Was sind Fasersensoren?

Fasersensoren werden eingesetzt, um Veränderungen physikalischer, chemischer oder biologischer Parameter zu erfassen. Dank ihrer einzigartigen Kombination vorteilhafter Eigenschaften finden sie in so unterschiedlichen Bereichen wie der Bauwerksüberwachung, der Öl- und Gasförderung, der Umweltüberwachung und der medizinischen Diagnostik Anwendung.

A Fasersensor ist ein Gerät, das physikalische, chemische oder biologische Parameter misst, indem es Veränderungen im durch eine optische Faser übertragenen Licht erfasst. Fasersensoren bieten gegenüber anderen Sensortechnologien mehrere Vorteile, darunter:

Fernbedienung	Fasersensoren können Signale über große Entfernungen übertragen, ohne dass es zu nennenswerten Signalverschlechterungen oder -verlusten kommt. Dies ermöglicht ihren Einsatz an abgelegenen Standorten oder zur Überwachung sehr großer Bauwerke.
Kompakt und leicht	Fasersensoren sind klein und leicht, sodass sie sich leicht installieren und in eine Vielzahl von Systemen integrieren lassen.
Geringer Stromverbrauch	Fasersensoren benötigen nur sehr wenig Strom, wodurch sie sich ideal für Anwendungen an schwer zugänglichen Orten und für mobile Einsätze eignen, bei denen die Stromversorgung begrenzt ist.
Multiplex-Fähigkeit	Mehrere Fasersensoren können auf einer einzigen Faser multiplexiert werden, wodurch mehrere verschiedene Parameter gleichzeitig gemessen werden können.
Hohe Geschwindigkeit	Fasersensoren bieten eine hohe Bandbreite und kurze Reaktionszeiten, wodurch sie sich für dynamische Messungen und Echtzeit-Steuerungsanwendungen eignen.

Diese Kombination aus vorteilhaften Betriebseigenschaften und dem breiten Spektrum an physikalischen Eigenschaften, die Fasersensoren messen können, ermöglicht ihren Einsatz für eine Vielzahl von Aufgaben in zahlreichen verschiedenen Branchen und Anwendungsbereichen. Zu den wichtigsten zählen:

Zustandsüberwachung von Bauwerken und Luft- und Raumfahrtkonstruktionen wie Brücken, Dämmen, Gebäuden, Rohrleitungen und Flugzeugen. Die Sensoren können Schäden, Verformungen oder Schwingungen erkennen.
Umweltmessungen, wie beispielsweise die Überwachung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und der Konzentration verschiedener chemischer Stoffe in Luft oder Wasser.
Medizinische Diagnostik, einschließlich der Messung von Blutzucker-, Blutsauerstoff- oder pH-Werten in vivo.
Überwachung und Steuerung industrieller Prozesse. Dazu kann die Messung des Füllstands, des Durchflusses oder der Zusammensetzung von Flüssigkeiten oder Gasen in Rohrleitungen oder Reaktoren gehören.
Verteidigung und Sicherheit. Fasersensoren können eingesetzt werden, um unbefugtes Eindringen, die Verschiebung von Objekten oder Bauwerken sowie seismische Aktivitäten in Grenz- oder Militäranlagen zu erkennen.

Die derzeit verwendeten Arten von Fasersensoren – ihre Funktionsprinzipien und genauen Umsetzungsmethoden – sind so vielfältig, wie es die eben aufgeführten Anwendungsbereiche vermuten lassen. Im Wesentlichen beruhen sie jedoch alle auf demselben Grundprinzip. Das heißt, Licht wird in eine optische Faser eingeleitet und breitet sich durch diese aus. Dann bewirkt eine Eigenschaft des physikalischen, chemischen oder biologischen Mediums, das die Faser umgibt, eine Veränderung des Lichts, die erfasst werden kann. Diese Veränderung kann in der Intensität, der Phase, Wellenlänge oder dem Polarisationszustand des Lichts (oder einer Kombination davon) sowie in den Streueigenschaften der Faser selbst bestehen. Es lohnt sich, jeden dieser Sensormechanismen im Detail zu betrachten.

Wellenlänge Sensoren

Wellenlänge Sensoren – insbesondere solche, die Faser-Bragg-Gitter FBGs) nutzen – gehören zu den beliebtesten und am weitesten verbreiteten Typen. Ein FBG ist eine periodische Modulation des Brechungsindex im Kern Brechungsindex der Faserachse. Das FBG wird bei der Herstellung in die Faser „eingeschrieben“. Dieses periodische Muster erzeugt ein Bragg-Gitter, das einen bestimmten, kleinen Wellenlängenbereich reflektiert.

Eine Anwendungsmöglichkeit von FBGs ist die Herstellung eines „verteilten“ Sensors. Dabei wird eine Reihe von FBGs – von denen jedes so ausgelegt ist, dass es eine leicht unterschiedliche Wellenlänge reflektiert Wellenlänge an verschiedenen Stellen entlang einer einzigen Faser aufgebracht. Wenn Licht durch die Faser läuft, reflektiert jedes FBG einen Teil davon zurück zur Quelle. Lokale Änderungen der Temperatur oder der mechanischen Belastung in der Struktur verändern die Periode des nahegelegenen FBG und verschieben somit die Wellenlänge reflektiert. Die Messung dieser Wellenlänge liefert somit räumlich aufgelöste Informationen über die Belastung und Temperatur entlang der Faser. Ein Fasersensor kann in eine große Struktur wie einen Damm oder eine Brücke eingebettet werden.

In einem verteilten Fasersensor reflektiert eine Reihe von FBGs entlang der Faser jeweils einen schmalen Wellenlängenbereich zurück. Lokale Temperaturänderungen oder mechanische Belastungen verschieben die Wellenlänge nahegelegenen FBGs. Durch die Analyse der Wellenlängen des zurückgeworfenen Lichts lässt sich feststellen, welcher Sensor gestört wurde und in welchem Ausmaß.

Abbildung 1. Ineinem verteilten Fasersensor reflektiert eine Reihe von FBGs entlang der Faser jeweils einen schmalen Wellenlängenbereich zurück. Lokale Temperaturänderungen oder mechanische Beanspruchungen verschieben die Wellenlänge nahegelegenen FBGs. Durch die Analyse der Wellenlängen des zurückgeworfenen Lichts lässt sich feststellen, welcher Sensor gestört wurde und in welchem Ausmaß.

Wellenlänge Fasersensoren bilden auch die Grundlage für eine Reihe verschiedener 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 auf eine externe Optik am Ausgangsende der Faser aufgebracht.

Nur eine ganz bestimmte Wellenlänge die Schwingung von Plasmonen an der Grenzfläche zwischen Metall und Dielektrikum Wellenlänge . Diese Wellenlänge weniger stark reflektiert als andere Wellenlängen. Diese Wellenlänge sehr empfindlich auf den Brechungsindex Metallschicht.

Zur Herstellung eines Biosensors wird die Metallschicht „funktionalisiert“, d. h. mit einem Biomolekül (oder sogar Bakterien) beschichtet, das bevorzugt an einen bestimmten Zielanalyten bindet oder diesen aufnimmt. Wenn sich Analytmoleküle an die Sensoroberfläche binden, verändern sie deren Brechungsindex. Dadurch verschiebt sich die Wellenlänge. Die Analyse der Wellenlänge durchgelassenen Lichts liefert somit einen hochempfindlichen Maßstab für die Konzentration des Zielmoleküls.

Faser-Biosensoren bieten zahlreiche Vorteile, darunter eine hohe Messgeschwindigkeit und eine hohe Empfindlichkeit. Sie erfordern keine „Markierung“ des Analyten. Daher kommen sie in zahlreichen medizinischen Diagnoseverfahren, in der biomedizinischen Forschung und der Arzneimittelentwicklung sowie sogar in der Landwirtschaft und der Lebensmittelverarbeitung zum Einsatz.

Phasenbasierte Sensoren

Phasenbasierte Sensoren sind meist faseroptische Interferometer. Diese messen die Phasenverschiebung, die in einer optischen Faser oder einem externen optischen Resonator aufgrund einer Veränderung im umgebenden Medium hervorgerufen wird. Es sind viele verschiedene Interferometer möglich. Am weitesten verbreitet sind die Mach-Zehnder-, Michelson- und Fabry-Pérot-Interferometer.

Genau wie ihre traditionellen Pendants im freien Raum teilen sowohl das Mach-Zehnder- als auch das Michelson-Interferometer den Strahl in zwei Pfade auf – einen Referenzarm und einen Messarm. Nur der Messarm wird dem Signal ausgesetzt. Änderungen der physikalischen Länge oder Brechungsindex des Messarms verursachen eine relative Phasenverschiebung zwischen den Pfaden, die am Detektor ein Interferenzstreifenmuster erzeugt. Dies liefert das Messsignal.

Das Interferometer die Faser, um Licht in ein Etalon (zwei parallele, hochreflektierende Oberflächen, die einen bestimmten Abstand voneinander haben) zu leiten, das sich am Messpunkt befindet. Schwankungen der optischen Weglänge innerhalb des Fabry-Perot-Resonators, verursacht durch Vibrationen, Druck, Temperatur oder Brechungsindex aufgrund von in den Resonator eindringendem Gas oder Flüssigkeit), verändern das Interferenzstreifenmuster. Dieses Signal wandert durch die Faser zurück zum Ausgangspunkt, wo es erfasst wird. Diese Methode wird häufig zur Messung des Drucks in Gas- oder Ölpipelines oder zur Überwachung der Dehnung oder Temperatur von Verbundwerkstoffen eingesetzt.

Das faseroptische Gyroskop ist eine weitere Art von phasenbasiertem Fasersensor. In diesem Fall ist die Faser zu einer eng gewickelten Spule geformt. Die Lichtquelle wird zunächst in zwei Strahlen aufgeteilt und dann in die gegenüberliegenden Enden der Faser eingekoppelt.

Dreht sich die Spule um ihre eigene Achse, kommt es zu einer Phasenverschiebung zwischen den beiden Strahlen. Dies wird als Sagnac-Effekt bezeichnet. Wenn die beiden Strahlen aus der Faser austreten, werden sie wieder vereinigt. Jede Phasenverschiebung erzeugt Interferenzstreifen im vereinigten Strahl. Dieses Muster wird vom Detektor erfasst, um die Winkelgeschwindigkeit der Drehung zu bestimmen.

Polarisationsbasierte Sensoren

Die meisten polarisationsbasierten Sensoren funktionieren so, dass polarisiertes Licht in einem Winkel von 45° zur Achse einer polarisationserhaltenden optischen Faser eingeleitet wird. Anschließend kann alles im zu prüfenden Bauteil, was die Doppelbrechung der Faser beeinflusst – typischerweise Temperaturschwankungen oder mechanische Beanspruchung –, mithilfe eines Polarisationsanalysators am Ausgang der Faser erfasst werden. Viele Fasersensoren zur Strukturüberwachung basieren auf diesem Prinzip.

Polarisationsbasierte Sensoren können auch zur Erfassung von elektrischem Strom eingesetzt werden. Diese basieren auf dem Faraday-Effekt, der bei Vorhandensein eines Magnetfelds eine Drehung der Polarisationsebene des Lichts bewirkt. Dies kann daher zur Messung des durch einen elektrischen Strom erzeugten Magnetfelds genutzt werden. Faserstromsensoren bieten gegenüber herkömmlichen Sensortypen mehrere Vorteile, darunter eine schnelle Ansprechzeit, hohe Genauigkeit sowie geringe Größe und geringes Gewicht.

Intensitätsbasierte Sensoren

Intensitätsbasierte Fasersensoren waren tatsächlich die ersten Sensoren, die jemals entwickelt wurden. Sie nutzen eine Änderung der Intensität des durchgelassenen oder reflektierten Lichts, um eine Messung durchzuführen.

Ein einfacher, auf der Lichtintensität basierender Sensor entsteht, indem eine gekrümmte Glasfaser in eine Struktur oder ein mechanisches Bauteil eingebettet wird. Veränderungen des Krümmungsradius beeinflussen den Lichtverlust in der Faser. Somit führt alles, was eine Maßänderung des Objekts bewirkt – Druck, Beschleunigung, Bewegung, thermische Ausdehnung –, zu einer Verformung der Faser und erzeugt ein Signal.

Eine weitere Möglichkeit, eine Intensitätsänderung zu erzeugen, besteht darin, die Totalreflexion zu unterbinden oder zu verringern, auf die die Faser zur Lichtübertragung angewiesen ist. Dies geschieht in der Regel, wenn eine Brechungsindex im umgebenden Medium mit dem evaneszenten Feld interagiert, das den Faserkern umgibt. Typischerweise wird dazu ein Teil des Mantels über eine bestimmte Länge der Faser entfernt, wodurch das evaneszente Feld in das die Faser umgebende Medium eindringen kann. Jede Änderung des Brechungsindex dieses Mediums Brechungsindex dann die Übertragungseigenschaften der Faser. Dies kann zur Erfassung von Flüssigkeitsständen oder als Gassensor genutzt werden.

Obwohl intensitätsbasierte Sensoren im Allgemeinen einfacher aufgebaut und daher kostengünstiger sind als andere Typen, finden sie heute keine breite Anwendung. Das Problem besteht darin, dass alles, was eine Änderung der optischen Leistung bewirkt, einen Messwert erzeugt. Zwar lässt sich dies durch ein Referenzsystem minimieren, doch ist es schwierig, Störsignale und Fehlmessungen bei diesen Sensoren vollständig zu beseitigen.

Streuungsbasierte Sensoren

Eine Vielzahl unterschiedlicher Messverfahren basiert auf der Brillouin- und Raman-Streuung innerhalb einer optischen Faser. Diese werden in Kombination mit der optischen Zeitbereichsreflektometrie (OTDR) eingesetzt.

Die Brillouin-Streuung entsteht durch die Wechselwirkung von Licht mit akustischen Moden in einem Medium. Die Wellenlänge der Brillouin-Streuung hängt stark vom Brechungsindex Materials ab. Dadurch reagiert sie empfindlich auf Temperatur- oder Druckänderungen im umgebenden Medium.

Zur Realisierung eines auf dem Brillouin-Effekt basierenden Sensors wird ein Lichtimpuls durch die Faser gesendet. Das Spektrum des zurückkehrenden Lichts wird kontinuierlich analysiert. Die Zeitverzögerung einer durch Brillouin-Streuung verursachten Verschiebung im Spektrum gibt Aufschluss darüber, an welcher Stelle entlang der Faser die Streuung stattfand, und damit über den Ort des Ereignisses, das sie ausgelöst hat.

Raman-Streuung tritt auf, wenn Licht mit molekularen Schwingungen in der Faser in Wechselwirkung tritt. Das Raman-Signal hängt ausschließlich von der Temperatur ab. Die Raman-Messung wird ähnlich wie die Brillouin-Messung durchgeführt. Konkret wird ein Lichtimpuls durch die Faser gesendet und das Spektrum des zurückkehrenden Lichts als Funktion der Zeit analysiert.

Der große Vorteil von Sensoren, die auf Streuung basieren, besteht darin, dass sie eine inhärente Eigenschaft jeder Quarzglasfaser nutzen. Das bedeutet, dass sie unter Verwendung kostengünstiger, handelsüblicher optische Fasern hergestellt werden können. Zudem können beide Streutechniken über sehr große Entfernungen – mehrere Dutzend Kilometer – eingesetzt werden. Dies macht sie besonders nützlich für die Überwachung großer oder langgestreckter Strukturen.

Insgesamt eignen sich Fasersensoren aufgrund ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und betrieblichen Vorteile hervorragend für ein breites Spektrum an Anwendungen. Die kontinuierlichen technologischen Fortschritte werden ihren Einsatz in Bereichen wie der Zustandsüberwachung von Bauwerken, der Öl- und Gasförderung, der biomedizinischen Sensorik, der Umweltüberwachung, der Überwachung industrieller Prozesse und vielen anderen sicherlich weiter ausbauen.