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Was sind faseroptische Sensoren?
Faseroptische Sensoren (FOS) nutzen die physikalischen Eigenschaften des Lichts bei der Übertragung über eine Glasfaser, um Änderungen an ausgewählten Parametern, wie Temperatur und Dehnung, zu erkennen. Sie verwenden die Glasfaser als Messaufnehmer (Sensor), um Tausende kontinuierliche Messpunkte entlang der optischen Strecke auszuwerten. Diese Struktur ist als verteiltes faseroptisches Sensorsystem bekannt.
Die Geräte, die zu diesem Zweck die Glasfaser messen, werden als Auswertegeräte oder Interrogatoren bezeichnet. Das Ziel besteht darin, mithilfe des Raman- und/oder Brillouin-Effekts auf einer speziellen oder Standardfaser die Temperatur oder Dehnung entlang dieser Faser zu ermitteln.
Ein faseroptischer Interrogator erlaubt beispielsweise:
- zu starke Erwärmungen (Hot Spot) an Stromkabeln zu erkennen und zu lokalisieren.
- übermäßige Dehnungen an Glasfaserkabeln zu erkennen und zu lokalisieren, bevor Fasern brechen.
Nachstehend einige Anwendungsbeispiele für faseroptische Sensoren:
Funktionsweise von faseroptischen Sensoren
Wenn ein Glasfaserkabel lediglich als Übertragungsleitung zwischen einem Tester und einem externen Sensor genutzt wird, handelt es sich um ein extrinsisches System. Falls die Glasfaser jedoch selbst als Sensor dient, wird dies als intrinsisches System bezeichnet.
Der Vorteil eines intrinsischen Messaufbaus besteht darin, dass auf zusätzliche Schnittstellen zwischen der Glasfaser und den externen Sensoren verzichtet werden kann. Dadurch verringert sich die Komplexität des Gesamtsystems und die Kosten sinken. Hierfür müssen die äußeren Einwirkungen auf die Glasfaser, wie Schwankungen in der Temperatur oder der mechanischen Belastung (Dehnung), das in der Faser übertragene Lichtsignal auf messbare Weise beeinflussen. Nur dann stehen verwertbare Daten zur Verfügung.
Licht, das auf in der Glasfaser vorhandene Partikel trifft, wird gestreut. Dieser Effekt ist als Rayleigh-Streuung bekannt. Er wird bei verschiedenen Glasfaser-Testverfahren, wie bei OTDR-Messungen, genutzt. Zu diesem Zweck werden die Menge, die Wellenlänge und die Position des zum Detektor zurückgestreuten Lichts analysiert, um die Intensität und die Position von dämpfenden Ereignissen auf der Glasfaser zu bestimmen.
Auf ähnliche Weise erzeugt die Raman-Streuung im sogenannten Stokes-Band temperaturabhängige Veränderungen (Stokes-Verschiebung) in den Lichtteilchen, die zur Quelle zurückgestreut werden. Wenn man die Differenz in der Intensität des zurückgestreuten Lichts im Stokes- und Anti-Stokes-Band misst, kann man die Temperatur an jeder beliebigen Position auf der Glasfaser exakt bestimmen.
Ein ähnlicher Effekt tritt bei der Brillouin-Streuung auf. Hier wird die Wellenlänge des zurückgestreuten Lichts von der Außentemperatur und von akustischen Schwingungen auf vorhersagbare Weise beeinflusst. Diese Daten können in Verbindung mit der am gleichen Punkt gemessenen Temperatur genutzt werden, um die mechanische Belastung (Dehnung) der Glasfaser sowie die Bereiche, in denen diese Dehnung auftritt, zu ermitteln.
Verteilte faseroptische Sensorsysteme
Die Raman- und Brillouin-Streuung werden erfolgreich für verteilte faseroptische Sensoren (FOS) genutzt. Die Raman-Streuung kommt insbesondere bei der verteilten faseroptischen Temperaturmessung (Distributed Temperature Sensing, DTS) zum Einsatz, während die Brillouin-Streuung für die verteilte faseroptische Temperatur- und Dehnungsmessung (Distributed Temperature and Strain Sensing, DTSS) analysiert wird. Da diese Messungen nicht durch die optische Dämpfung auf der Glasfaser beeinflusst werden, erlauben sie, die Temperatur und die Dehnung über viele Kilometer Faserstrecke exakt zu bestimmen.
In diesem Kontext bedeutet „verteilt“ lediglich, dass die Messung nicht an einem Punkt durchgeführt wird, sondern kontinuierlich über die gesamte Länge der Faser erfolgen kann. Im Prinzip ist die Glasfaser selbst der Sensor. Da es sich hierbei um ein absolut intrinsisches Messverfahren handelt, ist es möglich, eine Standardglasfaser für Telekommunikationsanwendungen als Übertragungsmedium zu nutzen. Vorrausetzung ist jedoch, dass die erwartete Temperatur unter 100 ˚C bleibt und die Glasfaser keinen übermäßigen chemischen oder mechanischen Störeinflüssen ausgesetzt ist.
Entwicklung faseroptischer Sensoren
Vor der Einführung der Faseroptik in der Telekommunikation in den 1970er-Jahren hatte man bereits das offensichtliche Potenzial der Glasfaser für Sensoranwendungen erkannt. Bereits 1967 wurde ein photonischer Sensor als extrinsischer Glasfasersensor für berührungslose Schwingungsmessungen patentiert. Mitte der 1980er-Jahre entdeckte man dann das Funktionsprinzip des Faserkreisels (FOG), auch als faseroptischer Rotationssensor bezeichnet. Durch Messung der Phasenverschiebung der Laserlichtquelle in der Faser gelang es, die Rotationsgeschwindigkeit von Objekten exakt zu bestimmen.
Die gleichen Komponenten und Infrastrukturen, die für die faseroptische Kommunikation entwickelt wurden, wie Singlemodefasern, Koppler und Splitter, waren gleichermaßen für faseroptische Sensorsysteme geeignet. Weitere Vorteile dieser Messverfahren sind ihre Störfestigkeit gegenüber elektrischen Einflüssen sowie ihre große Reichweite und Korrosionsbeständigkeit. Obgleich die ersten intrinsischen faseroptischen Sensoren bereits in den 1970er-Jahren entwickelt wurden, kamen sie erst Anfang der 1990er-Jahre in größerem Umfang zum Einsatz, um Temperatur, Dehnung, Druck, Schwingungen und weitere Parameter zu messen. Die Öl- und Gasindustrie gehörte zu den ersten Branchen, die Ende der 1990er-Jahre die beeindruckenden Vorteile verteilter faseroptischer Sensorsysteme erkannte.
Im gleichen Zeitraum wurden die ersten Faser-Bragg-Gitter (FBG) entwickelt. Diese bestanden aus mikroskopisch kleinen optischen „Spiegeln“, die in die Faser eingeschrieben wurden. Das Funktionsprinzip wurde eher zufällig im Rahmen von Experimenten mit einer Argon-Ionen-Lichtquelle entdeckt und hat sich für mehrere Typen von faseroptischen Sensoren als nützlich erwiesen.
Die Gitter wirken als Filter, die ausgewählte Wellenlängen reflektieren. Welche Wellenlängen reflektiert werden, ist unter anderem von der Temperatur, der Dehnung und dem Druck abhängig. Auf diese Weise wird an jedem Gitter in der Faser eine spezifische Signatur erzeugt. Dieses Messprinzip wird in vielen Branchen erfolgreich eingesetzt. Allerdings erfordert es spezielle Glasfasern sowie eine sehr hochauflösende Analyse der Wellenlänge. Aufgrund der damit verbundenen hohen Kosten werden FBG-Gitter daher nicht in allen faseroptischen Sensoranwendungen verwendet.
2017 wurde die gemeinnützige Fiber Optic Sensing Association (FOSA) gegründet, um die interessierte Öffentlichkeit, Regierungen und die Industrie über die Vorteile faseroptischer Sensoren zu informieren. Die FOSA hat die zahlreichen bereits genutzten und potenziellen Vorteile dieser Technologie in informativen Materialien zusammengefasst, um den Einsatz faseroptischer Sensoren in unterschiedlichen Bereichen, wie der Erdbebenforschung, dem Kampf gegen den Menschenhandel und der Transportindustrie, zu fördern. Sie gibt wegweisenden faseroptischen Sensor-Technologien eine Stimme.
Einsatzgebiete für faseroptische Sensoren
Nachstehend folgt eine Auswahl an Anwendungen für faseroptische Sensoren (Interrogatoren).
- Optische Netzwerke: Schutz, Prüfung und Überwachung von Glasfasernetzen
- Infrastruktur-Überwachung: Die Glasfaser wird als Sensor genutzt und zur Überwachung der Infrastruktur eingesetzt. In diesem Fall wird die Glasfaser beispielsweise entlang einer kritischen Infrastrukturkomponente, wie einer Brücke, Pipeline oder einer Talsperre, installiert. Sollte an der Faser eine plötzliche Dehnung oder Bewegung auftreten oder sich die Temperatur erhöhen, wird ein entsprechender Alarm ausgelöst, um auf ein Beschädigungs- oder Ausfallrisiko hinzuweisen. Dieses Verfahren erlaubt, Zugänge, wie Türen oder Kontrollschächte, zu sichern, sodass der Betreiber bei einem unbefugten Öffnen alarmiert wird.
Die faseroptischen Interrogatoren von VIAVI bieten sich unter anderem für den Einsatz in den folgenden Infrastruktur-Überwachungslösungen an:
- Erkennen von Bodenbewegungen entlang einer Pipeline
- Erkennen von mechanischen Verformungen der Pipeline
- Erkennen und Lokalisieren von Leckstellen an Pipelines, Deichen, Dämmen und ähnlichen Objekten
- Erkennen und Lokalisieren von kritischen Punkten in optischen Telekommunikationsnetzen
- Erkennen und Lokalisieren von Hot Spots an Stromkabeln
Faseroptische Interrogatoren von VIAVI
Das von VIAVI angebotene Portfolio von faseroptischen Sensorsystemen umfasst:
- die verteilte Temperaturmessung (DTS) auf Grundlage der Raman-OTDR-Technologie.
- die verteilte Temperatur- und Dehnungsmessung (DTSS) auf Grundlage der Brillouin-OTDR-Technologie.
Regelmäßige Überprüfung der Infrastruktur
Mit einem portablen Tester, wie der Plattform MTS-8000 von VIAVI und einem DTS- oder DTSS-Modul kann der Prüfer vor Ort Feldmessungen an Glasfasern ausführen. Alternativ ist es im Rahmen der Fernüberwachung möglich, mit dem ONMSi, einer rackbasierten optischen Testeinheit (OTU) und einem DTS- oder DTSS-Modul in regelmäßigen Abständen die Glasfasern zu messen. Wenn signifikante Abweichungen von der zuvor ermittelten Referenzkurve erkannt werden, erhält der Betreiber automatisch eine Alarmmeldung.
Nachstehend ein Beispiel für eine DTSS-Messung mit Messtechnik von VIAVI:
- Als VIAVI DTSS-Interrogator kommt ein Brillouin-OTDR (BOTDR) zum Einsatz. Dieses speist einen kurzen Puls in die Glasfaser, die als faseroptischer Sensor genutzt wird, ein. Das sich zum Faserende (Vorwärtsrichtung) ausbreitende Licht erzeugt an allen Punkten entlang der Glasfaser eine Brillouin-Streuung in Rückwärtsrichtung mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen.
- Diese Wellenlängen der Brillouin-Streuung unterscheiden sich von dem in Vorwärtsrichtung einfallenden Licht und werden als „Stokes“ und „Anti-Stokes“ bezeichnet. Der Unterschied zwischen dem Pegel und der Frequenz der Stokes und Anti-Stokes der Brillouin-Streuung erlaubt eine zuverlässige Aussage über die Temperatur und Dehnung entlang der Glasfaser zu treffen.
Schnellere Reparaturen (MTTR) an kritischen Infrastrukturelementen mithilfe von Fasertests
Die Glasfaser-Überwachung löst sofort einen Alarm aus, wenn eine Veränderung erkannt wird. Das System kann ebenfalls eine geolokalisierte Landkarte anzeigen, auf dem die genaue Position des auf der Glasfaser erkannten Ereignisses automatisch eingetragen ist. Der Betreiber ist also in der Lage, den Techniker für die Prüfung der Glasfaser oder zur Reparatur jedes Mal genau an die ermittelte Fehlerstelle auszusenden. Damit wird der erhebliche Zeitaufwand vermieden, der erforderlich wäre, um die Problemstelle manuell auf der Glasfaser zu finden. Hier erfahren Sie mehr über Glasfaser-Tests.
Oder Kunden melden einen Ausfall des Dienstes, der durch einen Faserbruch verursacht wurde. Bei einem Bruch wurde das Glasfaserkabel jedoch häufig auf beiden Seiten der Schadensstelle dauerhaft gedehnt. Wenn beispielsweise ein Bagger versehentlich ein Glasfaserkabel ausgräbt, wird dieses Kabel gezogen, gezerrt und gedehnt. Die Dehnungsprüfung erlaubt dem Techniker zu ermitteln, in welchem Bereich das Kabel ausgetauscht werden muss. Auch kann der Eigentümer des Kabels den Schadensverursacher anhand des DTSS-Messprotokolls zur Rechenschaft ziehen. Das gleiche gilt für Schäden, die zum Beispiel durch Unwetter und Bäume, die Luftkabel herunterreißen, verursacht werden.
Die häufigste, jedoch am schwierigsten nachzuweisende Störung in Glasfasernetzen tritt jedoch auf, wenn die Faser zu stark gedehnt wird. Dadurch wird sie dauerhaft in die Länge gezogen und schwächer, sodass ihre Übertragungseigenschaften möglicherweise beeinträchtigt werden. In der nebenstehenden Abbildung ist ersichtlich, wie ein DTSS-Test auf der OTDR-Kurve drei Dehnungsspitzen anzeigt. An diesen drei Stellen wurde die Glasfaser beschädigt. Die Messung mit einem klassischen Rayleigh-OTDR hätte hier jedoch keine Auffälligkeiten ergeben. Die Dehnungsspitzen machen deutlich, dass die Glasfaser ausgetauscht werden muss.
Die Zukunft der faseroptischen Sensoren
Angesichts der vielfältigen und zahlreichen Vorteile, die faseroptische Sensoren heute schon verschiedenen Branchen bieten, kann man sicher davon ausgehen, dass die aktuell verfügbaren Produkte immer besser und preiswerter werden. Auch neue Einsatzgebiete werden hinzukommen. Die FOSA hat viele dieser Nutzungsfälle bereits umfassend untersucht. Dazu zählen auch faseroptische Sensoren für „Smart City“-Anwendungen, die Integration in das Internet der Dinge (IoT) sowie neue Faserausführungen speziell für anspruchsvollere Einsatzumgebungen.
Faseroptische Krümmungssensoren (Fiber Optic Shape Sensing, FOSS) sind neue Produkte, die es erlauben, über lange Faserstrecken und komplexe Geometrien exakte Echtzeit-Positionsdaten zu ermitteln. Hierfür wird die Glasfaser entweder in die betreffende Konstruktion eingebettet oder daran befestigt. So ist es möglich, die Form von Objekten, wie Windturbinen, Tunnel, Hochhäuser, kontinuierlich zu überwachen und gleichzeitig kritische Parameter, wie Temperatur und Druck, zu kontrollieren.
Auch können FOSS-Sensoren genutzt werden, um den menschlichen Körper mit neuen medizinischen Geräten zu untersuchen. Beispielsweise ist es möglich, mit dieser Technik die Position von chirurgischen Instrumenten zu überwachen, bildgebende Untersuchungsverfahren zu unterstützen und sogar Erkrankungen der Gefäße zu diagnostizieren. Die Sicherung der Landesgrenzen gewinnt ebenfalls an Bedeutung. Hier könnten neue Sensor-Technologien auch die Errichtung faseroptischer „Zäune“ ermöglichen, die illegale Grenzübertritte ohne aufwändige physische Barrieren erkennen.
Die bahnbrechenden Fortschritte in der Datenübertragung und Kommunikation, die die Glasfasertechnik erst ermöglicht hat, sind allgemein anerkannt. Das breite Spektrum an verteilten faseroptischen Sensormessungen, die auf der gleichen Technologie basieren, ist dagegen weniger gut bekannt. Mit der weiteren Vernetzung der Gesellschaft wird sich die Nachfrage nach Überwachungs- und Sicherheitsanwendungen sowie nach immer kürzeren Reaktionszeiten weiter erhöhen. Der kreative Einsatz faseroptischer Sensoren kann dazu beitragen, diese Nachfrage zu befriedigen.
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