Wie nah können sich zwei Messpunkte maximal kommen?
In der Faseroptik-Sensortechnik wird die Kennzahl „Wie nah können zwei Messpunkte beieinander liegen?“ als Räumliche Auflösung (Spatial Resolution) oder Messpunkt-Abtastintervall (Point Spacing) bezeichnet. In der praktischen Ingenieurpraxis und der physischen Realisierung hängt die minimale Distanz zwischen Messpunkten vom spezifischen Prinzip der Faseroptik-Sensortechnik und der Verkapselungsstruktur des Sensors ab.
I. Physikalische Prinzipien und technische Routenunterteilung
1. Faser-Bragg-Gitter-Sensortechnik (FBG)
Faser-Bragg-Gitter (FBG) gehören zur quasi-verteilten (punktweisen) Sensortechnik. Der Abstand zwischen Messpunkten wird sowohl durch den Herstellungs- und Nachbearbeitungsprozess des nackten Gitters als auch durch die Verkapselung bestimmt:
- Nackte FBG / Gitterketten (Bare FBGs):
Beim Aufbringen einer Gitterkette auf eine einzelne nackte Faser kann der minimale physische Abstand zwischen zwei Gitterzonen theoretisch im Millimeterbereich (im \text{mm} -Bereich) liegen. Die Länge einer einzelnen FBG-Gitterzone beträgt üblicherweise 2\text{mm} bis 10\text{mm} . Ohne eine verstärkte Verkapselung können die Ränder zweier benachbarter Gitterzonen eng aneinandergereiht werden, was eine quasi-verteilte Messung mit extrem hoher Dichte ermöglicht. - Fertige Sensoren nach Verkapselung (Packaged FBG Sensors):
Im industriellen Umfeld ist es zwingend erforderlich, FBG’s strukturell zu verkapseln (z. B. in Metallrohren, Polymeren oder Basiskartensteckplätzen), um die Faser zu schützen und eine präzise Übertragung von Verformungen oder Wärme zu gewährleisten. In diesem Fall wird der Abstand zwischen Messpunkten durch die physikalischen Abmessungen der Strukturkomponenten und die Länge der Befestigungsabschnitte begrenzt:- Aufklebbare Struktur (Surface Mount): Bei Messwiderständen zum Aufkleben kann die minimale Basislänge etwa 3.6\text{cm} betragen.
- Rohr-/Polymer-verkapselte Struktur: Da ein Dehnungs- und Befestigungsabschnitt vorgesehen werden muss, beträgt der Abstand zwischen Messsegmenten in Mehrpunkt-Sensorketten typischerweise kundenspezifisch 10\text{cm} bis 1\text{m} .
- Einschränkungen durch Wellenlängen-Multiplex-Demodulation:
Bei Verwendung eines FBG-Demodulators mit einer Bandbreite von 40\text{nm} (z. B. 1525\text{nm} bis 1565\text{nm} ) ist die Anzahl der Messpunkte, die auf einer einzelnen Faser platziert werden können, begrenzt (typischerweise werden 5 bis 20 Messpunkte pro Kanal empfohlen), um zu verhindern, dass Wellenlängenkreuzungen aufgrund von Temperatur- oder Dehnungsänderungen überlagert werden.
2. Verteilte Faseroptik-Sensortechnik (DOFS: OFDR / OTDR)
- Optical Frequency Domain Reflectometry (OFDR):
Basierend auf dem hochpräzisen Frequenzbereich-Interferenzprinzip kann die räumliche Auflösung im Bereich von Sub-Millimeter bis Millimeter ( < 1\text{mm} bis 1\text{cm} ) liegen. Auf einer kontinuierlichen Faser kann das Abtastintervall der kontinuierlichen Messpunkte im Millimeterbereich liegen. - Optical Time Domain Reflectometry (OTDR / BOTDA / DTS usw.):
Begrenzt durch die Breite des einfallenden Lichtpulses liegt die räumliche Auflösung typischerweise im Bereich von 0.1\text{m} ( 10\text{cm} ) bis zu einigen Metern ( 1\text{m} - 10\text{m} ). Wenn Messpunkte zu nahe beieinander liegen, kommt es zu Pulsüberlagerungen und sie können nicht mehr unterschieden werden.
II. Referenz zu offiziellen OFSCN®-Produkten
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) bietet nackte Gitter, verkapselte Sensoren und verteilte Glasfaserkabelprodukte für unterschiedliche Anforderungen an die räumliche Auflösung:
1. Nackte Faser-Bragg-Gitter-Ketten (Millimeter-Gitterbereiche und -abstände)
Für wissenschaftliche Forschung und präzise Strukturüberwachung, die extrem kleine Messpunktabstände erfordern, können nackte Gitterketten, die punktweise mit Femtosekundenlaser oder durch Maskenverfahren geschrieben werden, verwendet werden:
- OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
Die Länge der Gitterbereiche ist wählbar: 2\text{mm} , 3\text{mm} , 4\text{mm} , 5\text{mm} , 6\text{mm} , 8\text{mm} . Das Schreiben mit Femtosekundenlaser beschädigt die Beschichtung nicht. Der Abstand zwischen benachbarten Messpunkten kann nach Bedarf hochdicht kundenspezifisch angepasst werden.
2. Miniaturisierte/Aufklebbare FBG-Sensoren (Zentimeter-Messpunktabstände)
- OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge
Verwendet eine I-Träger-Metallkapselung. Die Länge des Dehnungsmessstreifens ist wählbar: 3.6\text{cm} , 7.2\text{cm} , 10.8\text{cm} . Dies deckt den Bedarf an Messpunkten über kurze Distanzen ab, den rohrförmige Strukturen nicht erfüllen können.
- OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (0.7mm/1.2mm diameter)
Verwendet eine Polymer-Verkapselung und unterstützt die Reihenschaltung mehrerer Messsegmente. Die Standardlänge eines einzelnen Messsegments wird kundenspezifisch im Bereich von 10\text{cm} bis 1\text{m} gefertigt.
3. Faseroptik-Sensoren mit hoher räumlicher Auflösung (OFDR-Mikrosensoren)
- OFSCN® 85°C OFDR Micro All-Metal Strain Sensor
Verwendet eine einlagige Elastiklegierungsrohrkapselung mit einem Außendurchmesser von 0.6\text{mm} . Speziell für OFDR-Frequenzbereich-Reflexionsdemodulationsgeräte entwickelt, ermöglicht die Kombination mit einem OFDR-Demodulator eine kontinuierliche Messpunktabtastung im Millimeterbereich über die gesamte Glasfaserkabellänge.
