Messen kleiner Größenmartin-hagemann.de/mkg/pdf/2009_mkg_51_84.pdf · 1 s A C r ⋅ ⋅ = ε0 ε...

MkG_09

Messen kleiner Größen

Hagemann

Kapazitive Wegaufnehmer (1)

Kondensator

elektrische Feldlinien

Abstand: s

Messprinzip:Durch eine Abstandsänderung Δs der Kondensatorplatten ändert sich die Kapazität C und damit der Scheinwiderstand XC im Wechselstromkreis.

CX C ⋅

=ω

1s

AC r ⋅⋅=

εε 0 C= KapazitätA= Fläche der Kondensatorplatteε0 = elektrische Feldkonstanteεr= Dielektrizitätszahl

ε0 = 8,8543 * 10-10 [Vs/Am]

εr(Vakuum) = 1εr(Wasser) = 80εr (Paraffinpapier) = 5εr (Bariumtitatat) = 3000

Durch eine Abstandsänderung Δs der Kondensatorplatten ändert sich die Kapazität C und damit der Scheinwiderstand XC im Wechselstromkreis.

U0Ud

Für die Diagonalspannung (Messspannung) in einer Wheatstonschen Viertelbrückenschaltung gilt:

sssUUd Δ+⋅

Δ⋅−=

0

0

22

Die Vereinfachung:

0

0

4 ssUUd ⋅

Δ⋅−≈

welche eine lineare Beziehung zwischen Δs und Ud darstellt, gilt allerdings nur wenn Δs sehr klein ist gegenüber s0.

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Kapazitive Wegaufnehmer (2)

Bauformen:

1. Durch Abstandsänderung zweier sich gegenüber liegender Kondensatorplatten wird eine Kapazitätsänderung bewirkt.

2. Eine der beiden Platten des Kondensators wird lateral zur anderen versetzt.

3. Die Kapazität des Kondensators wird dadurch verändert, dass ein Material mit einer gegenüber Luft weit größeren Dielektrizitätszahlzwischen den Kondensatorplatten bewegt wird.

εr (Luft)

s0

ΔA

A Δl

s0

Δs

εr (Dielektrikum)

1

2

3

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Kapazitive Wegaufnehmer (3): Differentialkondensator

Beim Differentialkondensator befindet sich zwischen zwei fixierten Kondensatorplatten eine bewegliche, deren Abstandsänderung in einem der beiden Kondensatoren eine positive Kapazitätsänderung und im anderen eine gleichgroße negative Änderung bewirkt. Beide Kondensatoren sind in einer Wheatstonschen Messbrücke zusammengeschaltet und bilden eine Halbbrücke.

s0 s0Δs

Sensor

Messbrückenverstärker

U0Ud

Wie beim Differential-Tauchankerwegaufnehmerauch, ist bei entsprechender Beschaltung der Teilkondensatoren in einer WheatstonschenMessbrücke, das Messsignal erstens linear und zweitens doppelt so groß wie beim Viertelbrückensensor:

0

0

2 ssUUd ⋅

Δ⋅−=

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Vergleich von Widerstands-(/Scheinwiderstands-)-Sensoren

Prinzip:

DMS induktiveDifferential-

drossel

induktiverDifferential-

transformator

Queranker-geber (ind.)Viertelbr.)

Wirbelstrom-sensor

kapazitiverSensor

(Viertelbr.)

Potentiometer-aufnehmer

Genauigkeit +++ +++ +++ +++ +++ +++ +

Linearität ++ ++ +++vom

Anfangsspaltabhängig

vomAnfangsspalt

abhängig

vomAnfangsspalt

abhängig+++

Empfindlichkeit:Signal [mV/V]am Ende desMeßbereichs

~ 1*100 ~ 1*102 ~ 1*102

vomAnfangsspalt

abhängig

vomAnfangsspalt

abhängig

vomAnfangsspalt

abhängig+++

Temperatur-unempfindlichkeit

+ Viertelbrückebis

+++ Vollbrücke++ ++ ++ ++ + +

berührungslos nein nein nein ja ja ja nein

mech. Robustheit

+++ gekapselt +++ +++ +++ +++ +++ +

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Quelle: http://lexikon.freenet.de/images/de/4/48/Spektrum.png

Messen mit Licht

LichtDie Hauptquelle des Lichtes auf der Erde ist die Sonne. Künstliche Lichtquellen sind beispielsweise Glühlampen, Leuchtstoffröhren, Leuchtdioden, Laser und chemisches Licht.

Aus physikalischen Experimenten folgt zum einen, dass Licht Welleneigenschaften besitzt. Zum anderen folgt auch aus Experimenten der Teilchencharakter des Lichtes. Dieser Welle-Teilchen-Dualismus ist durch die Quantenphysik aufgeklärt in dem Sinne, dass Licht sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzt.

Das Teilchenmodell postuliert Lichtteilchen (Photonen); sie besitzen keine Ruhemasse und bewegen sich unabhängig vom Bewegungszustand des Betrachters und unabhängig vom Medium mit der Lichtgeschwindigkeit c. Durch Absorption und Emission kann sich das Fortfplanzen einer Lichtwelle stark verzögern.

Wenn Elektronen in einem Atom von einem höheren auf ein niedrigeres Energieniveau springen, werden elektromagnetische Wellen emittiert. Wird sichtbares Licht emittiert, so spricht man von Lumineszenz.

Neben der Farbe bzw. Wellenlänge und der zugehörigen Frequenz wird Licht auch durch die Eigenschaften Kohärenz und Polarisation charakterisiert.

Vollständig lichtdurchlässige Gegenstände bezeichnet man als „durchsichtig“ bzw. „transparent“. Begrenzt lichtdurchlässige (nicht transparente) Gegenstände werden auch als „opaque“ oder „opak“ bezeichnet (siehe „Opazität“). Nicht lichtdurchlässige Objekte bezeichnet man auch als „undurchsichtig“.

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100 %

0

UV-Licht nahes IR-Licht mittleres u. fernes IR-Licht

0,01 μm 0,1 μm 1 μm 10 μm 100 μm 1 mm 10 mm

Strahlungsenergie der Sonne

ErdeAtmossphärischeDurchlässigkeit

0,4 - 0,7 μmsichtbares-Licht

Wellenlänge

Intensität

0,0 0,5 µm0,38 µm 0,75 µm

Strahlungsintensität

Sonnenstrahlung

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Äußerer fotoelektrischer Effekt

Wird eine metallene Oberfläche mit kurzwelligem Licht bestrahlt, so emittiert dieses Elektronen. Längerwellige Strahlung ergibt keine Emission, auch nicht wenn man die Intensität erhöht.

Kurzwelliges Licht

Animation „Äußerer Fotoeffekt“ -auf die Grafik klicken-

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Spontane EmissionElektronen können sich auf niedrigem oder höherem Energieniveau befinden. Man nennt diesebeiden Zustände auch Grundzustand bzw. angeregter Zustand. Durch Energiezufuhr wechselnunter bestimmten Voraussetzungen Elektronen vom Grundzustand in den angeregten Zustand. Innerhalb sehr kurzer Zeit (Größenordnung 10-7 s) fällt ein Elektron dann aber wieder in den Grundzustand zurück und gibt die aufgenommene Energie (spontane Emission) durchAussendung eines Lichtquants (Photons) wieder ab. Bei herkömmlichen Lichtquellen erfolgt die Lichtaussendung durch spontane Emission. Zeitpunkt und die Richtung, in die das Photon ausgesendet wird, sind zufällig.

Induzierte EmissionWird ein sich im “angeregten Zustand” befindliches Elektron von einem von außen kommendenLichtquant getroffen (bevor es spontan in den Grundzustand gewechselt wäre), so wird dadurcheine Emission “erzwungen” bzw stimuliert. Das emittierte Lichtquant fliegt dann in die gleicheRichtung wie das auf das Elektron aufgetroffene. Es hat zudem die gleiche Wellenlänge und die gleiche Phasenlage wie das auftreffende Photon.

Äußere Energiezufuhr

TeildurchlässigerSpiegel (Promillebereich)

Spiegel

a) Spontane Emission vorherrschend

b) Induzierte Emission vorherrschend

c) Emission der Laserstrahlung

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f1 f2

f1-f2

(f1+f2)/2

Schwebung

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Michelson-Interferometer

Laser

Strahlteiler

stationärer Reflektor

MessstrahlMessstrahl

Photodetektor

s

Interferometer

Interferometer

1. Ein-Moden-Interferometer

s = Strecke, um die der Reflektor in Strahlrichtung verschoben wird

N = Anzahl der aufaddierten Interferenzen

λ = Wellenlänge des Laserlichts

n = Brechungszahl des Ausbreitungsmediums

verschiebbarer Reflektor

ReferenzstrahlReferenzstrahl

nNs

⋅⋅=2λ

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Hagemann

Interferometer

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Hagemann

Strahlteiler

stationärer Reflektor

verschiebbarer Reflektor

Photodetektoren

s

f1 f2

2. Zwei-Moden-Heterodyn-Interferometer

Interferometer

Polarisationsstrahlteiler

Zähler 1 Zähler 2

Differenzzähler

Integrator

Polarisatoren

fR= f2 - f1

vc dfDoppler = -2 f1 ·

f1_refl = f1 + dfDoppler

fM = f2 - f1_refl

fM = f2 - f1 + 2 f1 ·vc

fv = fM - fR = 2 f1 ·vc

v(t) =c

2 · f1· fv(t)

f2 ; f1_refl

fM = f2 - f1_refl

Schwebungs-frequenz

s = v(t) · dt = fv(t) · dtc

2 · f1

fM = fR + 2 f1 ·vc

Anzeige

t2

t1

t2

t1

s = fv(t) · dtt2

t1

1

2

v_Reflektor = ds/dt

Schwebungsfrequenz

Zwei-Frequenz-

Laser

f1 ; f2

λ/4-Platte

- +

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Interferometrische Winkel- und Geradlinigkeitsmessung

Zwei-Moden-Heterodyn-Interferometer

Strahlteiler

Umlenkspiegel

Photodetektoren

f1 f2

Interferometer

Zähler 1 Zähler 2

Differenzzähler

Integrator

Polarisatoren

fR= f2 - f1

f1 – df1 ; f2 + df2

fM = f2 - f1 + df1 + df2

Schwebungsfrequenz

Anzeige

Schwebungsfrequenz

Zwei-Frequenz-

Laser

f1 ; f2

- +

α = arc sin (dx/a)

a

α

dx

α

f1_refl = f1 - dfDoppler

f2_refl = f2 + dfDoppler

f1

f2

λ/4-Platte

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Interferometrische Höhendifferenz- und Geradlinigkeitsmessung


Strahlteiler

Umlenkspiegel

Photodetektoren

f1 f2

Interferometer

Zähler 1 Zähler 2

Differenzzähler

Integrator

Polarisatoren

fR= f2 - f1

f1 – df1 ; f2 + df2

fM = f2 - f1 + df1 + df2

Schwebungsfrequenz

Anzeige

Schwebungsfrequenz

Zwei-Frequenz-

Laser

f1 ; f2

λ/4-Platte

- +

f2

Δh

wegen unterschiedlich langer Wege in den Glaskeilen mitnGlas > nLuft

s

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Mehrachsige interferometrische Messanordnungen


50%-Strahlteiler

XY-Messschlitten

Laser

Photodetektor

Photodetektor

Reflektor

Reflektor

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Interferometrische Nivellierlatten-Prüfeinrichtung

Komparator der TU München

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Metereologische Korrektion

Mit Laserinterferometern lassen sich hohe Messgenauigkeiten und -auflösungen bei Messabständen bis 80 m erzielen. Systematischen Fehlereinflüssen ist durch Erfassung der Einflussparameter und Korrektur bzw. durch fehlerminimierende und kompensierende Messanordnungen entgegenzuwirken.

Maßstab interferometrischer Messungen ist die Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung. Die Länge der ausgestrahlten Lichtwellen ist zudem vom Brechungsindex der Luft abhängigig. Dieser variiert mit Temperatur, Druck und Feuchte der Luft. Für die meteorologische Korrektur für Messungen mit Licht hat Edlén eine Formelabgeleitet: nl = f(T,p,Fr). Die Bildung des totalen Differentials und Einsetzen der Parameter für die Normalatmosphäre zeigt die Einflüsse der Luftparameter auf die Messergebnisse.

Interferometer

rFr

nl

P

nl

T

nlnl dFdpdTd ⋅

∂∂

+⋅∂∂

+⋅∂∂

=

nl : Brechzahl der LuftT: Temperaturp: DruckFr: relative Feuchte

Normalatmosphäre:T: 20° CP: 1013 hPaFr: 50%

Damit folgt:

rnl dFdpdTd ⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅= −−− 977 1023,81078,21047,9

Um relative Genauigkeiten in der Größenordnung von 1·10-6 zu erreichen, müssen daher:

•die Lufttemperatur auf 1° C und •der Luftdruck auf 3,5 hPa

genau bestimmt werden. Der Einfluss der Luftfeuchtigkeit ist vernachlässigbar.

rFT

pn ⋅⋅−⋅⋅+

⋅+= −−

⋅− 83

7 102,410671,31

108793,21 Edlén-Formel

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Ein Lasertracker ermöglicht durch die Kombination aus Winkelmessung und interferometrischer Laser-Distanzmessung 3D-Koordinaten zu erfassen. Mit modernen Lasertrackern lassen auch absolute Distanzen messen, wenn das Gerät neben der interferometrischen Distanzmesseinrichtung zusätzlich noch ein elektronisches Entfernungsmessgerät enthält.

Lasertracker – (1)

Der Reflektor bei Lasertrackern kann freihändig im Raum geführt werden. Die Ausrichtung des Systems auf den Reflektor erfolgt mit Hilfe einer Fotodiode, welche die Position des zurückkommenden Laserstrahls detektiert. Auf diese Weise ist auch die Verfolgung des Reflektors und somit die Messung zu einem beweglichen Ziel möglich.

Messunsicherheiten: Winkelmessung : 1 “Streckenmessung-Interferometer: 0.001 mmStreckenmessung: (EDM): 0.01 mm

Leica Lasertracker LTD 500

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Leica LTD-800 mit T-Cam und Taster T-Probe Eine schnelle und präzise Erfassung der 3D-Koordinaten versteckter Punkte wird durch eine Kombination aus Lasertracker, aufmontierter Kamera und einem speziellen Tastgerät erreicht. Während mit dem Laser-Tracker die Position des im Zentrum des Tastgerät angeordneten Reflektor ermittelt wird, liefert das Bild der Messpunkte in der Kamera Informationen über die Lage des Tasters im Raum.

Leica LTD-800

Leica T-Cam

T-Probe

Tastgerät Leica T-Probe

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Faro - Lasertracker

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Äußerer fotoelektrischer Effekt

Unoxidierte Metalle geben im negativ aufgeladenen Zustand Elektronen ab, wenn ihre Oberfläche durch Licht bestrahlt wird. Die von den Elektronen aufgenommene Energie hängt von der Frequenz (und damit von der Farbe) des bestrahlenden Lichtes ab und nicht von dessen Intensität.

Fotodetektoren

Äußerer Fotoeffekt

Innerer fotoelektrischer Effekt

Der innere fotoelektrische Effekt kann bei Halbleitermaterialen beobachtet werden. p-dotierte Halbleiter sind Nichtleiter, die mit geringen Mengen Fremdatomen “verunreinigt“sind, welche gerade ein Valenzelektron mehr als die Atome des Nichtleitermaterial besitzen. n-dotierte Halbleiter sind mit Elementen dotiert, die ein Valenzelektron weniger als die nichtleitenden Atome des Ausgangsmaterial besitzen. Das Anlegen einer Vorspannung an die Elektroden eines Halbleiters, der aus einer p-dotierten und einer n-dotierten Schicht besteht, führt zum Ausbilden einer Sperrschicht, die keine freien Ladungsträger mehr enthält. Valenzelektronen wandern zur positiven Elektrode, positive Ladungsträger(“Löcher“) wandern zur negativen Elektrode.

Fällt Licht auf den Halbleiter, werden freie Elektronen und Löcher aus der Sperrschicht herausgelöst. Unter diesem Einfluss wandern die Elektronen auf die mit n-dotierte Seite, und die Löcher auf die mit p-dotierte Seite. Dadurch entsteht eine dem inneren Feld entgegengerichtete Fotospannung, die proportional zur einfallenden Lichtmenge ist.

(-) P N (+)

Sperrschicht

FensterelektrodeHalbleitermaterialN-dotiert

HalbleitermaterialP-dotiert

Positive Elektrode

-+

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CCD - Array

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Bei der Lasertriangulation wird ein Laserlichtpunkt von einem Laser oder einer Laserdiode auf das Objekt projiziert und unter einer anderen Richtung auf einer positionsempfindlichen Fotodiode oder einem CCD-Zeilensensor abgebildet. Aus dem Abstand von Detektor und Laser, sowie dem Winkel zwischen Laserstrahl und der Achse der Abbildungsoptik berechnet sich die Distanz zwischen dem Leuchtpunkt und dem Laser.

Triangulationssensoren ermöglichen berührungslose Abstandsmessungen mit hoher Genauigkeit. Es sind Messungen an kalten und heißen Objekten, sowie an Oberflächen flüssiger Medien, an weichen oder auch an rotierenden oder schwingenden Objekten verschiedenster Materialien möglich.

Einschränkungen sind durch die Einhaltung eines festen Arbeitsabstands zwischen Sensor und Messobjekts gegeben, der sich aus den Positionen von Leuchtquelle und Detektor sowie dem Winkel zwischen den optischen Achsen ableitet.

Triangulationssensoren (1)

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Die Messgenauigkeit ist in erster Linie abhängig von der Güte des Detektors und dem Messbereich. Eine Kalibrierung von Triangulationssensoren ermöglicht höhere Genauigkeiten, da systembedingt diese Sensortypen größere Nichtlinearitäten aufweisen. Bei Messbereichen unter 2 mm sind Genauigkeiten im µm-Bereich möglich.

Triangulationssensoren (2)

Anwendungsbeispiel: Erfassung von Rohrleitungsbewegungen

Anwendungsbeispiel: Abtastung der Kontur eines Dachziegels

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Inkrementale Längen- und Winkelsensoren (1)

SpannungsliefernderPhotodetektor

S

Blende

U

U

Rasterteilung mit abwechselnd lichtundurchlässigen undlichtdurchlässigen Segmenten

Lichtquelle

Kondensor

Der Begriff Inkrement kommt aus der Mathematik und bezeichnet den konstanten Betrag, um den eine Größe zunimmt.

Bei optischen inkrementalen Sensoren befindet sich zwischen einer Lichtquelle und einem Photodetektor ein linear bewegliches Raster mit lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Segmenten. Die Ausgangsspannung des Detektors ändert sich bei einer Bewegung des Rasters in Abhängigkeit von der Beleuchtung ungefähr dreieckförmig. Ein “Schwellwerttrigger“ setzt dieses Signal in ein binäres “0/1-Signal“ um. Die dabei entstehende Folge von rechteckförmigen Impulsen wird auf einen Zähler gegeben, der z.B. die ansteigenden Flanken aufaddiert. Der Zählerstand ist dann ein Maßfür die Strecke, die das Werkstück zurückgelegt hat. Durch Nullstellen des Zählers kann der Anfangspunkt der Messung beliebig innerhalb des Messbereichs verschoben werden.

01

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Die Zählung von Hell- Dunkelwechseln ist unabhängig davon, ob sich das Raster nach rechts oder links bewegt. Eine bewegungsrichtige Zählung gelingt durch die Verwendung von zwei Photodetektoren, die um ein Viertel des Rasterabstands (90°) versetzt angeordnet werden. Wird das Raster nach rechts, vorwärts bewegt, so liefert der Detektor 1 das schon vom vorherigen Bild bekannte Signal. Das Signal des Detektor 2, der anfänglich zu 50% beleuchtet wird, wird für eine halbe Rasterlänge ein getriggertes 1-Signal liefern. Bei einer Verschiebung des Rasters nach links, rückwärts, ändert sich das Signal desersten Empfängers nicht, das des zweiten ist zuerst 0 (das Raster schiebt sich in denStrahlengang des Detektors 2) und dann 1. In Abhängigkeit davon, ob zuerst Detektor 1 einen 0/1-Wechsel anzeigt, oder zuerst der Empfänger 2, wird die Bewegungsrichtung erkannt. Der elektronische Zähler kann mit dieser Information die Impulse bewegungs-bzw. vorzeichenrichtig addieren.

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Durch feinste Gitterteilungen auf Glasmassstäben sind Genauigkeiten im µm-Bereich möglich. Nachteilig ist, dass bei Unterbrechung z.B. durch Spannungsausfall der Bezugspunkt verloren geht. D.h. der Inkrementalgeber muss in diesem Fall wieder zurückgefahren werden, damit nach Überstreichen einer Nullmarkierung die Zählung der Wegimpulse wieder aufgenommen werden kann.

Heidenhain Inkrementallängengeber LIDA 181 für Maschinensteuerungen

Inkrementale Wegtaster

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Sensoren auf der Basis von Lichtwellenleitern (LWL)

Lichtwellenleiterkabel bestehen aus hochtransparenten Glasfasern.einem Kern und einem Mantel. Der lichtführende Kern dient zum Übertragen des Signals. Der Mantel hat eine niedrigere optische Brechzahl (Dichte) als der Kern. Der Mantel bewirkt dadurch eine Totalreflexion an der Grenzschicht und somit eine Führung der Strahlung im Kern des Lichtwellenleiters.

Als prinzipielle Vorteile ergeben sich:• Es treten keine Ströme und Spannungen auf.• Elektromagnetische Felder beeinflussen die Sensoren nicht.• Die Sensoren sind widerstandsfähig gegen Umwelteinflüsse und auch in chemischaggressiven Atmosphären einsetzbar.

LWL-Sensoren eignen sich daher insbesondere für den Einsatz im industriellen Bereich und in der Baumesstechnik.

Arten

StufenindexfaserHier sind viele einzelne Lichtwellen (Moden) an der Signalübertragung beteiligt. Aufgrund mehrerer möglicher Lichtwege kommt es zu Signalbeeinflussungen (Laufzeitunterschiede), daher verzerren Multimodefasern bei größeren Längen ein ursprüngliches Rechtecksignal zu einem Signalbild mit nicht eindeutigen Flanken.

GradientenindexfaserLWL-Fasern mit Gradientenprofil besitzen einen kleinen Kern, in dem sich auch viele Moden ausbreiten. Der Brechungsindex ist parabolisch von der Kernmitte zum Mantel abfallend. Dadurch wird ein Laufzeitausgleich der Strahlen erreicht. Die Strahlen werden nach außen allmählich gebogen und kehren zur Mitte des Kerns zurück. Die Laufzeitunterschiede der einzelnen Moden sind aufgrund dieses Verfahrens wesentlich geringer als bei der Stufenindexfaser. Die Strahlen (Moden) erreichen trotz unterschiedlicher Weglänge annähernd zum gleichen Zeitpunkt das andere Ende des LWL.

MonomodefaserMonomodefasern verfügen über einen sehr kleinen Kern (< 10µm) und sind dadurch in ihrer Herstellung, Verlegung und Anschließung am aufwendigsten. Diese Fasern arbeiten nur mit einer Mode, dadurch gibt es auch fast keine Signalverzerrung. Dieser LWL eignet sich für Übertragungen ohne den Einsatz eines Repeaters, selbst bei Entfernungen von über 50 Kilometern.

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Ein Lichtstrahl, der aus einem optisch dichteren Medium (Brechzahl n1) kommt und auf die Grenzfläche zu einem optisch dünneren Medium (Brechzahl n2) fällt, wird vollständig reflektiert, wenn der Winkel des einfallenden Lichtes zum Einfallslot (der Einfallswinkel α1) größer ist, als der Grenzwinkel der Totalreflexion θc.

n2

1α 3α

2α

Reflexion

Brechung

( )

( ) ( )

( ) ( )1sin21

2sin

2sin21sin1

3sin11sin1

αα

αα

αα

⋅=

⋅=⋅

⋅=⋅

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

nn

nn

nn

( ) 11sin21 ≤⋅⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛α

nn ( ) ⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛≤

12

1sinnn

α

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛=≤

12arcsin1 n

ncθα

1α

n1 > n2optisch dichteres Medium

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛=>

12arcsin1 n

ncθα

Brechung

Keine BrechungTotalreflexion

Totalreflexion

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⋅=

1n2n

arcsincθ

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Aufbau von Lichtwellenleitern

Brechungs-indexprofil

Querschnitt Längsschnitt

cnM

nK

nK >nM

Kern Mantel

nM nK

50 µm < dKern < 100 µm

dKern

a) Stufenindexfaser

nM

nK = f (s)


dKern

b) Gradientenindexfaser

nM


dKern

c) Monomodefaser

d

n

n

n

d

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Faseroptische Dehnungssensoren (1)

Die Messprinzipien faseroptischer Sensoren beruhen auf durch Dehnungen der Licht-faser beeinflussten Veränderung der physikalischen Parameter von eingekoppeltem Licht, z.B.:-Lichtstärke-Phase-Signallaufzeit-Polarisationsrichtung.

Praktische Bedeutung bei der Überwachung von Bauwerken haben insbesondere die Messverfahren, die Änderungen der Lichtstärke (Amplitude) und Veränderungen der Phasenlage (Interferometrie) detektieren.

Alle faseroptische Sensoren zeichnen sich gegenüber anderen Sensorformen durch eine eine Reihe von Vorteilen auf:• keine Beeinflussung durch äußere elektromagnetische Felder,• keine elektrischen Felder innerhalb des Sensorkopfes,• keine galvanische Verbindung zwischen Sensor und Auswerteeinheit,• hohe Widerstandsfähigkeit gegen extreme Umwelteinflüsse,• korrosionsunempfindliche Fasern arbeiten auch in chemisch aggressiver Umgebung,niedrige Signaldämpfung in der Faser ermöglichen Messungen über großeEntfernungen.

Insbesondere die große Flexibilität, die hohe Störfestigkeit und die Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen sprechen für den Einsatz eines faseroptischen Sensorszur zerstörungsfreien kontinuierlichen Langzeitüberwachung von Bauwerken.

Optische Saite

Totalreflektiertes Licht in Lichtwellenleitern tritt teilweise an der Grenzfläche zumdünneren Medium aus, wenn durch Mikrobiegungen bedingt, der Grenzwinkel für die Totalreflektion θc unterschritten wird.

R <

Rm

in(θ

c)

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Bei der sogenannten „optische Saite“ werden zwei Lichtfasern so miteinander verdrillt, dass bereits ein gewisser Anteil Licht an Stellen mit Mikrobiegungen austritt. Die Fasern sind am Ende verspiegelt, so dass das eingekoppelte Licht zurückreflektiert wird. Mit Fotodetektoren werden die reflektierten Lichtströme gemessen. Dehnungen erhöhen die Verdrillungsbiegeradien, während Stauchungen diese verstärken. Dementsprechend erhöhen Dehnungen den Anteil des reflektierten Lichts und umgekehrt.

Optische Saiten zeigen in der Regel nichtlineare Signalverläufe und müssen kalibriert werden. Alterungen der Lichtquelle haben Einfluss auf die Langzeitstabilität. Das Auflösungsvermögen liegt bei 1 µm, die Messgenauigkeit beträgt 2% der gemessenen Gesamtdehnung.

„Optische Saite der Fa. OSMOS:Messgauigkeit: 0,002 mmSensorlänge; 2m , 5m, 10m

Befestigungsteil für Oberflächenmontage(Optische Saite im Silikonschlauch“)

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Messsystem SOFO (Interferometrie mit niederer Kohärenz)

Das Messystem SOFO verwendet als Lichtquelle eine Leuchtdiode (1), die Licht mit einer Kohärenzlänge von 0,02 mm zu einem Koppler (2) aussendet. Dort wird es in zwei Anteile aufgespalten. Ein Anteil gelangt in die Messfaser, welche mit Klemmen am Messobjekt verankert ist. Der zweite Lichtstromanteil wird in eine Referenzfaser eingekoppelt, die parallel zur Messfaser ebenfalls im Silikonschutzschlauch liegt, aber lose ohne Verankerung. Die Lichtwellen werden an den Enden der Fasern reflektiert und am Koppler wieder vereinigt. Da der Längenunterschied der beiden Fasern im Sensor größer ist als die Kohärenzlänge des verwendeten Lichtes, kommt es hier zu keiner Interferenz. Die Lichtwellen gelangen in die Auswerteeinheit, wo sie wiederum von einem optischen Koppler (3) aufgeteilt werden. Der erste Anteil wird an einem festen Spiegel reflektiert, während der zweite Anteil von einem beweglichem Spiegel (4) zurückgeworfen wird. Beide Anteile werden wieder vereint und ihre Intensität von einer Photodiode detektiert. Einen maximalen Intensitätspeak erhält man, wenn die Strecken zwischen dem Koppler (3) und dem festen bzw. dem beweglichen Spiegel gleich lang sind. Die seitlichen Spitzen entsprechen den Spiegelpositionen, bei denen die Längendifferenz im Auswerteinterferometer identisch ist mit der Längendifferenz im Messsensor. D.h. die blau und hellgrün dargestellten Lichtwege sind gleich lang den orange und dunkelgrün dargestellten Strecken. Bzw. die orange und hellgrünen Lichtwege entsprechen in ihrer Gesamtlänge den blau und dunkelgrün dargestellten Strecken. Die Abstände zwischen der Hauptspitze und den Nebenpeaks entsprechen der Längendifferenz zwischen der Mess- und der Referenzfaser.

Die Interferometrie mit niedriger Kohärenz liefert am Detektor nur dann maximale Licht-signale, wenn beide Lichtwege absolut gleichlang sind. Im Gegensatz zur Interferometriemit hoher Kohärenz ist es nicht erforderlich, eine permanente Verbindung zwischen der Auswerteeinheit und dem Sensor aufrecht zu halten. Änderungen des Brechungsindex und der Länge der Fasern aufgrund von Temperaturänderungen wirken sich nicht auf das Messergebnis aus, da sie gleichermaßen auf die eingespannte Messfaser, wie auch auf die Referenzfaser wirken.

Mit dem SOFO-Messsystem werden Messgenauigkeiten bis unterhalb zu 1/100 mm erreicht. Der Messbereich beträgt 1% der Sensorlänge bei Dehnungen und 0,5% bei Stauchungen. Sensorlängen bis zu 10 m ermöglichen integrale Dehnungsmessungen.

SOFO-Sensor bestehend aus:-Lichtfasern-Ankerklemmen und-Silikonschlauch

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Messsystem SOFO


Lichtstärke (Photodiode)

Position variabel SpiegelΔlΔl

LEDPhotodiodeA

DµP

Schrittmotor

Verschiebeschlitten

Spiegel

Leiterplatten-PC

Koppler

KopplerSilikonschlauch

Klemme zur Fixierung am Messobjekt

(1)

(2)

Messfaser

Referenzfaser

(4)

(3)fix

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