DE102007058567B3

DE102007058567B3 - Anordnung für die optische Überwachung und/oder Bestimmung physikalischer und/oder chemischer Messgrößen

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Publication number: DE102007058567B3
Application number: DE102007058567A
Authority: DE
Inventors: Bernd Prof. Dr. Wilhelmi; Jürgen Prof. Dr. Schreiber; Dieter Prof. Dr. Nebel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: WO2009068023A2; EP2215458A2; WO2009068023A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung für die Überwachung und/oder Bestimmung physikalischer und/oder chemischer Messgrößen, bei der elektromagnetische Strahlung von mindestens einer Strahlungsquelle emittiert und durch eine optische Faser auf mindestens einen optischen Detektor gerichtet wird. Aufgabe der Erfindung ist es, Möglichkeiten für eine vereinfachte, kostengünstigere und zuverlässigere optische Detektion physikalischer und/oder chemischer Einflüsse bzw. Messgrößen vorzuschlagen. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird elektromagnetische Strahlung von einer Strahlungsquelle durch eine optische Faser auf einen optischen Detektor gerichtet. An der optischen Faser ist mindestens ein sensitiver Bereich vorhanden, in dem der Werkstoff der optischen Faser durch einen Stoff oder ein Stoffgemisch, der/das zumindest im Bereich einer Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung optisch transparent ist, ersetzt worden ist. Bei mindestens einer Messtemperatur und/oder Messwellenlänge weist dieser gleiche optische Brechzahl, wie der ersetzte Werkstoff auf oder die Abweichung der optischen Brechzahl des Stoffs oder Stoffgemischs ist kleiner als die Differenz der optischen Brechzahlen des Kerns und des Mantels der optischen Faser und am sensitiven Bereich tritt eine Änderung der komplexen Brechzahl, durch eine Modifizierung des Stoffs oder des Stoffgemischs in Folge des auf die optische Faser wirkenden physikalischen und/oder chemischen Einflusses sowie eine ...

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung für die Überwachung und/oder Bestimmung physikalischer und/oder chemischer Messgrößen, bei der elektromagnetische Strahlung von mindestens einer Strahlungsquelle emittiert und durch eine optische Faser auf mindestens einen optischen Detektor gerichtet wird. Sie kann dabei insbesondere für eine zerstörungsfreie Zustandsüberwachung, beispielsweise „structural health monitoring" (nachfolgend SHM) von langlebigen, auch großformatigen bzw. komplexen Geräten, technischen Anlagen, Verkehrs- und Transportmitteln sowie Hoch- und Tiefbauwerken eingesetzt werden. Es können korrosive Einflüsse oder Schädigungen bzw. Defekte sowie Veränderungen bei Umgebungsbedingungen erkannt und erfasst werden.
Dies kann über lange Zeiträume, kontinuierlich aber auch in vorgegebenen Zeitintervallen zuverlässig erfolgen. Insbesondere unter dem Aspekt der Unempfindlichkeit gegenüber Einflüssen von elektromagnetischen Feldern haben sich optische Systeme mit optischen Fasern vielfältige Anwendungen erschlossen.
Es können auch Messsignale störungsfrei überlagert und verlustlos getrennt werden. Messsignale können gleichzeitig an verschiedenen Positionen detektiert und lokalisiert erfasst werden.
Bisher können sie für die Bestimmung von Einflüssen verschiedenster Einflüsse eingesetzt werden, wobei jeweils eine Anpassung an zu bestimmende Einflüsse oder Messgrößen erfolgen muss.
Häufig werden Faser-Bragg-Gitter-Sensoren eingesetzt. Dabei sind Bereiche einer optischen Faser in Form eines Bragg-Gitters, die längs der Faserachse eine periodische Modulation der optischen Brechzahlen aufweisen und eine bestimmte für eine Wellenlänge ausgelegte Gitterperiode aufweisen, vorhanden. Solche Bragg-Gitter aufweisenden optischen Fasersensoren sind primär für die Messung von Temperatur und mechanischer Spannungen im Bereich des Gitters geeignet. Ihre Nutzung für die Messung anderer Parameter ist extrem aufwändig und kostenintensiv, was insbesondere bei einer Bestimmung oder Überwachung von Korrosion oder Korrosionsprodukten der Fall ist.
Neben anderen ist es auch aus DE 196 30 181 C2 bekannt optische Fasern mit Bragg-Gittern einzusetzen. Dabei soll die jeweilige optische Faser im Bereich, in dem ein Bragg-Gitter ausgebildet ist, so abgedünnt werden, dass eine optische Grenzfläche vorliegt an der ein evanescentes Feld ausgebildet werden kann. Darauf wiederum kann eine Schicht aufgebracht werden, die sich bei verändernden Umgebungsbedingungen, insbesondere die Feuchtigkeit, ebenfalls verändert und dadurch wiederum eine Änderung des periodischen Brechzahlverlaufes im Bereich des Bragg-Gitters hervorgerufen wird. Diese Modifikationen führen im allgemeinen zu hohen zusätzlichen Strahlungsverlusten, was zu einer Reduzierung der Nachweisempfindlichkeit führt. Außerdem wird dadurch die Anzahl der möglichen Detektionspositionen an eine optischen Faser reduziert.
Aus DE 10 2004 052 932 B4 ist ein Sensorfeld zum Erzeugen von optischen Signalen mit mehreren lichtleitenden Strukturen und mindestens einem Lichteingang zur Einkopplung von Licht bekannt.
Die WO 2006/116590 A1 betrifft optische Fasersensoren mit räumlicher Auflösung mit einer sensitiven optischen Faser, einer Lichtquelle, einer Spannungsversorgung, Detektoren, Signalverarbeitungsmitteln und einem Display. An der optischen Faser ist mindestens ein sensitiver Bereich vorhanden.
US 6,956,982 betrifft eine integrierte Lichtleiteranordnung mit einer lichtleitenden Kernschicht, einer Pufferschicht und einer aktiven oder Claddingschicht.
Desweiteren ist in DE 196 30 181 C2 ein kompakter Lichtleitfasersensor zur Detektion chemischer oder biochemischer Substanzen bekannt, der mit einem Bragg-Gitter versehen ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten für eine vereinfachte, kostengünstigere und zuverlässige re optische Detektion physikalischer und/oder chemischer Einflüsse bzw. Messgrößen vorzuschlagen, bei denen auf den Einsatz von Bragg-Gittern verzichtet werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist besonders für ein SHM geeignet.
Analog zu bekannten technischen Lösungen wird von einer Strahlungsquelle emittierte elektromagnetische Strahlung durch eine optische Faser gerichtet und dabei transmittierte und/oder reflektierte elektromagnetische Strahlung mit mindestens einem optischen Detektor erfasst. An der jeweiligen optischen Faser ist dabei erfindungsgemäß mindestens ein sensitiver Be reich ausgebildet. Dort wurde Werkstoff des Kerns und/oder des Mantels der optischen Faser entfernt und durch einen Stoff oder ein Stoffgemisch ersetzt. Der Stoff oder das Stoffgemisch sind dabei zumindest im Bereich einer Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung optisch transparent. Der Stoff oder das Stoffgemisch sind so ausgewählt, dass eine Änderung der komplexen Brechzahl durch eine Modifizierung in Folge eines auf die optische Faser wirkenden physikalischen und/oder chemischen Einflusses auftritt und dadurch wiederum eine Veränderung der Transmission und/oder Reflexion der elektromagnetischen Strahlung innerhalb der optischen Faser auftritt, die mit dem mindestens einen optischen Detektor erfasst werden kann. So können sich die optische Brechzahl und/oder die Absorptionskonstante des Stoffes oder Stoffgemisches verändern.
In unbeeinflusstem Zustand und bei mindestens einer möglichen Messtemperatur und/oder Messwellenlänge sollte die optische Brechzahl des Stoffs oder Stoffgemischs mit der optischen Brechzahl des ersetzten Werkstoffs der optischen Faser übereinstimmen oder die Abweichung der optischen Brechzahl des Stoffs oder Stoffgemischs kleiner als die Differenz der optischen Brechzahlen des Kerns und Mantels der jeweiligen optischen Faser sein. Die Abweichung sollte dabei möglichst mindestens zweifach kleiner als die Differenz der optischen Brechzahlen von Kern und Mantel sein.
Verändert sich durch einen auf einen sensitiven Bereich wirkenden Einfluss die komplexe Brechzahl kann es einmal zu einem veränderten Reflexionsverhalten an Grenzflächen zwischen Faserwerkstoff und Stoff bzw. Stoffgemisch kommen, so dass mit dem/den optischen Detektor(en) veränderte Intensitäten erfasst werden können.
Allein oder zusätzlich kann aber auch elektromagnetische Strahlung vom Stoff oder Stoffgemisch absorbiert werden, so dass die Transmission stark beeinflusst und ebenfalls veränderte Intensitäten der elektromagnetischen Strahlung detektiert werden können.
In an sich bekannter Weise kann unmodulierte, modulierte und gepulste elektromagnetische Strahlung eingesetzt werden. Bei gepulster und/oder modulierter elektromagnetischer Strahlung besteht die Möglichkeit, über Laufzeitbestimmung die jeweilige Position des jeweiligen sensitiven Bereichs an einer optischen Faser zu bestimmen, was insbesondere dann von Interesse ist, wenn an einer optischen Faser viele sensitive Bereiche vorhanden sind, die so voneinander unterschieden werden können. So kann auch eine Lokalisierung/Positionsbestimmung des einwirkenden Einflusses ermöglicht werden. Dies kann auch durch Bestimmung von Reflexion und Transmission in den beiden möglichen Richtungen bei kontinuierlicher Einstrahlung mit stark reduzierter Lokalisierbarkeit erreicht werden.
So können bei der Erfindung an sich bekannte Grundanordnungen eingesetzt werden. Dies betrifft die Anordnung von Strahlungsquellen und Detektoren an den jeweiligen Faserenden an denen die elektromagnetische Strahlung ein- und wieder ausgekoppelt werden kann. Bevorzugt ist ein Einstrahlen von zwei Seiten, wodurch die Messgenauigkeit erhöht werden kann.
Der jeweilige Stoff oder das Stoffgemisch kann dabei in Bereiche eingebracht werden, aus denen vorher Fa serwerkstoff entfernt worden ist. Dabei kann ein Abtrag von Faserwerkstoff beispielsweise auf geeignete mechanische Weise aber auch durch Laserstrahlung, Ionen- oder Elektronenstrahlung oder durch eine Ätztechnik erfolgen. Es können Bohrungen, Vertiefungen oder ein Hohlraum ausgebildet werden. Bohrungen können als Durchgangsbohrung durch Mantel und Kern aber auch in Form von Sacklöchern ausgebildet werden. Der abgetragene Faserwerkstoff kann dann durch Be- oder Ausfüllen teilweise oder vollständig durch den jeweiligen Stoff oder das Stoffgemisch ersetzt werden.
Wirkt dann ein Einfluss auf einen jeweiligen Bereich kann sich der Stoff oder das Stoffgemisch in Folge Modifikation verändern. Dies kann beispielsweise eine chemische Reaktion, eine Strukturänderung (Gitter, Kristallisation, Gelbildung), Aufnahme eines Fluids in Poren bzw. durch ein Eindiffundieren oder durch Quellen bzw. auch ein in Lösung gehen sein.
Je nach erfolgter Modifikation und unter Berücksichtigung des jeweils gewählten Stoffs oder Stoffgemischs können diese Veränderungen reversibel oder auch irreversibel sein. Durch diese Modifikation ändert sich im allgemeinen die komplexe optische Brechzahl in dem jeweiligen sensitiven Bereich je nach Wellenlänge der ausgelesenen/ausgewerteten elektromagnetischen Strahlung mehr oder weniger.
Für den Nachweis von aufgetretener Korrosion oder aufgetretener Korrosionsgefahr auch über lange Zeiträume, kann die Erfindung eingesetzt werden. Dabei ist es auch möglich sensitive Bereiche in bekannter Weise mit mindestens einer Schicht gegenüber der Umgebung abzudecken. Der jeweils gewählte Schichtwerkstoff kann so gewählt werden, dass er gleiches oder zumindest ähnliches Korrosionsverhalten, wie ein zu überwachendes Bauteil, ein Bauwerk oder ein Bereich davon aufweist. So kann eine Schicht aus Metall oder einer Metalllegierung auf einem sensitiven Bereich ausgebildet sein. Dies kann durch bekannte Beschichtungstechniken auch in Dünnschichttechnologie erfolgen.
Mehrere sensitive Bereiche können auch mit Schichten, die eine unterschiedliche Schichtdicke aufweisen, abgedeckt werden. Dadurch kann der zeitliche Ablauf eines Korrosionsangriffs erfasst und überwacht werden. Da die Korrosion auch den Schichtwerkstoff entsprechend angreift und dadurch der jeweilige Stoff oder das Stoffgemisch dann freigelegt wird. Nach dem Freilegen kann dann beispielsweise ein Fluid, das ggf. auch korrosiv wirkend sein kann, mit dem Stoff oder Stoffgemisch Wechselwirken. Ist beispielsweise ein für eine Flüssigkeit löslicher Stoff oder ein solches Stoffgemisch (z. B. ein Salz) im jeweiligen sensitiven Bereich eingesetzt worden, kann der in Frage kommende Bereich mit Flüssigkeit oder Luft, die den Stoff oder das Stoffgemisch dann wiederum ersetzen, zumindest teilweise gefüllt werden, wodurch eine detektierbare Änderung der Brechzahl in diesem sensitiven Bereich auftritt.
Wie bereits angedeutet können an einer optischen Faser eine Vielzahl sensitiver Bereiche vorhanden sein, die dann an vorgebbaren Positionen auch in vorgebbaren Abständen zueinander und dann auch äquidistant zueinander angeordnet sein können.
Sensitive Bereiche können mit unterschiedlichen Stoffen und/oder Stoffgemischen versehen sein, so dass auch mit einer erfindungsgemäßen Anordnung mehrere unterschiedliche Einflüsse detektiert oder erfasst werden können.
Es kann sowohl monochromatische elektromagnetische Strahlung, wie auch ein ausgewähltes Strahlungsspektrum eingesetzt werden. Es kann auch monochromatische Strahlung mit wechselnder Wellenlänge eingesetzt werden, wodurch die Sensitivität und/oder Messgenauigkeit erhöht werden kann. Unterschiedliche Einflüsse oder Defekte können auch dadurch besser erkannt werden.
Bei der Erfindung können verschiedene für die jeweilige Anwendung ausgewählte und besonders geeignete Stoffe oder Stoffgemische eingesetzt werden.
Beispielsweise können diese Bereiche mit nanoporöser Keramik (z. B. aus Al₂O₃, Si₃N₄), nanoporösen Polymeren, mit nanopörosen Pulver gefüllt werden. Die Nanoporen können dann je nach Stärke einer Einwirkung mehr oder weniger ausgefüllt werden. Ein sensitiver Bereich kann auch mit einem Flüssigkeitsgemisch oder einer löslichen Substanz, die durch äußeren Einfluss gelöst wird gefüllt sein. Ein geeigneter Stoff oder ein Stoffgemisch kann auch eine Reaktion bei Korrosion oder mit einem Korrosionsprodukt in der Umgebung eingehen, wodurch eine Veränderung der optischen Brechzahl oder des Absorptionskoeffizienten (beispielsweise gekennzeichnet durch eine Verfärbung) auftritt).
So sind auch Salze beispielsweise Natrium- und Kaliumchlorid wegen der optischen Eigenschaften und ihrer Löslichkeit geeignet.
Ein Stoff oder Stoffgemisch kann aber auch eine Mat rix bilden, in der dann Partikel eingebettet sein können. Die mittlere Partikelgröße sollte dann kleiner als die jeweils zur Bestimmung eingesetzte Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung sein. Für die Bildung der Matrix kann beispielsweise ein organisches, anorganisches oder anorganisch-organisches Hybridpolymer beispielsweise auf Siliciumbasis (so genannte Ormocere) eingesetzt werden. Darin können auch andere z. B. Partikel oder Moleküle eingebettet sein. Partikel könne auch aus einem optischen Glas, oder einem solchen Polymer gebildet sein. Es können auch Oxide, wie z. B. Titanoxid als Partikel für sensitive Bereiche eingesetzt werden.
Bei der Erfindung ist es möglich eine große Anzahl sensitiver Bereiche an einer optischen Faser vorzusehen, die wiederum jeweils voneinander getrennte Messsignale liefern, die auch sicher und ohne Verluste voneinander getrennt werden können. Es ist eine geringere Dämpfung der Signale als bei vergleichbaren bekannten Systemen erreichbar. Es ist eine Anpassung der geforderten Länge einer optischen Faser an die jeweilige Applikation möglich. Sie können bei verbesserter Sensitivität auch kürzer als vergleichbare mit Bragg-Gitter versehene sein. Bei Bedarf können aber auch sehr lange optische Fasern mit Längen oberhalb 1000 m eingesetzt werden.
Wenn alle zu überwachenden Positionen eines Objektes von der gleichen optischen Faser durchzogen werden können und wenn nur der einmalige Nachweis einer Schwellwertüberschreitung im Rahmen eines SHM nachzuweisen ist, können durchgehend irreversible Prozesse genutzt werden, die durch Akkumulation eine besonders hohe Nachweisempfindlichkeit sowie eine hohe Zuverlässigkeit und Robustheit erreichen. Mit den be schriebenen Möglichkeiten kann der erste „Fehler" detektiert und lokalisiert werden.
Bei der Erfindung können Brechzahländerungen im Bereich von 10^–1, bei Faser-Bragg-Gitter-Sensoren aber im Vergleich lediglich 10^–3 erreicht werden. So kann ggf. bereits ein sensitiver Bereich an einer optischen Faser ausreichen, um eine gewünschte Messgenauigkeit und Sicherheit mit einer erreichbaren Reflektivität (≥ 0,01) einhalten zu können.
Die mögliche maximale Anzahl sensitiver Bereiche an einer optischen Faser, die voneinander unterscheidbare Messsignale liefern können, ist lediglich durch die räumliche Auflösung der optischen Entfernungstechnik begrenzt. Mit der optischen Zeitverzögerungsreflektometrie kann eine relative Auflösung von 10^–4 erreicht werden, so dass auf einer Faserlänge von mehr als 10 m ca. 10⁴ sensitive Bereiche vorhanden sein und deren Messsignale sicher voneinander unterschiedene werden können.
So kann man bei der Langzeitüberwachung von Korrosionsschäden mit einer großen Anzahl sensitiver Bereiche, die sehr nah nebeneinander angeordnet sein können, sichere Aussagen über den Korrosionszustand erhalten. Hier wirken sich auch die beispielhaft erwähnten Schichten mit unterschiedlichen Schichtdicken, die diese abdecken, vorteilhaft aus. Die Schichten können aus dem jeweiligen korrosionsanfälligen Werkstoff, der überwacht werden soll, gebildet sein. Erst nach starker Schädigung der abdeckenden Schicht können signifikante Messsignaländerungen erfasst werden, wenn der jeweilige Stoff oder das Stoffgemisch mit der korrosiv wirkenden Umgebung in Kontakt kommen kann oder dadurch frei gesetzt wird.
Da diese Verzögerungen an unterschiedlich beschichteten sensitiven Bereichen monoton zeitversetzt in Abhängigkeit der Schichtdicke auftreten, kann der zeitliche Verlauf der Korrosionsschädigung erfasst werden. Eine erfindungsgemäße Anordnung kann dabei so ausgelegt werden, dass man eine erste Warnung erhält, wenn eine Schicht mit einer Schichtdicke d = 0,01 D durchgehend geschädigt ist und weitere Messsignale von sensitiven Bereichen mit Abdeckungen, die eine größere Schichtdicke aufweisen, zu späteren Zeitpunkten erfasst werden können. Dadurch können frühzeitig Gegenmaßnahmen bei Korrosionsangriff ergriffen werden.
Eine spektrale Selektion im Nachweis ist bei einer erfindungsgemäßen Anordnung nicht unbedingt erforderlich. Eine bestimmte spektrale Verteilung der eingesetzten elektromagnetischen Strahlung ist nicht zwingend einzuhalten, so dass in großer Mannigfaltigkeit kostengünstige technische Lösungen zur Verfügung gestellt werden können. Hierzu gehören auch solche, bei denen die Möglichkeit der freien Wahl von Messwellenlängen ausgenutzt werden können, um spektrale Eigenschaften von Defekten oder Korrosionsprodukten verfolgen zu können. Spektralvariationen können auch im Zusammenhang mit einem unterschiedlichen Dispersionsverhalten von Faserwerkstoffen und Stoff oder Stoffgemisch genutzt werden, um aus kleinen (wellenlängenabhängigen) Restreflexionen Schlüsse auf den Zustand der Anordnung bzw. der Umgebung abzuleiten.
Bei der Erfindung können optische Fasern mit einem Kern aus Glas oder auch einem Polymer eingesetzt werden. Polymerfasern lassen sich leichter bearbeiten und auch für die Erfindung modifizieren. Glasfasern erreichen höhere Festigkeiten, Stabiltitäten und Le bensdauer. Sie sind gegenüber dem Einfluss von Temperatur und mechanischer Spannung resistenter.
Je nach Einsatz und Umgebungsbedingungen (aggressive Medien) kann die entsprechende Auswahl getroffen werden. Zur Erhöhung der Sicherheit und für eine Redundanz können mehrere gleiche sensitive Bereiche vorhanden sein. Dies kann auch eine mögliche Referenzierung betreffen, um mögliche Einflüsse, wie z. B. veränderte Temperaturen und anderer Umgebungsparameter, die Einfluss auf Messsignale haben können, zu kompensieren oder eleminieren. Gerade hier wirkt sich aber die Möglichkeit der Ausbildung einer Vielzahl sensitiver Bereiche vorteilhaft aus.
Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 eine an einer erfindungsgemäßen Anordnung einsetzbare optische Faser mit unterschiedlich ausgebildeten sensitiven Bereichen im Längs- und Querschnitt an sensitiven Bereichen und
2 eine schematische Darstellung eines scheibenförmigen Elements, das an einem sensitiven Bereich eingesetzt werden kann.
Bei der in 1 gezeigten optischen Faser 1 sind zwei sensitive Bereiche 2 vorhanden. Von der optischen Faser 1 wurde Faserwerkstoff entfernt. So ist beim in 1 links angeordneten sensitiven Bereich 2 lediglich Werkstoff des Kerns 1.1 und beim dort rechts dargestellten sensitiven Bereich 2 auch Werkstoff des Mantels 1.2 entfernt worden. Dabei wurde durch die optische Faser 1 eine Durchgangsbohrung ausgebildet. Dies kann aber auch in nicht dargestellter Form ein Sackloch sein. Es können aber auch Vertiefungen mit anderen geometrischen Gestaltungen genutzt werden (ebenfalls nicht dargestellt).
Der entfernte Faserwerkstoff kann bei einer solchen Ausführung durch einen der vorab genannten Stoffe (z. B. nanoporöse Keramik) ersetzt worden sein.
Der Anteil des so veränderten Bereiches an der gesamten Querschnittsfläche von Kern 1.1 und Mantel 1.2 bestimmt zusammen mit der jeweiligen auftretenden Veränderung der optischen Brechzahl die Reflexion der elektromagnetsichen Strahlung an der jeweiligen Grenzfläche in Richtung der optischen Achse der optischen Faser 1, also der Weg, der von der elektromagnetischen Strahlung durch den Stoff oder das Stoffgemisch zurück gelegt werden muss, bestimmt gemeinsam mit der auftretenden Brechzahländerung die Änderung der Reflexion.
Um nach einem Ansprechen eines sensitiven Bereichs 2 auch weitere Reflexionen von anderen sensitiven Bereichen 2 nutzen zu können, die in Strahlungsrichtung nachfolgend angeordnet sind, darf die Reflexion an einem sensitiven Bereich 2 nicht zu hoch gewählt sein.
Dabei kann die Strahlungsenergie, die von einem nachfolgend angeordneten sensitiven Bereich 2 auf eine optischen Detektor auftrifft, wie folgt berücksichtigt werden:
Mit E₀ (Energie der elektromagnetischen Strahlung, R_zSensor Reflexion am sensitiven Bereich, R_i Reflexion am i-ten sensitiven Bereich, vor dem sensitiven Bereich, i Gesamtzahl sensitiver Bereiche, die vor dem jeweiligen sensitiven Bereich angeordnet sind).
Der Kern 1.1 der optischen Faser 1 weist, wie üblich eine höhere Brechzahl, als der Mantel 1.2 auf. Die Bohrungen sind mit einem Stoff gefüllt, der ohne Korrosionseinfluss die gleiche Brechzahl wie der Kern 1.1 aufweist. Nach Korrosionsangriff ist die Brechzahl des Stoffs zumindest insoweit verändert, dass eine Reflexion an der Grenzfläche sicher nachgewiesen werden kann.
In 2 ist ein scheibenförmiges Element 3 gezeigt, an dem ein sensitiver Bereich 2 gebildet werden kann. Dabei ist ein Sektor über einen bestimmten Winkelbereich der Kreisscheibe modifiziert, was mit den eingezeichneten Punkten im Kern- und Mantelbereich verdeutlicht worden ist. Es kann aber auch ein größerer, kleinerer Bereich oder auch der gesamte Winkelbereich des scheibenförmigen Elements 3 aus einem Stoff oder Stoffgemisch gebildet sein, der/das die gewünschte Änderung der komplexen Brechzahl im Messprozess erreichen kann. Dieser Bereich kann sich (radial) nur auf ein Messgebiet der optischen Faser 1 beschränken.
Ein solches scheibenförmiges Element 3 kann direkt in der Faser 1 ausgebildet oder in eine optische Faser 1 eingefügt werden. Dabei kann ein scheibenförmiges E lement 3 mit zwei Faserenden optischer Fasern 1 zusammen gesetzt oder gefügt sein. Das Fügen kann durch Kleben oder Verschweißung erreicht werden.
Bei gewünschten hohen Messempfindlichkeiten können auch mehrere scheibenförmige Elemente 3 nacheinander in Reihe angeordnet sein. Dabei kann ein scheibenförmiges Element 3 modifiziert oder mit einem modifizierten Sektor versehen sein und das jeweils nachfolgende scheibenförmige Element dann nicht modifiziert oder ohne modifizierten Sektor ausgebildet sein. Es können mehrere solcher Paare scheibenförmiger Elemente 3 in Form eines Stapels vorhanden sein.
Die scheibenförmigen Elemente 3 sollten dabei jeweils gleiche Dicken aufweisen, was insbesondere auf jeweils ein Paar nebeneinander angeordneter scheibenförmiger Elemente 3 zutrifft. Die scheibenförmigen Elemente 3 sollten eine Dicke aufweisen, die einem ganzzahligen Vielfachen von λ/4 (λ = λ₀/n, mit λ₀ Wellenlänge im Vakuum und n optische Brechzahl) einer vorgebbaren Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung entsprechen.
Die Gesamtdicke eines Paares scheibenförmiger Elemente sollte die Größe L = λ_B/2n_e berücksichtigen und dieser oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entsprechen.
Dadurch kann die Messempfindlichkeit erhöht und den Forderungen nach einer hohen räumlichen Auflösung entsprochen werden.
Die erfindungsgemäßen Anordnungen, die die in den Figuren gezeigten Elemente einsetzen, sind geeignet um nach einer irreversiblen Schädigung, beispielsweise durch Korrosion, wieder regeneriert zu werden. Dabei kann ggf. nach Entfernung von Resten eines Stoffs oder Stoffgemischs ein Ersatz durch erneutes Befüllen mit Stoff oder Stoffgemisch erfolgen. Dies kann gleichzeitig mit einer Beseitigung von vorab detektierter Korrosionsschäden auch vor Ort erfolgen.
Die Entfernung der Reste kann beispielsweise mit Laserstrahlung oder durch einen Ätzprozess erreicht werden.
Scheibenförmige Elemente 3 können ausgetauscht werden.

Claims

Anordnung für die optische Überwachung und/oder Bestimmung physikalischer und/oder chemischer Messgrößen, bei der elektromagnetische Strahlung von einer Strahlungsquelle durch eine optische Faser auf einen optischen Detektor gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der optischen Faser (1) mindestens ein sensitiver Bereich (2) vorhanden ist, in dem der Werkstoff des Kerns (1.1) und/oder des Mantels (1.2) der optischen Faser (1) entfernt und durch einen Stoff oder ein Stoffgemisch, der/das zumindest im Bereich einer Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung optisch transparent ist, ersetzt worden ist und dabei bei mindestens einer Messtemperatur und/oder Messwellenlänge die gleiche optische Brechzahl, wie der ersetzte Werkstoff aufweist oder die Abweichung der optischen Brechzahl des Stoffs oder Stoffgemischs kleiner als die Differenz der optischen Brechzahlen des Kerns (1.1) und des Mantels (1.2) der optischen Faser (1) ist und am sensitiven Bereich (2) eine Änderung der komplexen Brechzahl, durch eine Modifizierung des Stoffs oder des Stoffgemischs in Folge des auf die optische Faser (1) wirkenden physikalischen und/oder chemischen Einflusses sowie eine Veränderung der Transmission und/oder Reflexion der elektromagnetischen Strahlung innerhalb der optischen Faser auftreten.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sensitive Bereich am Kern (1.1) und/oder Mantel (1.2) der optischen Faser (1) ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein sensitiver Bereich (2) mit mindestens einer Schicht gegenüber der Umgebung abgedeckt ist; wobei die Schicht aus einem Werkstoff gebildet ist, der gleiches zumindest ähnliches Korrosionsverhalten, wie ein zu überwachendes Bauteil, Bauwerk oder ein Bereich davon aufweist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht(en) aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet ist/sind.
Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sensitive Bereiche (2) mit Schichten unterschiedlicher Schichtdicke und gleichem Werkstoff abgedeckt sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am/an sensitiven Bereich(en) (2) eine Bohrung, Vertiefung oder ein Hohlraum ausgebildet ist, die/der mit dem Stoff oder Stoffgemisch befüllt ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sensitive Bereich (2) mit mindestens einem scheibenförmigen Element (3) gebildet ist, das zwischen zwei optischen Fasern (1) angeordnet oder in eine optische Faser (1) integriert ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sektor des scheibenförmigen Ele ments (3) mit Möglichkeit zur Veränderung der komplexen Brechzahl, als sensitiver Bereich (2), modifiziert ist.
Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige Element (3) eine Dicke aufweist, die einem ganzzahligen Vielfachen von λ/4 einer vorgebbaren Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung entspricht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass scheibenförmige Elemente (2) mit und ohne Modifizierung alternierend nacheinander angeordnet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Stoff oder Stoffgemisch Partikel oder andere Moleküle eingebettet sind.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Partikelgröße kleiner als die jeweilige zur Bestimmung eingesetzte Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff oder das Stoffgemisch ausgewählt sind aus nanoporöser Keramik, Polymeren, Pulvern mit Partikelgrößen im Nanometerbereich und Stoffen/Stoffgemischen, die bei Korrosion oder mit Korrosionsprodukten reagieren.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sensitive Bereiche (2) mit unterschiedlichen Soffen und/oder Stoffgemischen gebildet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere sensitive Bereiche (2) äquidistant zueinander an einer optischen Faser angeordnet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Strahlungsquellen und/oder zwei Detektoren an einer optischen Faser (1) vorhanden sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung in gepulster und/oder modulierter Form durch die optische Faser (1) gerichtet ist.