Die Messung der Temperatur ist eine der häufigsten Messungen in der Wissenschaft und Technik. Faseroptische Sensoren gewinnen dabei zunehmend an Bedeutung, da konventionelle Messtechnologie für Temperatur-, Dehnungs- und Schwingungsmessung bei spezifischen Praxisanforderungen immer wieder an Grenzen stoßen. Grenzbereiche entstehen, z.B. bei spezifischen Anforderungen wie extreme Umweltlasten, geringes Einbauvolumen, geringe Masse, geringe Maße, große Messbereiche und lange Übertragungsstrecken.
Messtechnologien, die im Gegensatz zur Elektronik mit Licht als Übertragungsmedium der physikalischen Messgröße arbeiten, bieten hier entscheidende Vorteile. Bei den vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten beim Messen mit Licht stechen vor allem die faseroptischen Sensoren (FOS) deutlich hervor.
FOS nutzen entscheidende Eigenschaften sowohl von Glasfasern und von Licht:
- beide werden weder durch HF- oder Mikrowellen noch durch starke Magnetfelder beeinflusst
- beide können problemlos durch Hochspannungsanlagen oder Ex- Schutzbereiche geführt werden
- beiden können aggressive Materialien nichts anhaben. Die faseroptische Temperaturmessung bietet die Chance, Temperaturen auch dort präzise zu messen, wo dies bisher noch nicht möglich war
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung und Zielsetzung
1.1. Einführung
1.2. Zielsetzung
2. Faseroptische Sensoren
2.1. Prinzipien
2.2. Struktureller Aufbau faseroptischer Sensoren
2.3. Der Fabry-Pérot-Sensor
2.3.1. Prinzipielle Wirkungsweise des FPS
2.3.2. Stand der Technik bei faseroptischen Fabry – Perot – Sensoren
2.3.3. FPS als Temperatursensor
2.3.4. Anwendungsbeispiel Holztrocknung mit FPS
2.4. Faser-Bragg-Gitter-Sensor
2.4.1. Temperaturmessung mit dem Faser – Bragg Sensor
2.4.2. Anwendungsgebiete von Faser Bragg Temperatursensoren
2.5. Thermolumineszenz
2.5.1. Grundlagen der Thermolumineszenz in der Temperaturmessung
2.5.2. Thermolumineszenz bei Luxtron
2.5.3. Umwelttechnik
2.5.4. Medizintechnik
3. Überblick über die aktuelle Marktsituation
3.1. Marktentwicklung
3.2. Hersteller von FOS
4. Fazit und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht den aktuellen Stand der Technik von faseroptischen Sensoren (FOS) zur Temperaturmessung an einem Messpunkt. Ziel ist es, die Funktionsweise zu erläutern, Haupanwendungsgebiete aufzuzeigen und die ökonomische Relevanz sowie zukünftige Marktentwicklungen zu analysieren.
- Funktionsweise und Aufbau verschiedener FOS-Typen (Fabry-Pérot, Faser-Bragg-Gitter, Thermolumineszenz).
- Technische Vorteile faseroptischer Messtechnik gegenüber konventionellen Verfahren.
- Anwendungsbeispiele in Industrie, Medizintechnik und Energiewirtschaft.
- Marktanalyse und ökonomische Betrachtung der FOS-Branche.
Auszug aus dem Buch
2.4. Faser-Bragg-Gitter-Sensor
“Faser-Bragg-Gitter (FBG) bestehen aus einer periodischen Brechzahländerung im Kern der Lichtleitfaser mit Gitterperioden im Submikrometerbereich und typischen Längen von einigen Millimetern. Erzeugt werden sie durch seitliche Belichtung von fotoempfindlichen dotierten Quarzglasfasern mit intensiver UV-Laserstrahlung unter Nutzung von Phasenmasken oder geeigneter Interferenzmuster.“ 7
Faser-Bragg-Gitter wirken als schmalbandige spektraloptische Filter, die Licht einer bestimmten Wellenlänge reflektieren. Die Bragg-Wellenlänge wird durch die Gitterperiode und den effektiven Brechungsindex der Faser bestimmt und ist demzufolge von der mechanischen Dehnung und der Temperatur des Fasergitters abhängig. Die Änderung der Bragg-Wellenlänge wird spektraloptisch ausgewertet, wobei bei typischen Temperaturempfindlichkeiten von 10 pm/K und einer spektralen Auflösung von 1pm die Temperatur auf 0,1 K genau bestimmt werden kann. Die relative Dehnungsempfindlichkeit beträgt etwa 1 pm je Mikrometer/Meter Dehnung.
Durch definierte Änderung der Gitterperiode beim Einschreibprozess können Sensorarrays für den Multiplexbetrieb realisiert werden. Zum Auslesen der FBGs werden diese mit einer breitbandigen Lichtquelle beleuchtet und die vom Gitter reflektierten Anteile mittels eines Polychromators gleichzeitig ausgewertet.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einführung und Zielsetzung: Hier werden die zunehmende Bedeutung faseroptischer Sensoren aufgrund von Problemen konventioneller Technik sowie das Ziel der Arbeit dargelegt.
2. Faseroptische Sensoren: Dieses Kapitel erläutert die Funktionsprinzipien sowie spezifische Sensorbauarten wie den Fabry-Pérot-Sensor, Faser-Bragg-Gitter und Thermolumineszenz-Sensoren mit ihren jeweiligen Einsatzgebieten.
3. Überblick über die aktuelle Marktsituation: Dieser Abschnitt analysiert das Marktvolumen, Wachstumspotenziale sowie die wichtigsten Hersteller von FOS.
4. Fazit und Ausblick: Das Fazit fasst die Vorteile der Technologie zusammen und prognostiziert eine steigende Bedeutung der Faseroptik trotz aktuell noch dominierender konventioneller Technik.
Schlüsselwörter
Faseroptische Sensoren, Temperaturmessung, Fabry-Pérot-Sensor, Faser-Bragg-Gitter, Thermolumineszenz, Lichtwellenleiter, Glasfasersensoren, Sensornetzwerke, Marktentwicklung, Hochleistungstransformatoren, Medizintechnik, Umwelttechnik, optische Messtechnik, Multiplexbetrieb, Echtzeitüberwachung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Seminararbeit grundlegend?
Die Arbeit behandelt den Einsatz und die Funktionsweise faseroptischer Sensoren (FOS) zur hochpräzisen Temperaturmessung an spezifischen Messpunkten.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die zentralen Themen umfassen die physikalischen Wirkprinzipien der Sensorik, spezifische Sensortechnologien sowie deren praktische Anwendungsgebiete und ökonomische Marktsituation.
Welches primäre Ziel verfolgt die Arbeit?
Ziel ist die Feststellung des aktuellen Stands der Technik bei FOS, die Verdeutlichung ihrer grundsätzlichen Funktionsweise und die Analyse der sinnvollsten Einsatzszenarien in der Praxis.
Welche wissenschaftliche Methode wird primär verwendet?
Es handelt sich um eine strukturierte Literatur- und Technikrecherche, die auf aktuellen Forschungsberichten, Fachpublikationen und Herstellerdaten basiert.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Vorstellung der Sensorprinzipien (Fabry-Pérot, FBG, Thermolumineszenz) und die Analyse von Anwendungsbeispielen sowie der Marktentwicklung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Faseroptische Sensoren, Temperaturmessung, FBG, Marktentwicklung und optische Messtechnik charakterisiert.
Warum sind faseroptische Sensoren resistent gegenüber elektromagnetischen Störungen?
Da FOS Licht als Übertragungsmedium anstelle von elektrischen Signalen nutzen, sind sie immun gegen Einflüsse durch HF-, Mikrowellen- oder starke Magnetfelder.
Was unterscheidet das Fabry-Perot-Prinzip von der Thermolumineszenz?
Das Fabry-Perot-Prinzip basiert auf einem optischen Resonator, dessen Länge sich durch Temperaturänderungen beeinflussen lässt, während Thermolumineszenz das zeitliche Abklingverhalten eines fluoreszierenden Materials zur Temperaturbestimmung nutzt.
Welchen Vorteil bietet der Multiplexbetrieb bei Faser-Bragg-Gittern?
Der Multiplexbetrieb ermöglicht es, mehrere Messsignale gleichzeitig über eine einzige optische Leitung zu erfassen und auszuwerten, was die Komplexität bei großen Sensornetzwerken deutlich reduziert.
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- Markus Schneider (Author), 2010, Temperaturmessung mit faseroptischen Temperatursensoren für einen Messpunkt, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/159320
