Industrielle Automation 4/2018

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SENSORIK UND MESSTECHNIK Faseroptische Sensoren in neuem Licht Weißlicht-Polarisations-Interferometrie ermöglicht präzise Messung von Dehnung, Druck, Weg und Temperatur Faseroptik an sich ist kein neues Thema. Seit einigen Jahren ist allerdings eine neue Technologie auf dem Markt, die Anwendern neue Möglichkeiten eröffnet. Faseroptische Sensoren auf Basis der Weißlicht-Polarisations- Interferometrie (WLPI) liefern präzise Messungen auch in anspruchsvollen Umgebungen und bieten gleichzeitig hohe Flexibilität im Sensordesign für hohe Anpassungsfähigkeit an spezifische Einsatzanforderungen. Druck, Temperatur, Weg oder Vibration – für nahezu jeden physikalischen Parameter gibt es Sensoren, die sich jeweils in ihrem Messprinzip unterscheiden: resistive, induktive, kapazitive, piezoelektrische, optoelektrische, elektrochemische und magne toelastische Sensoren. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit den faseroptischen Sensoren auf Basis der Weißlicht-Polarisations-Interferometrie (WLPI). Dabei handelt es sich um eine patentierte faseroptische Technologie, die für präzise Messungen von Dehnung, Druck, Weg und Temperatur zum Einsatz kommt. Im Folgenden erfahren Sie, was das Besondere an diesem Verfahren ist, wie sie funktionieren und für welche Anwendungen es sich eignet. Faseroptische Messsysteme bestehen aus mehreren Komponenten. Dazu zählen ein faseroptischer Sensor, eine Signalauswerteeinheit sowie ein Lichtwellenleiter (LWL). Da die Sensoren einer hohen Empfindlichkeit unterliegen, sind sie in ei - nem schützenden Gehäuse untergebracht. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen ex trinsischen und intrinsischen Sensoren. Bei intrinsischen Sensoren ist Dipl-Wirtsch.-Ing. Michael Schenker, Vertrieb und Produktmanager für faseroptische Messtechnik, Weg und Drehwinkel bei der Althen GmbH in Kelkheim der LWL Bestandteil des Messverfahrens; die optische Faser ist der Sensor. Populäre Vertreter dieser Sensorklasse sind faseroptische Sensoren, die auf der Faser-Bragg- Technologie beruhen. Extrinsische Sensoren zeichnen sich dagegen dadurch aus, dass der empfindliche Teil von der optischen Faser entkoppelt ist. Sie hat lediglich die Funktion, das Lichtsignal zwischen Sensoreinheit und Signalauswerteelektronik zu übertragen. Klassische Vertreter hierbei sind Temperatursensoren auf Basis von Galliumarsenid-Kristallen sowie Messsysteme nach dem Prinzip der faseroptischen WLPI. Gegenüber der Faser- Bragg-Technologie bieten sie eine höhere Stabilität und sind wartungsfrei. Das Prinzip der WLPI Faseroptische WLPI ist eine patentierte faseroptische Technologie, die präzise Messungen in anspruchsvollen Anwendungen ermöglicht. Das Prinzip ist wie folgt: Die von der Lichtquelle ausgesandte Lichtstrahlung trifft im Sensorkopf auf ein Interferometer mit einer definierten Hohlraumlänge. Die Hohlraumlänge bezeichnet den Abstand zwischen zwei Spiegeln, die teilweise reflektierend und teilweise durchlässig sind. Dadurch ergeben sich zwei Lichtsignale mit unterschiedlichen Weglängen. Die Hohlraumlänge und damit wiederum die Weglänge des Lichtsignals sind eine Funktion der Messgröße. Anhand eines Drucksensors mit einer biegsamen Membran an der Sensorspitze wird deutlich, dass Druckänderungen die Durchbiegung der Membran verändern und somit die Hohlraumlänge. Die reflektierten Lichtsignale werden zurück in die Auswerteeinheit geleitet, in der sich ein weiteres Interferometer befindet. Dort kommt es an der Stelle, an der die Hohlraumlängen beider Interferometer ähnlich sind, zu örtlich begrenzten Interferenzeffekten des Lichtsignals. Das maximale Interferenzsignal ist an der Stelle zu finden, an der die Hohlraumlängen beider Inter ferometer identisch sind. Die Hohlraumlänge des Auswerteinterferometers ist präzise auf die Positionen eines CCD-Sensors abgestimmt. Dadurch können Hohlraumlängen in Nanometer einem Pixel auf dem CCD-Sensor zugeordnet werden. Um die Auflösung im Sub-Pixel- Bereich zu ermöglichen, erfolgt eine digitale Signalverarbeitung. Die Echtzeitmessung der Position des Interferogram-Spitzenwertes liefert eine präzise Messung der Hohlraumlänge des Interferometers im Sensor. Entsprechend den Kalibrierwerten des Sensors (nm zu kPa) erfolgt durch die Auswerteeinheit die Umwandlung der Hohlraumlänge des Sensors in einen Druckmesswert. Die WLPI-Technologie basiert also auf der Positionsbestimmung eines Signalspitzenwertes 14 INDUSTRIELLE AUTOMATION 4/<strong>2018</strong>
SENSORIK UND MESSTECHNIK und wird, im Gegensatz zu den meisten Messverfahren, nicht durch Veränderungen der Lichtintensität beeinflusst. Daher ist dieses Verfahren robuster gegenüber Störeffekten wie optischen Verlusten durch Steckverbindungen, Biegung der Faser oder Verdunkelung aufgrund von Reaktionen mit Wasserstoff. Langzeitstabil und eigensicher Gegenüber elektronischen Sensoren bieten faseroptische Sensoren einige Vorteile, z. B. ihre Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen und Hochspannungen. Sie sind eigensicher, unempfindlich gegenüber Blitzeinschlägen und können mit kleinsten Abmessungen ausgeführt werden. Sie lassen sich einfacher installieren, sind komfortabel in ihrer Handhabung und lassen sich leichter an die jeweilige Anforderung anpassen. Auch haben Schwankungen der Lichtintensität keine Auswirkungen auf die WLPI-Sensoren, da ihre Funktion nicht auf Intensitätsänderungen beruht, sondern auf der Weglängenänderung im Interferometer. Der extrinsische Charakter der WLPI- Technologie ist für die faseroptische Dehnungsmessung relevant, da die WLPI- Sensoren im Gegensatz zu Faser-Bragg- Sen soren unempfindlich gegen Querdehnungen sind. Bei durchgängiger Nutzung des Systems mit der maximalen Lichtintensität beträgt der MTBF-Wert 100 000 h. Breites Anwendungsspektrum Messtechnik kommt in unterschiedlichsten industriellen Anwendungen zum Einsatz. Konventionelle elektronische Sensoren stoßen jedoch häufig an ihre Grenzen, da Störeffekte wie hohe Spannungen oder EMI die Funktionsfähigkeit der Systeme einschränken. So ist es in der Geotechnik häufig notwendig, Sensoren in schwer erreichbaren Positionen zu platzieren. In solchen Anwendungsfällen kommt ein klarer Vorteil der 01 Multifunktionaler Wegaufnehmer u. a. für Messungen in Automotive, Robotik und Science WLPI-Technologie zum tragen: da für sie eine breitbandige Lichtquelle verwendet wird, muss sie nicht kalibriert werden und ist daher wartungsfrei. Ein weiteres Beispiel ist die Luft- und Raumfahrt. Hier gehören Leichtbau und elektromagnetische Störungen zu den Kernthemen der Produktentwicklung. Faseroptische Sensoren bieten dabei Vorteile wie Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen oder auch Blitzschlag, Immunität gegenüber EMI sowie hohe Verlässlichkeit und Wartungsfreiheit. Zudem kommt die faseroptische WLPI- Technologie bei der Langzeitüberwachung Vorteile faseroptischer Sensoren (WLPI): 02 Vielseitig in der Industrie einsetzbar: MEMS-basierter faseroptischer Drucksensor von kritischen Maschinenkomponenten zum Einsatz, da Bauteildehnungen und -verformungen die Sicherheit von Mensch und Material gefährden. Sie ermöglicht es, robuste, verlässliche Sensoren zu bauen, die weder ein zeitliches Driftverhalten aufweisen noch empfindlich gegenüber Querdehnung sind. Aber auch Windräder in Offshore-Windparks profitieren von faseroptischen Sensoren basierend auf WLPI- Technologie. Hier verhindern sie Störungen, Ausfälle sowie Schäden. www.althen.de n unempfindlich gegenüber Hochspannungen und elektromagnetischen Störungen n vielseitig einsetzbar in Anwendungen der Industrie, chemische Industrie, Luft- und Raumfahrt, Geotechnik, erneuerbare Energien, Condition Monitoring u. a. n langzeitstabil und eigensicher: Schwankungen der Lichtintensität haben keine Auswirkungen auf WLPI-Sensoren (WLPI = Weißlicht-Polarisationsinterferometrie) n wartungsfrei: eine breitbandige Lichtquelle wie sie für die WLPI-Technologie verwendet wird, muss nicht kalibriert werden n widerstandsfähig und robust konzipiert n leicht und klein: WLPI-basierte Sensoren können in sehr kleinen Abmessungen ausgeführt werden und zudem lassen sich alle Komponenten, die zur Signalauswertung benötigt werden, auf einem Modul unterbringen MEHR BA Mit u Leitu zur S ANDBREITE nseren intelligenten LWL-Lösungen wirdjede ng zur Überholspur. Das ist unser Beitrag Sicherung von Investitionen indie Zukunft. eks Engel FOS GmbH &Co. KG Security in Essen Halle6//STAND 6G90 25. -28. September <strong>2018</strong> Schützenstraße 2 57482 Wenden-Hillmicke, Germany Tel. +49 2762 9313-600 Fax +49 2762 9313-7906 info@eks-engel.de www.eks-engel.de
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