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Quasi-kontinuierliche faseroptische Sensortechnik für lange Messstrecken

Verteilte faseroptische Temperatur- und Dehnungsmessung mit sehr hoher räumlicher Auflösung

Durch ortsaufgelöstes Abtasten der Rayleigh-Streuung entlang einer Standardglasfaser lässt sich ein verteilt messendes Sensorsystem realisieren, bei dem jeder Punkt der Glasfaser als Sensor wirkt. Dieses neuartige Verfahren ermöglicht quasi-kontinuierliche Messungen von Temperatur- und/oder Dehnungsprofilen über Strecken bis 100 m mit räumlichen Auflösungen im Millimeterbereich, was einer Anzahl von tausenden konventioneller Punktsensoren entspricht.

Faseroptische Sensorik

Glasfaserbasierte Sensoren werden seit vielen Jahren bei der Messung von Temperaturen oder mechanischer Größen eingesetzt, insbesondere in Situationen, in denen ihre elektrischen Pendants an ihre Grenzen stoßen bzw. gar nicht funktionieren. Beispielsweise sind dies Umgebungen mit großen elektromagnetischen Feldern, schwierigen chemischen Bedingungen oder Anwendungen, in denen große Entfernungen überbrückt werden müssen oder der kompakte Durchmesser bzw. das geringe Gewicht der Glasfaser entscheidend sind.

Konzeptionell bestehen solche faserbasierten Systeme aus einer Ausleseeinheit und der daran angeschlossenen passiven Sensorfaser. Die Ausleseeinheit sendet Licht aus einem durchstimmbaren Laser oder einer Breitbandquelle in die Faser. In der Faser werden die Eigenschaften des Lichts in charakteristischer Weise abhängig von der Temperatur und dem Dehnungszustand modifiziert. Diese Änderungen werden in der Ausleseeinheit im rückgestreuten Licht detektiert, analysiert und in Dehnungen und Temperaturen umgerechnet.

Auf der Sensorseite ist zwischen punktförmig und verteilt arbeitenden Ansätzen zu unterscheiden. Punktförmige Sensoren werden zum einen durch das Einschreiben von Faser-Bragg-Gittern realisiert, deren Reflexionswellenlänge vom Dehnungszustand und der Temperatur der Faser abhängen. In einer zweiten Variante wird das temperaturabhängige Absorptionsverhalten eines Halbleiterkristalls am Faserende ausgelesen, so dass ein optischer Endpunktsensor entsteht.

Da diese Sensoren nur an diskreten Messstellen arbeiten, ist sowohl die Anzahl als auch die genaue Position der Sensoren ein kritischer Punkt bei der Auslegung des Gesamtsystems, insbesondere unter Berücksichtigung der Gesamtkosten. So wird es grundsätzlich schwierig, wenn Ereignisse erfasst werden sollen, deren Ort vorher nicht bekannt ist, wie etwa beim Auftreten eines Temperatur-„Hotspots“ oder beim Entstehen von Rissen in einer Betonstruktur. Falsch positionierte Einzelsensoren können hier zu vollständigen Fehlmessungen und -interpretationen führen.

Eine ähnliche Problemstellung ergibt sich, wenn man an Temperatur- und Dehnungsprofilen interessiert ist, die große Gradienten aufweisen oder wenn räumlich ausgedehnte Strukturen (2- oder 3-dimensional) präzise überwacht werden sollen. In beiden Fällen können lokale Ereignisse durch eine zu geringe Anzahl von Sensoren einfach durch das Raster fallen.

Einen Ausweg aus diesem Dilemma stellen Systeme dar, die eine quasi-kontinuierlich verteilte Messung entlang der Sensorfaser erlauben. Dabei müssen keine diskreten Sensoren in die Faser eingebracht werden. Vielmehr wird das vom Fasermaterial selbst zurückgestreute Licht genutzt, das die gewünschte Information über Temperatur und Dehnungen enthält.

Für große Entfernungen haben sich zwei Messverfahren etabliert, die den Raman- bzw. Brillouin-Anteil im zurückgestreuten Licht ausnutzen. Diese Systeme erlauben eine verteilte Temperatur- bzw. Dehnungsmessung entlang der Glasfaser über Strecken im Bereich von einigen 10 km, allerdings ist die Auflösung auf etwa 1 m begrenzt. Der begrenzende Faktor ist die äußerst geringe Intensität der hier genutzten Streuanteile, die eine Erhöhung der Auflösung extrem aufwändig macht.

Der Rayleigh-Anteil im Rückstreusignal ist absolut gesehen ebenfalls klein, aber dennoch um Größenordnungen höher als der Raman- und Brillouin-Anteil. So ist es dem US-Unternehmen Luna Technologies in den letzten Jahren gelungen, unter Ausnutzung des Rayleigh-Lichts ein verteilt messendes System mit Auflösungen im Millimeterbereich zu entwickeln.

Frequenzbereichsreflektometrie (OFDR)
Bild 1: Bei der Frequenzbereichsreflektometrie (OFDR) wird ein durchstimmbarer Laser in ein Mach-Zehnder-Interferometer eingekoppelt, bei dem die Sensorfaser Teil des Signalpfades ist. Die Frequenzanteile im Detektorsignal sind ein Maß für den Ort der Reflexion.

Frequenzbereichsreflektometer (OFDR)

Wesentlicher Bestandteil eines verteilt messenden Sensorsystems ist ein ortsauflösendes Reflektometer. So wird bei den Raman- und Brillouin-Systemen in vielen Fällen ein Zeitbereichsreflektometer eingesetzt (engl. Optical Time Domain Reflectometer OTDR), bei dem die Ausleseeinheit einen kurzen Lichtpuls aussendet und über die Laufzeit des zurückgestreuten Lichtanteils der jeweilige Ort der Reflexion berechnet wird.

Für die Rayleigh-Sensorik wird eine erheblich höhere als die mit einem OTDR erreichbare Auflösung benötigt. Erreicht wird dies mit einem kohärenten Frequenzbereichsreflektometer (engl. Coherent Optical Frequency Domain Reflectometer, c-OFDR, wie in Bild 1 skizziert.

Hier wird ein durchstimmbarer cw-Laser in ein faseroptisches Mach-Zehnder-Interferometer eingekoppelt, wobei der eine Arm eine Referenz mit fester Weglänge ist, der zweite wird dagegen durch die Sensorfaser gebildet. Das von der Faser zurückgestreute Licht interferiert am Ausgangskoppler mit dem Lichtanteil aus dem Referenzarm. Beim Durchstimmen der Laserwellenlänge bzw. -frequenz entsteht am Detektor dadurch ein periodisches Signal, dessen Frequenz vom Ort des jeweils zurückstreuenden Fasersegments abhängt.

Je weiter das Segment vom Detektor entfernt ist, desto größer die Frequenz des Interferenzsignals. Da am Detektor die Signale von allen zurückstreuenden Segmenten empfangen werden, muss das Summensignal durch Fourier-Transformation in seine Frequenzanteile zerlegt werden. Die Frequenzen nach der Zerlegung entsprechen dann den Orten in der Faser. Die Amplitude jedes Frequenzanteils gibt die Stärke der jeweiligen Reflektion an.

Die erreichbaren räumlichen Auflösungen hängen vom Wellenlängenbereich ab, über den der Laser pro Scan abgestimmt wird. Die kommerziellen Systeme von Luna arbeiten bei 1550 nm und überstreichen maximal 90 nm, was einer räumlichen Auflösung von 10 µm entspricht. Die Faserlänge darf bis zu 70 m betragen, so dass man mit einem Scan des Lasers das Rayleigh-Rückstreusignal von 7 Millionen Segmenten bekommt.

Analyse des Rayleigh-Signals

Tastet man eine handelsübliche Glasfaser mit der OFDR-Technologie ab, dann zeigt sich ein fluktuierender Intensitätsverlauf der Rayleigh-Streuung entlang der Glasfaser. Dieser Verlauf ist bei wiederholter Messung und konstanten äußeren Bedingungen absolut stabil, so dass er ein charakteristischer „Fingerabdruck“ für ein bestimmtes Glasfasersegment ist (Bild 2). Die Ursache für diese Beobachtung liegt in der Natur der Rayleigh-Streuung, die durch elastische Streuprozesse an lokalen Defekten, Brechzahlvariationen oder Störungen der Wellenleitergeometrie entsteht, die in jedem Segment etwas anders aber dennoch stabil sind.

Ändert man nun die Temperatur oder den Dehnungszustand der Glasfaser, so wird der Fingerprint räumlich gestreckt oder gestaucht (Bild 3). Dieses Phänomen ist die Basis für die Rayleigh-Sensorik, da die Änderungen des lokalen Rayleigh-Musters in lokale Temperatur- oder Dehnungsänderungen umgerechnet werden können.

Dazu wird das Messsignal entlang der Faser in kleine Auswertefenster von >5 mm zerlegt und das darin enthaltene Signal in den Frequenzbereich transformiert (vergleiche Bild 4). Das Ergebnis ist ein fluktuierendes Reflexionsmuster in Abhängigkeit der Frequenz. Änderungen der Temperatur oder der Dehnung der Faser führen zu einer Frequenzverschiebung Df, die proportional zur diesen von außen wirkenden Zustandsänderungen ist. Dieses Vorgehen ist im Grunde identisch zu einem Faser-Bragg-Gitter, bei dem ebenfalls die Frequenzverschiebung des Reflexionspeaks bei Änderung der äußeren Bedingungen gemessen wird.

Um zu einer verteilten Messung zu gelangen, muss schließlich das Auswertefenster vom Algorithmus über die Faserstrecke geschoben werden, so dass ein vollständiges Profil entlang des Weges entsteht.

Auswertung der Rayleigh-Streuung
Bild 4: Zur Auswertung der Rayleigh-Streuung wird das Messsignal in kleine Auswertefenster zerlegt, in denen die lokalen Änderungen in Form von Frequenzverschiebungen berechnet und in Temperatur- und Dehnungsänderungen umgerechnet werden.

Eigenschaften der Rayleigh-Sensorik

Mit dieser Kombination aus OFDR und Rayleigh-Streuung entsteht somit ein verteilt messendes System für Temperatur und Dehnung mit besonderen Eigenschaften:

Hohe räumliche Auflösung: das variable Auswertefenster bestimmt die räumliche Auflösung. Es kann minimal auf 5 mm gesetzt werden, wobei die Faserstrecke bei aktuellen kommerziellen Systemen bis 70 m lang sein kann. Dies stellt aber keine physikalische Grenze dar, sondern ist durch die Datenverarbeitung limitiert.

Flexible, virtuelle Sensorpositionen: mit einem Scan des Lasers werden prinzipiell immer alle relevanten Informationen aufgenommen. Das Auswertefenster kann an beliebigen Positionen mit variabler Breite positioniert werden, sowohl kontinuierlich als auch an festen Messstellen. Da dies einfach in der Software vor oder auch nach der Messung festgelegt wird, entfällt die komplizierte Frage der physikalischen Sensorpositionierung.

Standardglasfaser als Sensor:da im Prinzip jede Glasfaser Rayleigh-Streuung produziert, können viele kommerzielle Standardfasern aber auch Sondertypen nach entsprechender Kalibrierung eingesetzt werden. Allerdings muss die Ummantelung der Glasfaser für den jeweiligen Einsatzfall angepasst sein. Bei Temperaturmessungen ist für den Bereich bis 350°C eine Polyimid- bzw. bis 700° C eine Goldbeschichtung der Faser notwendig. Bei Dehnungsmessungen muss die Ummantelung die Dehnungsänderungen des Messobjekts möglichst optimal auf die Faser übertragen. Die praktisch erreichbare Maximaldehnung mit einer Standardglasfaser liegt bei ca. 30.000 µm/m.

Hohe Messempfindlichkeit:Temperaturänderungen können mit 0,1°C, Änderungen der Dehnung mit 1µm/m Auslösung festgestellt werden.

Paralleles Abfragen aller Sensoren: bei der beschriebenen Messmethode werden alle Punkte der Glasfaser gleichzeitig ausgelesen. Die maximale Rate beträgt bis zu 5 Hz. Somit kann die Gesamtdynamik eines Systems leicht beobachtet werden.

Anwendungen

Die Anwendungsbreite der verteilten Rayleigh-Sensorik ist groß. Sie ist immer dann besonders sinnvoll, wenn eine größere Anzahl von Temperatur- oder Dehnungssensoren mit hoher Dichte abgefragt werden müssen. Anwendungsbeispiele gibt es aus praktisch allen Bereichen von Forschung und Technik.

Hier seien zwei Beispiele herausgegriffen, die die Besonderheiten, aber auch die Robustheit des Verfahrens herausstellen.

Belastungstests und Überwachung von Betonstrukturen

Zur Untersuchung der Belastbarkeit verschiedener Strukturelemente wurde in einem Forschungsprojekt der EDF ein Glasfaserkabel in einen Stahlbetonbalken integriert, zusammen mit einem konventionellen Dehnungssensor (Bild 5 und Bild 6). Der anschließende Belastungstest wurde bis in den nichtelastischen Bereich ausgedehnt, was zu einer lokalen Rissbildung in der Struktur führte.

Stahlbetonbalken mit Glasfaserkabel
Bild 6: Stahlbetonbalken mit Glasfaserkabel (blau) vor dem Ausgießen mit Beton. Das Kabel verläuft als Schleife im oberen und unteren Segment, um Zug und Druckspannungen zu erfassen.
Verteilte Messung der Dehnung in einem mit 100 kN belasteten Stahlbetonbalken
Bild 7: Verteilte Messung der Dehnung in einem mit 100 kN belasteten Stahlbetonbalken nach [1]. Oben: Segment unter Druckspannung mit negativen Dehnungsänderungen. Unten: Segment unter Zugspannung. Hier ist der elastische Bereich überschritten und es kommt zu lokalen Rissen, die an den lokalen Dehnungsspitzen eindeutig erkennbar sind. Zum Vergleich war ein konventioneller Sensor eingebaut, der lediglich an einem Messpunkt einen Dehnungswert liefert.

Bild 7 zeigt die dabei aufgenommenen Dehnungsänderungen über der Länge des Balkens. Im oberen Teil ist das Segment unter Druckspannung zu sehen, im unteren Teil das unter Zugspannung. Die ausgeprägten Peaks zeigen lokal deutlich erhöhte Dehnungswerte, die genau mit der in diesem Segment beobachten Rissbildung korrelieren.

Der konventionelle Sensor erfasst zwar auch einen dieser Risse, aber eben nur rein zufällig. Die übrigen Risse, die an benachbarten Orten entstehen, werden gar nicht erfasst. Hier zeigt sich die Überlegenheit der verteilten Messtechnik, die alle Ereignisse registriert und die Interpretation erheblich vereinfacht.

Messung von Temperaturverteilungen bis 700°C und darüber

Ideal geeignet ist die Rayleigh-Sensorik zur Aufnahme von kompletten Temperaturprofilen, insbesondere in Bereichen hoher Temperaturen, wie sie beispielsweise im Abgassystem von Automobilen, in Mikrowellenöfen oder großen Ofenanlagen der Stahlindustrie entstehen können.

Bild 8 zeigt mehrere Temperaturprofile, die mit Hilfe einer goldbeschichteten Faser in einem Rohrofen aufgenommen wurden. Solche kommerziell erhältlichen Fasern können dauerhaft bis 700°C betrieben werden, kurzzeitig sogar deutlich darüber.

Quellen:

[1] Qualification of a truly distributed fiber optic technique for strain and temperature measurements in concrete structures, J.M Henault et. al., EPJ Web Confereces 12, 03004 (2011)

[2] Correlation and keying of Rayleigh scatter for loss and temperature sensing in parallel optical networks, M. Froggatt, B. Soller, D. Gifford, and M. Wolfe, OFC Technical Digest, paper PDP 17 (2004)

Artikel erstmals erschienen in Photonik 6/2011

Bildnachweise: Soweit nachfolgend nicht anders aufgeführt bei Luna Technologies, Blacksburg, Virginia. Titelbild: ben bryant/shutterstock.com