Vereinfachtes Funkauslesen von Faser-Bragg-Gittern in der Sensorik
Die Bedeutung faseroptischer Sensoren nimmt stetig zu, das gilt auch für Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensoren. Sie sind thermisch und chemisch sehr widerstandsfähig, sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Einflüssen und haben im Vergleich zu konventioneller Sensorik das Alleinstellungsmerkmal, dass das Sensorsignal mit geringen Auswirkungen auf die Signalqualität ohne zusätzliche Vorrichtungen über weite Distanzen übertragen werden kann.
Gleichzeitig gewinnen Sensornetzwerke immer mehr Relevanz in verschiedenen Bereichen. Darunter fällt die Strukturüberwachung von Bauwerken wie Untertagebauten, großen Gebäuden und Energieanlagen. Gerade in solchen Applikationen werden FBG-Sensoren eingesetzt und ihr drahtloses Auslesen kann hilfreich sein, um den Verkabelungsaufwand signifikant zu senken. Auch in der Biomedizintechnik werden in jüngerer Zeit Anwendungsfälle für FBG-Sensornetzwerke wie beispielsweise die Überwachung von Biosignalen erforscht, für die eine Funkauslesung klinisch maßgeblich sein kann.
Der Stand der Technik zum drahtlosen Auslesen von FBG-Sensoren implementiert
überwiegend eine digitale Sensordaten- Übertragung. Daraus ergibt sich die Voraussetzung einer technisch aufwendig gestalteten Sensoreinheit, welche insbesondere in Sensornetzwerken mit vielen Messstellen einen hohen Grad an Redundanz mit sich bringt. Zudem sind auch die konventionellen Auswertesysteme für FBG-Sensoren selbst technisch anspruchsvoll, ganz unabhängig von der Art der Datenübertragung. Diese Tatsache wirkt sich ebenfalls negativ auf die Wirtschaftlichkeit der Gesamtsysteme und außerdem auf den erreichbaren Integrationsgrad der Sensoreinheiten aus. Aus den genannten Gründen ergibt sich die Fragestellung nach einer alternativen Methode zum drahtlosen Auslesen von FBG-Sensoren, welche den Anlass für diese Dissertation gibt. Der hier präsentierte Lösungsansatz untergliedert sich in zwei wesentliche Aspekte. Zum Einen wird ein neuartiges Auswerteprinzip f¨ur FBG-Sensoren vorgeschlagen, welches auf dem Einführen einer Amplitudenmodulation des optischen Signals zur Sensoranregung aufbaut und die Sensorinformation in der Phase dieses Signals codiert. Zum Anderen wird das modulierte und vom Sensor ver¨anderte optische Signal in einer vereinfachten Sensoreinheit ohne komplexes optisches Instrumentarium opto-elektrisch gewandelt und ohne vorherige Digitalisierung als Funksignal abgestrahlt.
Da das Sensorsignal also analog ¨ubertragen wird, ist die Phasencodierung der
Sensorwerte essenziell f¨ur eine gegen St¨orungen auf dem Funkkanal unempfindliche Übertragung. Die Auswirkungen der Amplitudenmodulation des optischen Signals auf das Sensorverhalten werden theoretisch untersucht und die Prognosen auf Grundlage der Modellierung mit den Ergebnissen einer experimentellen Erprobung des selbst entwickelten und aufgebauten Gesamtsystems überprüft. Schließlich wird eine Analyse der Rauscheinflüsse durchgeführt, welche die Erkenntnisse aus den Versuchsmessungen
stützen. Damit kann gezeigt werden, dass das Ziel einer technisch vereinfachten
Funkauslesung von FBG-Sensoren erreicht wurde. Außerdem ist es mit der Phasencodierung der Sensorwerte gelungen, das Gesamtsystem robust gegenüber Störungen auf dem Funkkanal zu entwerfen. Im Vergleich zur Auswertung der Signalamplitude, welche auf einen konventionellen Ansatz zurückzuführen ist, besitzt die Auswertung der Phase im untersuchten Aufbau ein um 26 dB besseres Signal-Rausch-Verhältnis.
The significance of fiber optic sensors is constantly increasing, which also applies
to fiber Bragg grating (FBG) sensors. Among other benefits, they are thermally
and chemically resilient and insensitive to electromagnetic influences. Furthermore,
compared to conventional sensor technology, FBG sensors have the unique selling
point that the sensor signal can be transmitted over long distances without additional components with little impact on the signal quality. At the same time, sensor networks are becoming increasingly relevant in various areas. This includes structural monitoring of e. g. underground mining facilities, large buildings and energy plants. FBG sensors are used in such applications in particular and their wireless read-out can help to significantly reduce cabling efforts. Recently,
applications for FBG sensor networks have also been researched in biomedical engineering, such as the monitoring of biosignals, for which wireless read-out can be clinically relevant. The state of the art for wireless read-out of FBG sensors predominantly implements digital sensor data transmission. This results in the requirement for a technically complex sensor unit, which entails a high degree of redundancy, especially in sensor networks with many measuring locations. In addition, the conventional evaluation systems for FBG sensors themselves are technically demanding, regardless of the type of data transmission. This fact also has a negative impact on the costeffectiveness of the overall systems and also on the achievable level of integration of the sensor units. For these reasons, the question of an alternative method for wireless read-out of FBG sensors arises, which is the reason for this dissertation. The solution approach presented here is divided into two main aspects. Firstly, a novel evaluation principle for FBG sensors is proposed. It is based on the introduction of an amplitude modulation of the optical signal for sensor interrogation and encodes the sensor information in the phase of this signal. Secondly, the modulated optical signal modified by the sensor is opto-electrically converted in a simplified sensor unit without complex optical instruments and emitted as a radio signal without prior digitization. As the sensor signal is therefore transmitted in analog form, the phase encoding of the sensor values
is essential for a transmission that is insensitive to interference on the radio channel. The effects of the amplitude modulation of the optical signal on the sensor behavior are examined theoretically. Also, the predictions based on the modeling are checked against the results of an experimental test of the overall system, which was developed and built in-house. Finally, an analysis of the noise influences is carried out, which supports the findings from the experimental measurements. It can thus be shown that the goal of a technically simplified wireless read-out of FBG sensors has been achieved. In addition, the phase encoding of the sensor values has made it possible to design the overall system to be robust against interference on the radio channel. Compared to the evaluation of the signal amplitude, which is based on a conventional approach, the evaluation of the phase has a 26 dB superior signal-to-noise ratio in the investigated setup.
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