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Lexikon der Optik: Fasersensoren

Fasersensoren, faseroptische Sensoren, zur Messung unterschiedlicher Größen wie z.B. Verschiebungen, Druck oder Temperatur dienende Meßfühler, bei denen Lichtwellenleiter in Form von Glasfasern (optische Nachrichtenübertragung) eine aktive oder auch nur eine passive Rolle spielen. Im ersten Falle spricht man von Allfasersensoren; hier wirkt die zu messende Größe direkt auf die Faser und verändert ihre Eigenschaften. Im zweiten Falle bezeichnet man die F. als Hybridsensoren, die Faser dient dabei nur als Verbindungsleitung zu einem externen Sensorelement. Weiterhin unterscheidet man nach der Art der benutzten Fasern (Einmoden- oder Vielmoden-Lichtwellenleiter) zwischen Einmoden- (Monomode-) und Vielmoden (Multimode)sensoren.

F. haben den Vorteil, daß keine elektrischen Versorgungsleitungen benötigt werden, da Licht die Versorgung des Sensors sowie die Übertragung des Meßsignals übernimmt. Sie sind daher auch unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störfeldern. Sie sind überdies klein, weitgehend korrosionsbeständig, und sie können bei Anwesenheit hoher elektrischer Spannungen und magnetischer Felder wie auch bei hohen Umgebungstemperaturen (1000 K und darüber) eingesetzt werden.

1) Vielmoden-Allfasersensoren. Bei ihnen führen die Meßgrößen zu einer Änderung der Transparenz der Faser. Die dadurch hervorgerufene Änderung der übertragenen Lichtleistung dient als Meßsignal. Einige typische Meßanordnungen sind die folgenden.

a) Flüssigkeitsrefraktometer. Hierbei wird der Mantel des Lichtwellenleiters über ein kurzes Stück entfernt, der übrigbleibende "nackte" Kern U-förmig gebogen und in die Flüssigkeit eingetaucht. Abhängig von dem Brechzahlunterschied zwischen Kern und umgebender Flüssigkeit wird ein Teil des durch den Wellenleiter geführten Lichtes in die Flüssigkeit eingekoppelt. Mit einer Quarzglasfaser läßt sich so die Brechzahl im Bereich von 1,33 bis 1,40 mit einer absoluten Genauigkeit von etwa 10-3 bestimmen.

b) Microbending-Drucksensoren. Hierbei nutzt man den Effekt aus, daß bereits geringe Verbiegungen (engl. bending) der Faser mechanische Spannungen im Kern und im Mantel hervorrufen, die ihrerseits zu einer Lichtkopplung zwischen Kern und Mantel und dadurch zu Lichtverlusten führen. Zur Erhöhung der Druckwirkung führt man die Faser zwischen zwei "waschbrettförmigen" Platten, die so angeordnet sind, daß einer Erhöhung auf der einen Platte eine Vertiefung auf der anderen Platte gegenübersteht. Durch einen äußeren Druck werden die beiden Platten gegeneinander gedrückt und verbiegen so die Faser wellenförmig. Auf diese Weise lassen sich noch sehr kleine Drücke bis herunter zu 1 mPa nachweisen.

c) Temperatursensoren. Ihrer Wirkungsweise liegt der Sachverhalt zugrunde, daß die Anzahl der in dem Wellenleiter geführten Moden, und damit die Intensität des Lichtes, von der numerischen Apertur NA der Faser abhängt (optische Nachrichtenübertragung). Je höher die NA ist, um so mehr Moden stehen für die Lichtausbreitung in der Faser zur Verfügung. Die NA ist eine Funktion der Brechzahlen von Kern und Mantel und somit temperaturabhängig. Der Ort mit der kleinsten NA begrenzt die übertragene Lichtintensität. Eine Temperaturmessung mit einer homogenen Faser erlaubt daher keinen Rückschluß auf den zugehörigen Ort. Lokale Temperaturmessungen können in der Weise ausgeführt werden, daß man die Faser durch starkes Biegen oder Wickeln zu einer Spule an einer bestimmten Stelle "sensibilisiert". Die Transmission hängt nämlich in Bereichen starker Krümmung besonders empfindlich von der NA und damit der Temperatur ab. Die dabei erreichte Meßgenauigkeit liegt bei 0,1 K.

d) Geschwindigkeitssensoren. Hierbei wird eine Faser in einem von einer Flüssigkeit durchströmten Rohre senkrecht zu dessen Achse eingespannt. Die Faser ruft Wirbel hervor, deren Ablösefrequenz proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist. Durch die Wirbelbildung wird die Faser zum Schwingen angeregt. Diese Schwingungen führen bei Verwendung einer kohärenten Lichtquelle, z.B. eines Halbleiterlasers, zum Auftreten eines zeitlich sich ändernden Musters von hellen und dunklen Stellen am Ausgange der Faser. Mit einem kleinflächigen Detektor lassen sich daher periodische Helligkeitsschwankungen registrieren, deren Frequenz der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist. Auf diese Weise lassen sich Strömungsgeschwindigkeiten mit einer Genauigkeit messen, die über 10% liegt.

e) Dosimeter. Fasern mit Glaskern lassen sich als Strahlungssensoren für Gamma- und Röntgenstrahlung verwenden. Ihre Wirkungsweise beruht darauf, daß die genannte Strahlung die Absorption des Glases erhöht. Die daraus resultierende Lichtdämpfung ist der Strahlendosis proportional. Experimentell wurde gefunden, daß eine Strahlendosis von 1 R zu einer Erhöhung der Dämpfung um 300 dB/km führt. Durch Erwärmung der Faser auf hohe Temperaturen oder durch Einspeisung intensiven Lichtes läßt sich die strahlungsbedingte Veränderung der Faser wieder rückgängig machen, so daß letztere erneut als Sensor eingesetzt werden kann. Durch Rückstreumessungen läßt sich auch der Ort der Bestrahlung ermitteln, da die Bereiche höherer Absorption Störstellen darstellen, an denen ein einfallender Lichtimpuls teilweise reflektiert wird.

2) Vielmoden-Hybridsensoren. Deren Arbeitsweise besteht darin, daß eine Faser Licht zu einem Sensorelement leitet, dessen optische Dämpfung sich in Abhängigkeit von der zu messenden Größe ändert. Eine zweite Faser führt dann das entsprechend geschwächte Licht als optisches Meßsignal zu einem Detektor. In Anbetracht der großen Zahl existierender mechanischer Sensoren ergibt sich so eine nahezu unbegrenzte Vielfalt von F. Im folgenden werden einige Beispiele genannt.

a) Verschiebungssensoren. Bei ihnen ist das Meßprinzip das folgende: Eine in einem Gehäuse in vertikaler Richtung angeordnete Faser wird zerschnitten. Das untere Ende wird fest eingespannt. Das obere Ende bleibt beweglich, und an ihm wird eine Masse von wenigen mg befestigt. Die Masse und der bewegliche Teil der Faser befinden sich zwecks mechanischer Dämpfung in Öl. Äußere Kräfte wie akustische Wellen oder Vibrationen bewirken ein Hin- und Herschwingen des freien Faserendes um seine Ruhelage. Die Intensität des über die Schnittstelle übertragenen Lichtes nimmt mit der Auslenkung der Faser stark ab. Dieser Sensortyp wird als Hydrophon eingesetzt, wobei eine Meßempfindlichkeit von 6 mPa erreicht wird.

Mit kleinen Modifikationen kann der geschilderte F. auch zur Druckmessung verwendet werden. Weiterhin kann die Auslenkung der Faser auch durch einen Bimetallstreifen verursacht werden. Man gelangt auf diese Weise zu einem empfindlichen Thermometer.

Ein weiterer Sensor, mit dem sich sehr kleine Verschiebungen messen lassen, nutzt den Effekt der verhinderten Totalreflexion: Eine Faser wird unter einem solchen Winkel zerschnitten, daß an den beiden Enden alles ankommende Licht total reflektiert wird. Bringt man die beiden Faserenden in einen Abstand von weniger als 1 μm, dann tritt das Licht aus dem einen Faserstück zum Teil in das andere ein. Die Intensität des so übertragenen Lichtes nimmt mit der Spaltbreite exponentiell ab. Dies ermöglicht die Messung von Änderungen der Spaltbreite und damit von Verschiebungen. Mit einer solchen Anordnung wurden Verschiebungen von 10 nm oder Drücke von 1 mPa nachgewiesen.

Eine andere Möglichkeit zur Verschiebungsmessung ist beim Gittersensor verwirklicht. Hier sind die Enden zweier Fasern fest eingespannt. In dem Zwischenraum befinden sich zwei nur wenige μm breite Strichgitter, die sich senkrecht zur Faserachse unter der Einwirkung von Kräften gegeneinander verschieben und dadurch die Intensität des von einer Faser zur anderen übertragenen Lichtes verändern. Nach diesem Prinzip lassen sich Verschiebungen bis zu 0,1 nm oder Drücke bis zu 0,1 mPa messen.

b) Reflexionssensoren. Über Reflexionsmessungen lassen sich ebenfalls kleine Abstände bzw. Abstandsänderungen bestimmen. Mit einer Faser, die in einem gewissen Abstande vor einer Oberfläche endet, wird Licht auf diese Oberfläche geführt, und mit einer in gleicher Weise angeordneten benachbarten Faser wird reflektiertes Licht aufgenommen. Dessen Intensität ist eine Funktion des Abstandes.

Reflexionssensoren können auch zur Messung des Pegelstandes von Flüssigkeiten verwendet werden. Zu diesem Zwecke wird das Ende einer Faser unter einem Winkel von 45° konisch angeschliffen. Das in der Faser geführte Licht wird dann an diesem Ende nahezu total reflektiert und über einen Faserkoppler mit einem Detektor gemessen. Sobald jedoch das Faserende in eine Flüssigkeit taucht, verschwindet die Totalreflexion wegen der im Vergleich zu Luft größeren Brechzahl der Flüssigkeit, und der Detektor registriert eine geringere Intensität. Auf diese Weise lassen sich Pegelstände auf 0,1 mm genau bestimmen.

c) Polarisationssensoren. Hierbei nutzt man zur Messung optische Effekte aus, die den Polarisationszustand des Lichtes ändern. Das durch eine Faser zugeführte Licht wird durch eine Linse parallel gemacht und anschließend zirkular polarisiert. Daraufhin durchläuft es z.B. ein photoelastisches Material, in dem durch äußeren Druck eine optische Doppelbrechung hervorgerufen wird. Anschließend wird es in einem Analysator, bestehend aus einem Polarisationsstrahlenteiler mit vorgeschalteter λ/2-Platte, in zwei senkrecht zueinander linear polarisierte Anteile zerlegt. Diese beiden Lichtbündel werden jeweils über eine Linse in separate Fasern eingekoppelt, an deren Ausgängen die Intensität des Lichtes gemessen wird. Aus den Werten der beiden Intensitäten kann der Druck unabhängig von der Eingangsintensität bestimmt werden.

Ersetzt man das photoelastische Material durch ein magnetooptisches, z.B. Flintglas, so lassen sich auf die gleiche Weise Magnetfelder messen. Ein solcher F. kann magnetische Feldstärken zwischen 320 und 4·105 A/m mit einer Genauigkeit von 0,25% messen.

Die Verwendung eines elektrooptischen Materials, z.B. Bi12SiO20, erlaubt die Messung elektrischer Spannungen zwischen 3 und 200 V ebenfalls mit einer Genauigkeit von 0,25%.

3) Einmodensensoren. Hierbei handelt es sich um die faseroptische Realisierung der klassischen Interferometer. Diese Entwicklung wurde ermöglicht durch die Schaffung von Einmoden-Lichtwellenleitern (optische Nachrichtenübertragung) und die an die Fasern angepaßte Nachbildung der konventionellen optischen Komponenten wie Strahlteiler, Spiegel und Polarisatoren.

Abb. 1 zeigt den Aufbau von Zweistrahlinterferometern, Abb. 2 den eines Vielstrahlinterferometers von der Art des Fabry-Perot-Interferometers. Letzteres besteht einfach aus einer Faser, deren als Spaltflächen ausgebildete Enden als Resonatorspiegel fungieren. Wegen der geringen Reflexion an den Endflächen ist die Finesse niedrig und der Kontrast im Durchgang sehr schlecht. In Reflexion dagegen erreicht man einen Kontrast von etwa 95%, weshalb diese Betriebsart bevorzugt angewendet wird.

Die Nutzung der faseroptischen Interferometer zur Messung physikalischer Größen beruht darauf, daß diese im Signalstrahlengang einerseits eine Längenänderung der Faser und andererseits eine Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes bewirken, was eine Änderung des Gangunterschiedes zwischen den interferierenden Strahlen und damit der Ausgangsintensität zur Folge hat. Die Empfindlichkeit ist dabei außerordentlich hoch; es lassen sich mit einem faseroptischen Mach-Zehnder-Interferometer optische Phasenverschiebungen unter 10-6 rad nachweisen.

Eine direkte Beeinflussung der optischen Weglänge in der Signalfaser erfolgt durch eine mechanische Spannung, durch eine mechanische Kraft, durch Änderung des Druckes oder der Temperatur. Typische Werte für die dabei auftretende Phasenänderung sind der Tab. zu entnehmen. Faseroptische Interferometer eignen sich daher zur Messung der genannten physikalischen Größen wie auch von Verschiebungen. Im besonderen wurden akustische F. (Hydrophone) auf faserinterferometrischer Grundlage entwickelt. Die Druckempfindlichkeit der Faser läßt sich dabei noch um 1 bis 2 Größenordnungen erhöhen, indem man sie in ein Material mit einem kleineren Elastizitätsmodul (z.B. Silikon-Gummi-Guß) einbettet.

Weiterhin kann eine indirekte Beeinflussung der optischen Weglänge dadurch erreicht werden, daß man die Faser mit einer Art Sensorelement in unmittelbaren Kontakt bringt. So erhält man eine F. für Magnetfelder (Magnetometer) durch Aufbringen eines magnetostriktiven Materials, z.B. Nickel, auf die Faser. Die Nachweisempfindlichkeit faseroptischer Magnetometer hängt stark von der Frequenz des Magnetfeldes ab. Die kleinste nachweisbare Feldstärke variiert bei einer 1 m langen Faser von etwa 8·10-4 A/m für Frequenzen unter 100 Hz bis zu weniger als 6·10-6 A/m für Frequenzen über 1000 Hz. Eine Erhöhung der Nachweisempfindlichkeit um etwa eine Größenordnung wurde durch Verwendung magnetischer Gläser mit stark erhöhter Magnetostriktion erreicht.

Faseroptische Magnetometer wurden auch als Gradiometer zur Messung des Gradienten eines Magnetfeldes ausgebildet.

Schließlich lassen sich mit dem Fasergyroskop (Sagnac-Versuch) sehr kleine Rotationsgeschwindigkeiten messen.





Fasersensoren 1: Faseroptische Realisierung des Michelson- (a) und des Mach-Zehnder-Interferometers (b). 1 Eingang, 2 Richtungskoppler (Strahlteiler), 3 Referenz- und 4 Signalfaser, 5 versilberte Enden (Spiegel), 6 Photoempfänger.



Fasersensoren 2: Faseroptische Realisierung eines Fabry-Perot-Interferometers. 1 einfallendes Licht, 2 Strahlteiler, 3 Faser, 4 Photoempfänger.

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