Faseroptische Erfassungseinrichtung sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen faseroptischen Erfassungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine faseroptische Erfassungseinrich ^¬ tung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen faseroptischen Erfassungseinrichtung. Faseroptische Sensoren auf Basis von Faser-Bragg-Gittern

(FBG) sind aus dem allgemeinen Stand der Technik hinlänglich bekannt und werden beispielsweise zur Multipunkt-Dehnungs- messung eingesetzt. Da ein FBG sowohl auf Temperatur als auch auf Dehnung empfindlich ist, sollten bei Anwendung eines sol- chen faseroptischen Sensors unter realen Umweltbedingungen Temperaturänderungen miterfasst und berücksichtigt werden. Hierfür wird in der Regel ein zusätzliches, freies Referenz- FBG verwendet, das zum Schutz vor mechanischen Belastungen in einer Schutzröhre, welche auch als Kapillare bezeichnet wird, angeordnet wird. Damit erhöhen sich die Zahl der Einzelsenso ^¬ ren, der Verkabelungsaufwand sowie der Platzverbrauch. Ferner kann nicht immer davon ausgegangen werden, dass die Temperatur des als Kalibriersensor verwendeten Referenz-FBG exakt der Temperatur an dem Ort entspricht, an welchem die Dehnung erfasst, das heißt gemessen wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine faseroptische Erfassungseinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen faseroptischen Erfassungseinrichtung zu schaffen, sodass eine besonders präzise Messung auf besonders einfache Weise realisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine faseroptische Erfassungsein ^¬ richtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 ge ^¬ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben . Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine faseroptische Erfassungseinrichtung, welche auch als faseroptischer Sensor bezeichnet wird. Die faseroptische Erfassungseinrichtung weist wenigstens eine als Lichtleiter ausgebildete Faser auf, welche somit zum Leiten beziehungsweise Führen von Licht aus ^¬ gebildet ist. Die Faser weist wenigstens ein erstes Faserele ^¬ ment mit einer ersten langsamen Polarisationsachse und we ^¬ nigstens ein zweites Faserelement mit einer zweiten langsamen Polarisationsachse auf, wobei sich das zweite Faserelement in Längserstreckungsrichtung der Faser, insbesondere direkt, an das erste Faserelement anschließt. Die jeweilige langsame Po ^¬ larisationsachse wird üblicherweise auch als langsame Achse oder als Slow-Axis bezeichnet.

Bei der erfindungsgemäßen faseroptischen Erfassungseinrichtung ist die zweite langsame Polarisationsachse in Umfangs- richtung der Faser versetzt zu der ersten langsamen Polarisationsachse angeordnet. Darunter ist insbesondere zu verste- hen, dass beispielsweise jeweilige Projektionen der langsamen Polarisationsachsen auf eine gemeinsame Ebene nicht etwa de ^¬ ckungsgleich sind beziehungsweise zusammenfallen, sondern die Projektionen schließen einen von 0 Grad beziehungsweise von 180 Grad unterschiedlichen Winkel ein, sodass die Projektio- nen in der Ebene schräg oder senkrecht zueinander verlaufen. Die Ebene verläuft dabei senkrecht zur Längserstreckungsrich ^¬ tung beziehungsweise zur axialen Richtung der Faser.

Außerdem weist die faseroptische Erfassungseinrichtung we- nigstens ein Sensortandem auf, welches wenigstens ein in das erste Faserelement eingeschriebenes erstes Faser-Bragg-Gitter (erstes FBG) und wenigstens ein in das zweite Faserelement eingeschriebenes zweites Faser-Bragg-Gitter (zweites FBG) aufweist. Des Weiteren ist das Sensortandem dazu ausgebildet, an einer korrespondierenden Messstelle wenigstens eine an der Messstelle herrschende Temperatur und wenigstens eine an der Messstelle auf die Faser wirkende Belastung zu erfassen. Un ^¬ ter der Erfassung der wenigstens einen auf die Faser wirkende Belastung ist insbesondere zu verstehen, dass das Sensortandem dazu ausgebildet ist, wenigstens eine Mess- oder Kenngrö ^¬ ße zu erfassen, die wenigstens eine auf die Faser wirkende Belastung charakterisiert. Die Belastung ist beispielsweise eine in der Faser und somit auf diese wirkende Belastung, insbesondere eine Kraft. Die Belastung ist beispielsweise ei ^¬ ne Dehnung der Faser, sodass das Sensortandem beispielsweise dazu ausgebildet ist, eine Dehnung der Faser zu erfassen. Die Messstelle ist ein Messpunkt beziehungsweise ein Messbereich, in welchem mittels des Sensortandems die genannte Temperatur und die genannte Belastung erfasst werden können. Mittels der erfindungsgemäßen faseroptischen Messeinrichtung kann eine besonders präzise Erfassung, das heißt Messung der Belastung auf besonders einfache Weise realisiert werden, wobei bei- spielsweise temperaturbedingte Beeinträchtigungen der Erfas ^¬ sung der Belastung dadurch auf besonders einfache und präzise Weise kompensiert werden können, dass mittels des Sensortan ^¬ dems sowohl die an der Messstelle wirkende Belastung als auch die an der Messstelle herrschende Temperatur erfasst werden.

Insbesondere können mittels des Sensortandems an der Mess ^¬ stelle Längsdehnungen der Faser beziehungsweise in der Faser gemessen werden, wobei Messunsicherheiten durch Querkräfte, die beispielsweise auf die Faser wirken und insbesondere durch kleberinduzierte Kräfte hervorgerufen werden, durch ein Differenzprinzip ausgeglichen werden können. Somit ist es mittels der erfindungsgemäßen faseroptischen Messeinrichtung möglich, unerwünschte Einflüsse auf die Messung einer ge ^¬ wünschten Mess- beziehungsweise Kenngröße zu kompensieren. Bei der gewünschten, zu erfassenden Messgröße handelt es sich beispielsweise um die Belastung, wobei die Messung der Belas ^¬ tung beeinträchtigende Temperatureinflüsse kompensiert werden können. Ferner kann es sich beispielsweise bei der gewünschten, zu erfassenden Messgröße um die Temperatur handeln, wo- bei beispielsweise Belastungen wie Kräfte, insbesondere Quer ^¬ kräfte, die die Erfassung beziehungsweise Messung der Tempe ^¬ ratur beeinträchtigen können, kompensiert werden können. Faser-Bragg-Gitter (FBG) beziehungsweise auf FBG basierende optische Sensoren sind für die Messung von Spannung, Dehnungen und/oder Temperaturen bekannt und finden wegen ihrer Vorteile Einsatz in schwer zugänglichen Systemen. Diese opti- sehen, insbesondere faseroptischen, Sensoren sind unempfindlich gegenüber elektro-magnetischen Feldern und eignen sich daher für Messungen in Industriekraftanlagen oder medizinischen Anwendungen, bei denen zum Beispiel hohe Feldstärken den Einsatz von konventionellen Thermoelementen beziehungs- weise elektrischen Dehnungsmessstreifen verbieten. Ein wesentlicher Vorteil von FBG-basierten Sensoren ist zudem die Möglichkeit, mehrere Messstellen in einer Faser integrieren zu können. Damit können Temperatur- und Dehnungsmessungen mit geringem Aufwand, geringem Platzverbrauch und geringem Verka- belungsaufwand flexibel durchgeführt werden. Somit ist es beispielsweise vorgesehen, dass die faseroptische Erfassungs ^¬ einrichtung mehrere, in Längserstreckungsrichtung der Faser aufeinanderfolgende und insbesondere voneinander beabstandete Sensortandems und/oder weitere entsprechende Faserelemente aufweist, wobei die vorigen und folgenden Ausführungen zu den ersten Faserelementen und dem ersten Sensortandem ohne weiteres auch auf die anderen, weiteren Faserelemente und Sensortandems übertragen werden können und umgekehrt. Die Faser-Bragg-Gitter des jeweiligen Sensortandems unterscheiden sich insbesondere in ihrer jeweiligen Bragg-Wellen- länge voneinander, wobei sich beispielsweise die Bragg- Wellenlängen der Faser-Bragg-Gitter des jeweiligen Sensortandems um mindestens fünf Nanometern voneinander unterscheiden. Bei einem FBG handelt es sich um eine periodische Brechungs ^¬ indexvariation in der beispielsweise als Glasfaser ausgebildeten Faser, insbesondere in deren Kern, mit einer Gitterperiode von beispielsweise circa 530 Nanometern. Diese Bre ^¬ chungsindexmodulation wirkt wie ein dielektrischer Spiegel, sodass in der beispielsweise als Glasfaser ausgebildeten Fa ^¬ ser geführtes Licht in einem sehr schmalen Wellenlängenbe ^¬ reich um die sogenannte Bragg-Wellenlänge reflektiert wird, während alle anderen Wellenlängen das Gitter unbeeinflusst passieren. Die Bragg-Wellenlänge hängt dabei lediglich von der Gitterperiode und dem effektiven modalen Brechungsindex ab. Beide Größen sind sowohl temperatur- als auch dehnungs- beziehungsweise spannungsabhängig. Ein Sensoraufbau, der mit einer einfachen Handhabung, zum Beispiel mit einer Verklebung der Faser auf einer Oberfläche eines zu überprüfenden bezie ^¬ hungsweise zu untersuchenden Bauteils, Temperatur und Dehnung an wenigstens einer Messstelle, insbesondere an unterschied ^¬ lichen Stellen, des Bauteils misst, stellt eine Herausforde- rung dar, insbesondere wenn auf die Vorteile der Fasersen- sorik, zum Beispiel auf ihre geringe Größe und/oder die Mög ^¬ lichkeit, mehrere Messstellen in einer Faser zu integrieren beziehungsweise mittels einer Faser zu vermessen, nicht ver ^¬ zichtet werden soll. Diese Herausforderung kann nun mittels der erfindungsgemäßen faseroptischen Erfassungseinrichtung auf einfache Weise gemeistert werden.

Methoden zur Trennung von Dehnungs- und Temperatureinflüssen sind beispielsweise die Verwendung der Signale von Fast- und Slow-Axis einer polarisationserhaltenden Faser, die Verwendung zweier Gitter mit deutlich unterschiedlichen Bragg- Wellenlängen, Verwendung von Fasern mit unterschiedlicher Dotierung, Verwendung von Typ I- und Typ Ila-Gitter, Kombination von Standard SMF28-Faser und Photonic Crystal Fasern oder die Verwendung von FBG-Fasern mit unterschiedlichem Faserdurchmesser. Allerdings eignen sich diese Methoden nicht zur Dehnungs- und Temperaturentkopplung mit verklebten Fasern beziehungsweise in Einsatzgebieten, in denen Querkräfte auf die Faser nicht sicher ausgeschlossen werden können. Durch Ver- klebung beziehungsweise Einbettung der Faser in diese einge ^¬ brachte Querkräfte, die auf die Faser, insbesondere auf das jeweilige FBG, wirken, können Doppelbrechungen in der Faser erzeugen. Die zuvor genannten Methoden zur Temperatur- Dehnung-Entkopplung basieren auf zwei FBG mit nur geringfügig unterschiedlichen Sensitivitäten . Dadurch machen sich schon geringe Unsicherheiten in der Wellenlängenmessung, zum Beispiel durch kleberinduzierte Doppelbrechungen, mit großen Fehlern in der Temperatur- beziehungsweise Dehnungsmessung bemerkbar. Diese Probleme und Nachteile können mittels der erfindungsgemäßen faseroptischen Erfassungseinrichtung vermieden werden. Insbesondere ist es mittels der erfindungsge ^¬ mäßen faseroptischen Erfassungseinrichtung möglich, eine Tem- peraturabhängigkeit einer kleberinduzierten Doppelbrechung und deren Stärke für oberflächenverklebte Dehnungssensoren durch Verwendung ausgerichteter Panda-FBG abzuschätzen, wobei eine Querlastkompensation für genaue Messungen nicht unbedingt erforderlich ist.

Ferner ist es grundsätzlich denkbar, einen Multi-Parameter, einen FBG-basierten optischen Sensor zur Messung dreiachsiger Dehnungszustände vorzusehen. Dieses Konzept beruht beispiels ^¬ weise auf zwei FBG mit Bragg-Wellenlängen um 1300 Nanometer und 1550 Nanometer, die an der gleichen Stelle in eine PM- Faser (polarisationserhaltende Faser) eingeschrieben sind. Damit soll neben Temperatur und Längsdehnung auch die Bestimmung der Querdehnung möglich sein, wenn die Faser entlang der Hauptspannungsrichtungen ausgerichtet ist. Allerdings sind hierfür zwei Integrationssysteme zur Auswertung erforderlich, und die Bestimmung der Querkräfte ist wegen der sehr ähnlichen Sensitivitäten aller vier Messsignale äußerst kritisch. Auch diese Probleme und Nachteile können mittels der erfin ^¬ dungsgemäßen faseroptischen Erfassungseinrichtung vermieden werden.

Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die lang ^¬ samen Polarisationsachsen in Umfangsrichtung der Faser um einen Winkel versetzt zueinander angeordnet sind, der in einem Bereich von einschließlich 89 Grad bis einschließlich 91 Grad liegt. Dadurch kann eine besonders präzise Messung realisiert werden .

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Faser, insbe- sondere mittelbar oder direkt, an einer Oberfläche eines Bau ^¬ teils gehalten. Das Bauteil ist mittels des Sensortandems zu überprüfen beziehungsweise zu überwachen oder zu untersuchen. Mit anderen Worten ist es beispielsweise vorgesehen, dass die mittels des Sensortandems erfassbare Temperatur eine Tempera ^¬ tur des Bauteils, insbesondere dessen Oberfläche, ist. Somit ist es bei dieser Ausführungsform vorgesehen, dass das zu untersuchende beziehungsweise zu überprüfende Bauteil zur Er- fassungseinrichtung gehört.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verläuft eine der langsamen Polarisationsachsen parallel zur Oberfläche, wobei die andere langsame Polarisationsachse senkrecht zur Oberfläche verläuft. Dadurch kann eine besonders präzise Mes ^¬ sung auf besonders einfache Weise realisiert werden.

Zur Realisierung einer besonders präzisen Messung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Faser an der Oberfläche mittels eines Klebstoffes gehalten ist, welcher die Faserele ^¬ mente berührt. Mit anderen Worten ist die Faser mittels des genannten Klebstoffs mit der Oberfläche und somit mit dem Bauteil verklebt, wobei die Faser derart mit dem Klebstoff versehen ist, dass beispielsweise ein erster Teil des Kleb- Stoffes zumindest in einem ersten Teilbereich des ersten Faserelements und ein zweiter Teil des Klebstoffes zumindest in einem zweiten Teilbereich des zweiten Faserelements angeordnet ist. Dabei berührt der Klebstoff beispielsweise die je ^¬ weiligen Teilbereiche, insbesondere direkt. Das Sensortandem beziehungsweise die faseroptische Erfassungseinrichtung kann somit als, insbesondere vollständig, oberflächenverklebter FBG-Sensor ausgebildet werden, der gleichzeitige, quantitati ^¬ ve und besonders präzise Messungen von Belastungen, insbesondere Längsdehnungen, und Temperaturen beziehungsweise Tempe- raturwerten an wenigstens einer definierten Messstelle, insbesondere an mehreren definierten Messstellen, unter Korrektur unbekannter, auf die Faser wirkender Querkräfte ermöglicht, welche insofern unbekannt sind, als eine Herkunft be ^¬ ziehungsweise eine Ursache der Querkräfte unbekannt ist. Bei- spielsweise resultieren die auf die Faser wirkenden Querkräf ^¬ te aus Klebungen, insbesondere aus der Verklebung der Faser mit der Oberfläche und/oder aus einer Einbettung der Faser, beispielsweise in den Klebstoff und/oder in eine korrespon- dierende Aufnahme der Oberfläche beziehungsweise des Bau ^¬ teils.

Dabei ist vorzugsweise die auch als Sensorfaser bezeichnete Faser entlang ihrer vorhandenen Dehnungshauptachsen ausgerichtet und beispielsweise mittels wenigstens einer symmetri ^¬ schen Klebeverbindung, insbesondere mittels symmetrischer Klebeverbindungen, und dabei insbesondere über die gesamte FBG-Länge auf der zu untersuchenden Oberfläche fixiert. Somit ist es beispielsweise vorgesehen, dass sich eine in Längser- streckungsrichtung der Faser erstreckende Länge des Klebstof ^¬ fes zumindest über die gesamte in Längserstreckungsrichtung beziehungsweise in axialer Richtung der Faser erstreckende Länge des Sensortandems erstreckt. Dabei können Dehnungen entlang der Faser gemessen werden, und senkrecht zur Faser auftretende Querkräfte können kompensiert werden. Das Mess ^¬ ziel kann dabei in gleicher Weise auf weitere symmetrische Aufbauformen, zum Beispiel auf eine Verklebung in einer Nut, auf Einbetten der Faser in einen Werkstoff etc. ausgeweitet beziehungsweise übertragen werden.

Üblicherweise wird ein FBG-Dehnungssensor an zwei Punkten an einer für die Dehnungsmessung interessanten Stelle verklebt. Die Sensorfaser mit dem FBG ist dabei zwischen den zwei auch als Fixier- oder Kleberpunkten bezeichneten Punkten frei gelagert. Exakte Dehnungsmessungen erfordern vollständige Dehnungsübertragung von der auch als Messoberfläche bezeichneten Oberfläche auf die Faser, insbesondere im gesamten Tempera ^¬ turbereich. An einem Übergang von der Faser zum jeweiligen, auch als Klebestelle bezeichneten Klebepunkt und zwischen ei ^¬ ner primären Beschichtung der Faser und einem Fasermantel ist dies nicht immer gegeben, was zu systematischen Fehlern in der Dehnungsmessung führen kann. Dies kann mittels der erfindungsgemäßen, faseroptischen Erfassungseinrichtung vermieden werden. Üblicherweise werden für die Dehnungsvermessung von beliebig geformten Bauteilen Sensorfasern direkt auf die Oberfläche der zu untersuchenden Struktur geklebt. Gerade harte und temperaturbeständige Klebstoffe erzeugen eine Dop- pelbrechung im FBG. Dadurch entstehen zusätzlich systematische, temperaturabhängige Unsicherheiten der Messung, was nun mittels der erfindungsgemäßen faseroptischen Erfassungseinrichtung vermieden beziehungsweise auf einfache Weise kompen- siert werden kann. Die erfindungsgemäße, faseroptische Erfas ^¬ sungseinrichtung kann somit als verklebter Mehrpunkt-Sensor ausgestaltet werden, der Punkt-Temperatur- und Dehnungsmes ^¬ sungen an unterschiedlichen Stellen auf der Oberfläche ermöglicht und durch den Kleber verursachte Fehler in der Messung kompensieren kann.

Dabei hat es sich zur Realisierung einer besonders präzisen Messung als vorteilhaft gezeigt, wenn eine Anordnung des Klebstoffes in radialer Richtung der Faser zwischen der Faser und der Oberfläche unterbleibt. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Klebstoff nicht zwischen der Faser und der Oberfläche angeordnet ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Faserelemen- te als separat voneinander hergestellte und miteinander an einer Verbindungsstelle verbundene Bauelemente beziehungswei ^¬ se Einzelbauteile ausgebildet. Hierdurch können die langsamen Polarisationsachsen besonders einfach und kostengünstig sowie präzise zueinander ausgerichtet und somit zueinander versetzt angeordnet werden.

Um eine besonders präzise Messung zu realisieren, ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Klebstoff eine in Längserstreckungsrichtung der Faser verlaufende Länge aufweist, wobei die Verbindungsstelle in der Mitte der Länge angeordnet ist. Hierdurch ist beispiels ^¬ weise eine symmetrische Klebeverbindung geschaffen, welche beispielsweise zwei in Längserstreckungsrichtung der Faser gegenüberliegende freie Enden aufweist. Durch die Anordnung der Verbindungsstelle in der Mitte der Länge beziehungsweise der Klebeverbindung entspricht beispielsweise eine von der Verbindungsstelle entlang der Längserstreckungsrichtung der Faser bis zu einem ersten der Enden verlaufende erste Strecke einer von der Verbindungsstelle entlang der Längserstre- ckungsrichtung der Faser bis zum zweiten Ende verlaufenden zweiten Strecke. Hierdurch können beispielsweise Querkraft ^¬ einflüsse, insbesondere kleberinduzierte Querkrafteinflüsse, auf die Messung besonders präzise kompensiert werden.

Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei gezeigt, wenn die Länge des Klebstoffes beziehungsweise der Klebeverbindung mindestens drei Zentimeter beträgt.

Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Faserelemente an der Verbindungsstelle miteinander ver ^¬ spleißt sind, sodass die Verbindungsstelle als Spleißstelle ausgebildet ist. Dadurch kann eine besonders präzise Messung gewährleistet werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das jeweilige Faserelement als polarisationserhaltende Faser ausgebildet, welche auch als PM-Faser bezeichnet wird. Dies kommt einer besonders präzisen Messung zugute.

Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn in dem jeweiligen Faserelement zwei in Längserstre- ckungsrichtung der Faser verlaufende Stresselemente angeord- net sind, welche in radialer Richtung der Faser nebeneinander angeordnet sind. Dadurch kann eine besonders präzise Messung realisiert werden. Durch die jeweiligen Stresselemente wird eine mechanische Spannung in einer definierten Richtung auf die Faser, insbesondere auf deren Kern, ausgeübt. Entlang dieser definierten Richtung ist dann die definierte mechanische Spannung viel höher als alle anderen Spannungen durch Lage und Biegung der Faser. Wird nun beispielsweise Licht mit einer Polarisation parallel zur auch als Spannungsachse be ^¬ zeichneten definierten Richtung in die Faser gekoppelt, so behält das Licht diese Polarisation bei.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer faseroptischen Erfassungseinrichtung, insbe- sondere einer erfindungsgemäßen faseroptischen Einrichtung. Die faseroptische Erfassungseinrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist wenigstens eine als Lichtleiter aus ^¬ gebildete Faser auf, welche wenigstens ein erstes Faserele- ment mit einer ersten langsamen Polarisationsachse und we ^¬ nigstens ein sich in Längserstreckungsrichtung der Faser, insbesondere direkt, an das erste Faserelement anschließendes zweites Faserelement mit einer zweiten langsamen Polarisati ^¬ onsachse umfasst. Die zweite langsame Polarisationsachse ist in Umfangsrichtung der Faser versetzt zu der ersten langsamen Polarisationsachse angeordnet. Außerdem umfasst die faserop ^¬ tische Erfassungseinrichtung wenigstens ein Sensortandem, welches wenigstens ein in das erste Faserelement eingeschrie ^¬ benes erstes Faser-Bragg-Gitter und wenigstens ein in das zweite Faserelement eingeschriebenes zweites Faser-Bragg- Gitter aufweist. Mittels des Sensortandems wird bei dem Ver ^¬ fahren an einer korrespondierenden Messstelle wenigstens eine an der Messstelle herrschende Temperatur und wenigstens eine an der Messstelle auf die Faser wirkende Belastung, insbeson- dere Dehnung, erfasst. Vorteile und vorteilhafte Ausgestal ^¬ tungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er ^¬ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorste ^¬ hend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Die Zeichnung zeigt in: Fig. 1 ausschnittsweise eine schematische und perspektivi ^¬ sche Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen faseroptischen Erfassungseinrichtung;

Fig. 2 ausschnittsweise eine schematische Explosionsan

sieht der faseroptischen Erfassungseinrichtung maß der ersten Ausführungsform; und

Fig. 3 ausschnittsweise eine schematische Perspektivan ^¬ sicht einer zweiten Ausführungsform der faseroptischen Erfassungseinrichtung.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig.. 1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen und perspektivischen Seitenansicht eine faseroptische Erfassungs ^¬ einrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform. Wie beson- ders gut in Zusammenschau mit Fig. 2 erkennbar ist, weist die faseroptische Erfassungseinrichtung 10 wenigstens eine als Lichtleiter ausgebildete Faser 12 auf, welche somit zum Füh ^¬ ren beziehungsweise Leiten von Licht ausgebildet ist. Die Fa ^¬ ser 12 umfasst dabei ein erstes Faserelement 14 mit einer ersten langsamen Polarisationsachse 16 und einer ersten schnellen Polarisationsachse 18, welche orthogonal zur ersten langsamen Polarisationsachse 16 verläuft. Außerdem umfasst die Faser 12 wenigstens ein zweites Faserelement 20 mit einer zweiten langsamen Polarisationsachse 22 und einer zweiten schnellen Polarisationsachse 24, welche orthogonal bezie ^¬ hungsweise senkrecht zur zweiten langsamen Polarisationsachse 22 verläuft. Das jeweilige Faserelement 14 beziehungsweise 20 an sich ist als lichtleitende Faser und dabei insbesondere als polarisationserhaltende Faser ausgebildet, welche auch als PM-Faser bezeichnet wird. Dabei sind in dem jeweiligen

Faserelement 14 beziehungsweise 20 zwei in Längserstreckungs- richtung der Faser 12 beziehungsweise des jeweiligen Faserelements 14 beziehungsweise 20 verlaufende Stresselemente 26 und 28 beziehungsweise 30 und 32 angeordnet. Die jeweiligen Stresselemente 26 und 28 beziehungsweise 30 und 32 des jewei ^¬ ligen Faserelements 14 beziehungsweise 20 sind dabei entlang der jeweiligen langsamen Polarisationsachse 16 beziehungswei- se 22 und somit in radialer Richtung des jeweiligen Faserelements 14 beziehungsweise 20 und somit der Faser 12 insgesamt nebeneinander angeordnet. Somit ist das jeweilige Faserele ^¬ ment 14 beziehungsweise 20 an sich als sogenannte Panda-Faser beziehungsweise Panda-Typ ausgebildet.

Außerdem sind die Faserelemente 14 und 20 jeweilige Einzel ^¬ bauteile, welche in vollständig hergestelltem Zustand der fa ^¬ seroptischen Erfassungseinrichtung 10 an einer Verbindungsstelle V miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten sind die Faserelemente 14 und 20 als separat voneinander herge ^¬ stellte und an der Verbindungsstelle V miteinander verbundene Bauelemente ausgebildet. Dabei sind die Faserelemente 14 und 20 durch Spleißen miteinander verbunden, sodass die Faserelemente 14 und 20 miteinander verspleißt und dadurch miteinan- der verbunden sind. Somit ist die Verbindungsstelle V als Spleißstelle ausgebildet.

Aus Fig. 1 und 2 ist besonders gut erkennbar, dass die lang ^¬ samen Polarisationsachsen 16 und 22 in Umfangsrichtung der Faser 12 zueinander verdreht beziehungsweise zueinander versetzt angeordnet sind. Die zuvor genannte Längserstreckungs- richtung der Faser 12 ist in Fig. 1 und 2 durch einen Doppelpfeil 34 veranschaulicht. Dabei sind die Faserelemente 14 und 20 koaxial zueinander angeordnet und in ihrer jeweiligen Um- fangsrichtung derart zueinander verdreht beziehungsweise zu ^¬ einander versetzt, dass die langsamen Polarisationsachsen 16 und 22 in Umfangsrichtung der Faser 12 um einen Winkel versetzt beziehungsweise verdreht zueinander sind, der in einem Bereich von einschließlich 89 Grad bis einschließlich 91 Grad liegt und insbesondere 90 Grad beträgt. Somit verlaufen die langsamen Polarisationsachsen 16 und 22 in einer gemeinsamen, senkrecht zur Längserstreckungsrichtung beziehungsweise zur axialen Richtung der Faser 12 verlaufenden Ebene schräg oder vorzugsweise senkrecht zueinander und schließen den genannten Winkel ein.

Außerdem weist die faseroptische Erfassungseinrichtung 10 we- nigstens ein in Fig. 1 und 2 besonders schematisch darge ^¬ stelltes Sensortandem 36 auf, welches wenigstens ein in das erste Faserelement 14 eingeschriebenes erstes Faser-Bragg- Gitter 38 (erstes FBG) und wenigstens ein in das zweite Fa ^¬ serelement 20 eingeschriebenes zweites Faser-Bragg-Gitter 40 (zweites FBG) umfasst. Dabei unterscheiden sich die Faser- Bragg-Gitter 38 und 40 vorzugsweise in ihrer jeweiligen

Bragg-Wellenlänge voneinander, wobei beispielsweise der Un ^¬ terschied zwischen den Bragg-Wellenlängen der Faser-Bragg- Gitter 38 und 40 mindestens fünf (5) Nanometer beträgt.

Um eine besonders präzise Messung auf besonders einfache Wei ^¬ se zu realisieren, ist das Sensortandem 36 dazu ausgebildet, an einer beispielsweise aus Fig. 3 erkennbaren, korrespondie ^¬ renden Messstelle M wenigstens eine an der Messstelle M herr- sehende Temperatur und wenigstens eine an der Messstelle M auf die Faser 12, insbesondere in der Faser 12, wirkende Be ^¬ lastung, insbesondere eine Dehnung wie beispielsweise eine Längsdehnung der Faser 12, zu erfassen. Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der faseroptischen

Erfassungseinrichtung 10. Bei der zweiten Ausführungsform umfasst die faseroptische Erfassungseinrichtung 10 wenigstens ein Bauteil 42, welches mittels des Sensortandems 36 unter ^¬ sucht, überwacht beziehungsweise überprüft werden kann. Unter dieser Überwachung beziehungsweise Untersuchung oder Überprüfung des Bauteils 42 ist zu verstehen, dass beispielsweise die mittels des Sensortandems 36 erfassbare Temperatur eine Temperatur des Bauteils 42, insbesondere einer Oberfläche 44 des Bauteils 42, ist.

Bei der in Fig. 3 gezeigten zweiten Ausführungsform ist die Faser 12 derart relativ zum Bauteil 42, insbesondere zur Oberfläche 44, ausgerichtet und mit dem Bauteil 42, insbeson- dere mit der Oberfläche 44, verklebt, dass die erste langsame Polarisationsachse 16 des Faserelements 14 zumindest im We ^¬ sentlichen parallel zur Oberfläche 44 verläuft, während die zweite langsame Polarisationsachse 22 des Faserelements 20 zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche 44 ver ^¬ läuft. In Fig. 3 sind drei Raumrichtungen x, y und z veranschaulicht, welche paarweise senkrecht zueinander verlaufen. Dabei spannen die Raumrichtungen x und z eine x-z-Ebene auf, in welcher die Oberfläche 44 verläuft. Dabei verläuft die erste langsame Polarisationsachse 16 zumindest im Wesentli ^¬ chen parallel zur Raumrichtung x und somit parallel zu oder in der x-z-Ebene. Die zweite langsame Polarisationsachse 22 verläuft zumindest im Wesentlichen parallel zur Raumrichtung y und somit senkrecht zur x-z-Ebene. Damit ist aus Fig. 3 er- kennbar, dass die Faserelemente 14 und 20 unter zumindest im Wesentlichen 90 Grad zueinander verspleißt sind und somit ein Fasertandem mit dem Sensortandem 36 bilden.

Die Faserelemente 14 und 20 sind mit ihren optischen Haupt ^¬ achsen parallel und senkrecht zur Oberfläche 44 verklebt. Mit anderen Worten ist die jeweilige langsame Polarisationsachse 16 beziehungsweise 22 eine jeweilige optische Hauptachse des jeweiligen Faserelements 14 beziehungsweise 20, wobei die langsame Polarisationsachse 16 des Faserelements 14 zumindest im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 44 und die langsame Polarisationsachse 22 des Faserelements 20 zumindest im We ^¬ sentlichen senkrecht zur Oberfläche 44 verläuft. Dabei ist die Faser 12 mittels eines Klebstoffes 46 an der Oberfläche 44 gehalten. Mit anderen Worten ist die Faser 12 mittels des Klebstoffes 46 mit der Oberfläche 44 verklebt und dadurch an der Oberfläche 44 gehalten, wobei die Faser 12, insbesondere eine außenumfangsseitige Mantelfläche 48 der Faser 12, die Oberfläche 44, insbesondere direkt, berührt. Der Klebstoff 46 berührt dabei die Faser 12, insbesondere die außenumfangssei ^¬ tige Mantelfläche 48, insbesondere direkt, zumindest in einem Längenbereich der Faser 12. Ferner berührt der Klebstoff 46 die Oberfläche 44, insbesondere direkt. Insbesondere berührt der Klebstoff 46 sowohl zumindest einen ersten Teilbereich des Faserelements 14 als auch zumindest einen zweiten Teilbe- reich des Faserelements 20, insbesondere jeweils direkt. Fer ^¬ ner ist es vorzugsweise vorgesehen, dass eine Anordnung des Klebstoffes 46 in radialer Richtung der Faser 12 zwischen dieser und der Oberfläche 44 unterbleibt, sodass der Kleb- Stoff 46 nicht zwischen der Faser 12 und der Oberfläche 44 angeordnet ist. Durch den Klebstoff 46 können in der Faser 12 Spannungen beziehungsweise Querkräfte induziert werden. Diese durch den Klebstoff 46 induzierten Spannungen werden auch als kleberinduzierte Spannungen verwendet.

Bei der faseroptischen Erfassungseinrichtung 10 gemäß Fig. 3 verstärken die kleberinduzierten Spannungen die initiale Doppelbrechung in dem Faserelement 14, dessen auch als Slow-Axis bezeichnete langsame Polarisationsachse 16 parallel zur Ober- fläche 44 verläuft. In dem Faserelement 20, dessen auch als Slow-Axis bezeichnete langsame Polarisationsachse 22 senk ^¬ recht zur Oberfläche 44 verläuft, wird die Doppelbrechung um annähernd denselben Betrag, um den die Doppelbrechung in dem Faserelement 14 verstärkt wird, verringert. Der Einfluss des auch als Kleber bezeichneten Klebstoffs 46 auf die Doppelbre ^¬ chung beziehungsweise auf den Peakabstand des jeweiligen FBG kann durch einfache Mittelung kompensiert werden. Temperatur und Belastung beziehungsweise Dehnung werden aus diesem korrigierten Peakabstand und einer Bragg-Wellenlänge bestimmt. Der Peakabstand ergibt sich beispielsweise durch Subtraktion der Wellenlänge der auch als Fast-Axis bezeichneten schnellen Polarisationsachse 18 beziehungsweise 24 von der Wellenlänge der jeweils zugehörigen und auch als Slow-Axis bezeichneten langsamen Polarisationsachse 16 beziehungsweise 22.

Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen der faseroptischen Erfassungseinrichtung 10, insbesondere gemäß Fig. 3, beispielhaft beschrieben. Zunächst werden die jeweiligen, als Panda-Fasern ausgebildeten und noch nicht miteinander verbun- denen Faserelemente 14 und 20 bereitgestellt, woraufhin bei ^¬ spielsweise das Faserelement 14 mit ihrer langsamen Polarisa ^¬ tionsachse 16 unter 90 Grad auf die langsame Polarisations ^¬ achse 22 des Faserelements 20 gespleißt wird. Hierfür wird beispielsweise zunächst eine auch als Primärcoating bezeich ^¬ nete Primarbeschichtung der jeweiligen Faserelemente 14 und 20 im Bereich von einigen Zentimetern um die als Spleißstelle ausgebildete Verbindungsstelle V herum entfernt. Dabei werden Spleißparameter so gewählt, dass eine mechanische Stabilität der Spleißstelle bis zu Dehnungswerten von 2000 Microstrain gewährleistet ist und eine Verformung der Stresselemente 26 und 28 beziehungsweise 30 und 32 möglichst vermieden wird. Die jeweiligen FBG des jeweiligen Sensortandems 36 werden möglichst nahe an der Spleißstelle angeordnet beziehungsweise eingeschrieben. Die Herstellung des jeweiligen FBG erfolgt beispielsweise durch Belichtung des jeweiligen Faserelements 14 beziehungsweise 20, insbesondere dessen Kerns, im sinus ^¬ förmigen Interferenzbild eines UV-Lasers hinter einer geeig- neten Phasenmaske.

Die Ausrichtung des Sensortandems 36 beziehungsweise der Po ^¬ larisationsachsen 16 und 22 in Umfangsrichtung der Faser 12 zueinander erfolgt beispielsweise durch Auswertung des Inten- sitätsbildes einer seitlich durchleuchteten PM-Faser (Faserelement 14 beziehungsweise 20) im Durchlichtmikroskop . Die Faserelemente 14 und 20 werden hierzu seitlich in drehbare Halterungen eingeklemmt, sodass eine azimutale Ausrichtung gewährleistet werden kann. Die beschriebene Ausrichtung be- ziehungsweise die beschriebene versetzte Anordnung der Pola ^¬ risationsachsen 16 und 22 relativ zueinander kann dabei mit einer Genauigkeit von +- 1 Grad erfolgen. Zur Applizierung der auch als Faser bezeichneten Faserelemente 14 und 20 auf der Oberfläche 44 des zu untersuchenden Bauteils 42 wird bei- spielsweise als der Klebstoff 46 ein wärmeaushärtender Epo- xid-Klebstoff verwendet. Der Klebstoff 46 wird beispielsweise in zunächst flüssiger Form zumindest auf einen Teilbereich der Faser 12 und zumindest auf einen Teilbereich der Oberfläche 44 aufgebracht. Dabei weist der Klebstoff 46 beispiels- weise eine in Längserstreckungsrichtung der Faser 12 verlaufende Länge auf, welche mindestens drei (3) Zentimeter be ^¬ trägt . Beispielsweise wird der Klebstoff 46 zunächst auf die Ober ^¬ fläche 44 aufgebracht. Anschließend wird beispielsweise die Faser 12 mittig in dem Klebstoff 46 platziert, sodass bei ^¬ spielsweise die Verbindungsstelle V bezogen auf die Längser- Streckungsrichtung der Faser 12 in der Mitte der genannten

Länge des Klebstoffs 46 angeordnet wird. Um eine unerwünschte Lageveränderung der Faser 12 bis zum Aushärten des Klebstoffes 46 zu erreichen, werden die Faserelemente 14 und 20 be ^¬ ziehungsweise die Faser 12 beispielsweise mittels eines ge- eigneten Klebstoffes wie beispielsweise mittels eines tempe ^¬ raturstabilen UV-aushärtenden Klebstoffes an wenigstens zwei voneinander beabstandeten Punkten neben dem eigentlichen Klebstoff 46 und somit neben einer eigentlichen Klebestelle, an der die Faser 12 mittels des Klebstoffes 46 mit der Ober- fläche 44 verklebt wird, vorfixiert. Der Klebstoff 46 wird beispielsweise bei 150 Grad Celsius über eine Stunde in einer Klimakammer ausgehärtet, sodass eine feste Anbindung der Fa ^¬ ser 12 an die Oberfläche 44 gewährleistet werden kann. Das Messprinzip der faseroptischen Erfassungseinrichtung 10 beruht auf der Annahme, dass in unmittelbarer Nähe der

Spleißstelle gleiche Temperatur und Spannungszustände in der Faser 12, insbesondere in den Faserelementen 14 und 20, herrschen. Für symmetrische Klebeverbindungen kann angenommen werden, dass die Hauptspannungsrichtungen der kleberinduzierten Kräfte im Kern mit den optischen Achsen der Faser 12 übereinstimmen. Bei Klebergeometrien wie in Fig. 3 dargestellt kann näherungsweise von einer Druckkraft entlang der Raumrichtung y ausgegangen werden. Temperaturänderungen und Längsdehnungen führen zu gleichen Änderungen der Doppelbrechung in beiden Faserelementen 14 und 20. Die kleberinduzierte Doppelbrechung erhöht jedoch die Doppelbrechung in dem auch als 0 Grad-Lage bezeichneten Faserelement 14 um zumindest nahezu denselben Wert, um den die Doppelbrechung in dem auch als 90 Grad-Lage bezeichneten Faserelement 20 verringert wird . Das jeweilige FBG stellt beispielsweise wenigstens ein Sen ^¬ sorsignal bereit, welches die erfassten Belastungen und die erfasste Temperatur charakterisiert. Aus beiden Sensorsigna ^¬ len der FBG kann dann der Klebereinfluss in den Peakabständen korrigiert werden. Zur Temperatur- und Dehnungsbestimmung kann also die Bragg-Wellenlänge der jeweiligen Fast-Axis des jeweiligen FBG beispielsweise in dem Faserelement 14 und der spannungskorrigierte Peakabstand herangezogen werden. Damit können mittels der faseroptischen Erfassungseinrichtung 10 im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren oberflächenverklebte FBG verwendet werden. Die Klebeverbindung schützt da ^¬ bei die Faser 12, sodass entcoatete Fasern, das heißt Fasern ohne Ummantelung verwendet werden können. Dabei entfallen Un- Sicherheiten durch temperatur- und alterungsbedingte Verände ^¬ rungen des sogenannten Fasercoatings . Auf Multiplexfähigkeit der Sensoren muss dabei zur Temperatur-Dehnung-Entkopplung nicht verzichtet werden, bei gleichzeitig hoher Genauigkeit der Temperaturmessung.