Fasersensoren
Was sind Fasersensoren?
Fasersensoren werden verwendet, um Veränderungen von physikalischen, chemischen oder biologischen Parametern zu erkennen. Ihre einzigartige Kombination von vorteilhaften Eigenschaften hat dazu geführt, dass sie in so unterschiedlichen Bereichen wie der Strukturüberwachung, der Öl- und Gasförderung, der Umweltüberwachung und der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden.
Ein Fasersensor ist ein Gerät, das physikalische, chemische oder biologische Parameter misst, indem Veränderungen in durch eine optische Faser übertragenem Licht erkannt und gemessen werden. Fasersensoren bieten mehrere Vorteile gegenüber anderen Sensortechnologien, darunter:
Langstreckenbetrieb |
Glasfasersensoren können Signale über große Entfernungen ohne nennenswerte Signalverschlechterung oder -verluste übertragen. Dies ermöglicht den Einsatz an abgelegenen Orten oder zur Überwachung sehr großer Strukturen. |
Kompakt und leicht |
Faseroptische Sensoren sind klein und leicht, so dass sie einfach zu installieren und leicht in eine Vielzahl von Systemen zu integrieren sind. |
Geringer Stromverbrauch |
Glasfasersensoren benötigen nur sehr wenig Strom für den Betrieb. Dadurch eignen sie sich ideal für abgelegene und tragbare Anwendungen, bei denen die Stromversorgung begrenzt ist. |
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Mehrere Fasersensoren können auf einer einzigen Faser multiplexiert werden, so dass mehrere verschiedene Parameter gleichzeitig gemessen werden können. |
Hohe Geschwindigkeit |
Fasersensoren bieten eine hohe Bandbreite und schnelle Reaktionszeiten, wodurch sie sich für dynamische Messungen und Echtzeit-Kontrollanwendungen eignen. |
Diese Kombination wünschenswerter Betriebseigenschaften zusammen mit dem breiten Spektrum an physikalischen Eigenschaften, die Fasersensoren messen können, ermöglicht ihren Einsatz für eine Vielzahl von Aufgaben in ziemlich vielen verschiedenen Branchen und Anwendungen. Einige der wichtigsten davon sind:
- Strukturelle Gesundheitsüberwachung von zivilen und Luftfahrtstrukturen, wie Brücken, Dämmen, Gebäuden, Pipelines und Flugzeugen. Die Sensoren können Schäden, Verformungen oder Vibrationen erkennen.
- Umweltsensorik, wie z.B. die Überwachung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Druck und der Konzentration verschiedener chemischer Stoffe in Luft oder Wasser.
- Medizinische Diagnostik, einschließlich der Messung von Blutzucker, Blutsauerstoff oder pH-Werten in vivo.
- Industrielle Prozessüberwachung und -steuerung. Dies kann die Messung des Füllstands, des Durchflusses oder der Zusammensetzung von Flüssigkeiten oder Gasen in Rohren oder Reaktoren umfassen.
- Verteidigung und Sicherheit. Fasersensoren können verwendet werden, um Eindringlinge, die Verschiebung von Objekten oder Strukturen oder seismische Aktivitäten in Grenz- oder Militäreinrichtungen zu erkennen.
Die Arten von Fasersensoren, die derzeit verwendet werden, ihre Funktionsprinzipien und genauen Implementierungsmethoden sind so vielfältig wie die gerade aufgeführten Anwendungen. Im Grunde beruhen sie alle auf demselben Grundprinzip. Das heißt, Licht wird in eine optische Faser eingeleitet und breitet sich durch diese aus. Die physikalischen, chemischen oder biologischen Eigenschaften des Mediums, das die Faser umgibt, bewirken dann eine Veränderung des Lichts, die erkannt werden kann. Diese Veränderung kann in der Intensität, der Phase, der Wellenlänge oder dem Polarisationszustand des Lichts (oder einer Kombination davon) sowie in den Streueigenschaften der Faser selbst liegen. Es lohnt sich, jeden dieser Sensormechanismen im Detail zu untersuchen.
Wellenlängenbasierte Sensoren
Wellenlängenbasierte Sensoren – insbesondere solche mit Faser-Bragg-Gittern (FBGs) – gehören zu den beliebtesten und am häufigsten verwendeten Typen. Ein FBG ist eine periodische Modulation des Brechungsindexes des Kerns entlang der Achse der Faser. Das FBG wird zum Zeitpunkt der Herstellung in die Faser „geschrieben”. Dieses periodische Muster erzeugt ein Bragg-Gitter, das einen bestimmten, kleinen Bereich von Wellenlängen reflektiert.
Eine Anwendung von FBGs ist die Herstellung eines „verteilten” Sensors. Hier wird eine Reihe von FBGs – die jeweils eine etwas andere Wellenlänge reflektieren – an verschiedenen Stellen entlang einer einzigen Faser angebracht. Wenn das Licht die Faser durchläuft, reflektiert jedes FBG einen Teil zurück zur Quelle. Lokale Temperaturschwankungen oder mechanische Beanspruchungen in der Struktur verändern die Periode des nahegelegenen FBGs und verschieben somit die Wellenlänge, die es reflektiert. Die Messung dieser Wellenlängenverschiebung liefert somit räumlich aufgelöste Informationen über die Dehnung und Temperatur entlang der Faser. Ein solcher Fasersensor kann in eine große Struktur, wie einen Damm oder eine Brücke, eingebettet werden.
Abbildung 1. Bei einem verteilten Fasersensor reflektiert eine Reihe von FBGs entlang der Faser jeweils einen schmalen Bereich von Wellenlängen zurück. Lokale Temperaturänderungen oder mechanische Belastungen verschieben die Spitzenwellenlänge eines nahegelegenen FBGs. Die Analyse der Wellenlängen des zurückgeworfenen Lichts zeigt, welcher Sensor gestört wurde und wie stark.
Wellenlängenbasierte Fasersensoren bilden auch die Grundlage für eine Reihe von verschiedenen Arten von Biosensoren. Viele davon basieren auf der Oberflächenplasmonenresonanz (SPR). Dabei wird eine dünne Metallschicht (in der Regel Gold) direkt auf die Faser oder manchmal auch auf eine externe Optik am Ausgangsende der Faser aufgebracht.
Nur eine ganz bestimmte Wellenlänge regt die Oszillation von Plasmonen an der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche an. Diese Resonanzwellenlänge wird weniger reflektiert als andere Wellenlängen. Sie ist sehr empfindlich gegenüber dem Brechungsindex der Metallschicht.
Um einen Biosensor herzustellen, wird die Metallschicht „funktionalisiert”. Das heißt, sie wird mit einem Biomolekül (oder sogar Bakterien) beschichtet, das bevorzugt an einen bestimmten Zielanalyten bindet oder diesen aufnimmt. Wenn Analytmoleküle an die Sensoroberfläche binden, verändern sie deren Brechungsindex. Dadurch verschiebt sich die Wellenlänge der Resonanz. Die Analyse der Wellenlänge des übertragenen Lichts liefert somit ein hochempfindliches Maß für die Konzentration des Zielmoleküls.
Faser-Biosensoren bieten mehrere Vorteile, darunter eine schnelle Messgeschwindigkeit und hohe Empfindlichkeit. Sie erfordern keine „Markierung” des Analyten. Daher werden sie in zahlreichen medizinischen Diagnoseverfahren, in der biomedizinischen Forschung und Arzneimittelentwicklung und sogar in der Landwirtschaft und Lebensmittelverarbeitung eingesetzt.
Phasenbasierte Sensoren
Bei den phasenbasierten Sensoren handelt es sich meist um faseroptische Interferometer. Diese messen die Phasenverschiebung, die in einer optischen Faser oder einem externen optischen Hohlraum aufgrund einer Veränderung im umgebenden Medium entsteht. Es sind viele verschiedene Interferometer-Konfigurationen möglich. Die bekanntesten sind das Mach-Zehnder-, das Michelson- und das Fabry-Perot-Interferometer.
Genau wie bei ihren traditionellen Pendants im freien Raum teilen die Mach-Zehnder- und Michelson-Interferometer den Strahl in zwei Pfade auf – einen Referenzarm und einen Sensorarm. Nur der Messarm ist dem Signal ausgesetzt. Änderungen der physikalischen Länge oder des Brechungsindex innerhalb des Messarms verursachen eine relative Phasenverschiebung zwischen den Pfaden, die am Detektor ein Interferenzstreifenmuster erzeugen. Dies liefert das Erkennungssignal.
Das Fabry-Perot-Interferometer verwendet die Faser, um Licht in ein Etalon (zwei parallele, hochreflektierende Oberflächen, die durch einen Abstand getrennt sind) zu leiten, das sich am Messpunkt befindet. Variationen der optischen Weglänge innerhalb des Fabry-Perot-Resonators, die durch Vibration, Druck, Temperatur oder Brechungsindex (durch ein in den Resonator eintretendes Gas oder eine Flüssigkeit) verursacht werden, verändern das Interferenzstreifenmuster. Dieses Signal wandert durch die Faser zurück zum Ursprungspunkt, wo es erkannt wird. Diese Methode wird häufig zur Messung des Bohrlochdrucks in Gas- oder Ölpipelines oder zur Überwachung der Dehnung oder Temperatur von Verbundwerkstoffen verwendet.
Das faseroptisches Gyroskop ist ein weiterer Typ eines phasenbasierten Fasersensors. In diesem Fall befindet sich die Faser in einer eng gewickelten Spule. Die Lichtquelle wird zunächst in zwei Strahlen aufgeteilt und dann in die gegenüberliegenden Enden der Faser eingekoppelt.
Wenn sich die Spule um ihre Achse dreht, werden die beiden Strahlen einer relativ zueinander wirkenden Phasenverschiebung ausgesetzt. Dies wird als Sagnac-Effekt bezeichnet. Bei Verlassen der Faser werden die beiden Strahlen wieder zusammengefasst. Jede Phasenverschiebung führt zu Interferenzstreifen im kombinierten Strahl. Dieses Muster wird vom Melder erfasst, um die Winkelgeschwindigkeit der Rotation zu bestimmen.
Polarisationsbasierte Sensoren
Die meisten polarisationsbasierten Sensoren arbeiten, indem sie polarisiertes Licht in einem Winkel von 45° relativ zur Achse einer polarisationserhaltenden optischen Faser einleiten. Dann kann alles, was im zu testenden Gerät die Doppelbrechung der Faser beeinflusst – typischerweise Temperaturschwankungen oder mechanische Belastung – mit einem Polarisationsanalysator am Ausgang der Faser erkannt werden. Viele Fasersensoren zur Strukturüberwachung sind polarisationsbasiert.
Polarisationsbasierte Sensoren können auch zur Erfassung von elektrischem Strom verwendet werden. Diese beruhen auf dem Faraday-Effekt, der in Gegenwart eines Magnetfeldes eine Drehung der Polarisationsebene des Lichts bewirkt. Damit können Sie das durch einen elektrischen Strom erzeugte Magnetfeld messen. Faserstromsensoren bieten mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Sensortypen, darunter schnelle Reaktionsgeschwindigkeit, hohe Genauigkeit sowie geringe Größe und Gewicht.
Intensitätsbasierte Sensoren
Intensitätsbasierte Fasersensoren waren der erste Typ, der jemals entwickelt wurde. Sie sind auf eine Veränderung der durchgelassenen oder reflektierten Lichtintensität angewiesen, um eine Messung durchzuführen.
Ein einfacher intensitätsbasierter Sensor wird gebildet, indem eine Faser mit einer Biegung in eine Struktur oder eine mechanische Komponente eingebettet wird. Änderungen des Biegeradius beeinflussen den Lichtverlust durch die Faser. Alles, was eine Dimensionsänderung des Objekts verursacht – Druck, Beschleunigung, Bewegung, Wärmeausdehnung – verformt die Faser und erzeugt ein Signal.
Eine andere Möglichkeit, eine Intensitätsänderung zu erzeugen, besteht darin, die interne Totalreflexion zu verhindern oder zu verringern, die die Faser zur Übertragung des Lichts benötigt. Normalerweise geschieht dies, wenn eine Brechungsindexänderung im umgebenden Medium mit dem evaneszenten Feld um den Faserkern interagiert. Dabei wird in der Regel ein Teil der Ummantelung über eine bestimmte Länge der Faser entfernt, damit das evaneszente Feld in das die Faser umgebende Medium eindringen kann. Jede Änderung des Brechungsindexes dieses Mediums verändert dann die Übertragungseigenschaften der Faser. Dieser kann zur Messung von Flüssigkeitsständen oder als Gassensor verwendet werden.
Obwohl intensitätsbasierte Sensoren in der Regel einfacher und daher kosteneffizienter sind als andere Typen, werden sie heute nicht in großem Umfang eingesetzt. Das Problem ist, dass alles, was eine Änderung der optischen Leistung verursacht, eine Anzeige erzeugt. Ein Referenzsystem kann dies zwar minimieren, aber es ist schwierig, Rauschen und fehlerhafte Messwerte dieser Sensoren vollständig zu eliminieren.
Streuungsbasierte Sensoren
Eine Vielzahl verschiedener Sensortechniken basiert auf Brillouin- und Raman-Streuung in einer optischen Faser. Diese werden in Kombination mit der optischen Zeitbereichsreflektometrie (OTDR) verwendet.
Brillouin-Streuung entsteht durch die Wechselwirkung von Licht mit akustischen Moden in einem Medium. Die Spitzenwellenlänge der Brillouin-Streuung ist stark vom Brechungsindex des Materials abhängig. Das macht sie empfindlich gegenüber Temperatur- oder Druckänderungen im umgebenden Medium.
Um einen Brillouin-basierten Sensor zu implementieren, wird ein Lichtimpuls durch die Faser gesendet. Das Spektrum des zurückgeworfenen Lichts wird kontinuierlich analysiert. Die Zeitverzögerung einer durch Brillouin-Streuung verursachten Verschiebung des Spektrums gibt an, wie weit entlang der Faser die Streuung aufgetreten ist und damit den Ort der Bedingung, die sie verursacht hat.
Raman-Streuung tritt auf, wenn Licht mit molekularen Schwingungen in der Faser interagiert. Das Raman-Signal hängt nur von der Temperatur ab. Die Raman-Sensorik wird ähnlich wie die Brillouin-Sensorik eingesetzt. Das heißt, ein Lichtimpuls wird durch die Faser geschickt und das Spektrum des zurückkommenden Lichts wird als Funktion der Zeit analysiert.
Der große Vorteil der auf Streuung basierenden Sensoren besteht darin, dass sie eine intrinsische Eigenschaft jeder Quarzfaser nutzen. Das bedeutet, dass sie mit kosteneffizienten, handelsüblichen optischen Fasern gebaut werden können. Außerdem können beide Streutechniken über sehr große Entfernungen – Dutzende von Kilometern – funktionieren. Das macht sie besonders nützlich für die Überwachung großer oder langer Strukturen.
Insgesamt eignen sich Fasersensoren aufgrund ihrer vielfältigen Fähigkeiten und operativen Vorteile für eine Vielzahl von Anwendungen. Die kontinuierlichen Fortschritte in der Technologie werden ihre Verwendung in Bereichen wie der Überwachung von Bauwerken, der Öl- und Gasförderung, der biomedizinischen Sensorik, der Umweltüberwachung, der Überwachung industrieller Prozesse und vielen anderen Bereichen sicherlich noch verstärken.