Multiplexen der Signale in der ersten Faser 210 und der zweiten Faser 212 möglich. Aufgrund des hinreichenden Abstands zwischen den Reflektions stellen können diese jedoch eindeutig zugeordnet werden.
Die Fig.15 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 500 mit
Temperaturkompensation gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei langen Meßstrecken bzw. bei Anwendungen, bei denen starke
Temperaturänderungen auftreten können, ist die Genauigkeit der Messung im Grunde durch Temperatureinflüsse begrenzt. Die thermische Ausdehnung der Faser bzw. des
Mantelmaterials oder des Kabels sowie die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex der Faser haben Auswirkung auf die gemessene Veränderung der Phase an den jeweiligen Sensorstellen. Eine Temperaturkompensation zur Trennung des Temperatureinflusses auf die Meßgröße ist durch die im wesentlichen parallele Installation einer Faser gleichen Typs mit Längenreserve zu erreichen. Aufgrund der Längenreserve tritt keine Dehnung der
Sensorfaser ein, so daß in diesen Fasern oder Faserabschnitten ausschließlich der
temperaturinduzierte Effekt gemessen wird.
Daher weist das System 500 gemäß Fig. 15 Referenzabschnitte 512, 514 der Sensorfaser 510 auf, die im wesentlichen parallel zur Sensorfaser 510 verlaufen, dieselbe Temperatur aufweisen aber nicht mit dem zu messenden Medium in Kontakt stehen. Dabei dient der Referenzabschnitt 512 zwischen einer dritten und einer vierten Sensorposition R3, R4 der Sensorfaser 510 als Temperaturreferenz zum Meßabschnitt zwischen z 0 und z 1; d.h. dem Faserabschnitt bis zur ersten Sensorposition Rl. Gleichermaßen dient der Referenzabschnitt 514 zwischen der zweiten und der dritten Sensorposition R2, R3 der Sensorfaser 510 als Temperaturreferenz zum Meßabschnitt zwischen z 1 und z 2 , d.h. dem Faserabschnitt der ersten Sensorposition R1 und der zweiten Sensorposition R2. Aufgrund der so ermittelten
Temperaturabhängigkeit kann die ermittelte Meßgröße entsprechend temperaturkompensiert werden. Dabei kann die gemessene Phasenänderung des Referenzabschnitts auf die jeweiligen zugeordneten Dehnungsmeßabschnitte der Sensorfaser normiert werden.
Zusätzlich oder alternativ kann aufgrund der Referenzabschnitte auch die Temperatur eines jeweiligen Abschnitts der Sensorfaser 510 ermittelt werden.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden.