Was ist ein faseroptischer Sensor?
Faseroptische Sensoren verwenden eine dünne faserige optische Faser aus Harz oder Quarzglas als Lichtwellenleiter im Inneren der Faser, die für verschiedene Erfassungsanwendungen in Produktionsstätten verwendet wird.
Faseroptische Sensoren verfügen über ein flexibles, dünnes Kabel und einen kleinen Sensorkopf, die eine Erkennung in engen Räumen und von kleinen Objekten ermöglichen. Sie eignen sich für die Erkennung in einer Vielzahl von Umgebungen, da sie unter anderem nicht durch elektromagnetische Einflüsse beeinträchtigt werden. Je nach Material der faseroptischen Beschichtung können sie auch in Umgebungen mit hohen Temperaturen oder in Gegenwart von Öl oder Chemikalien eingesetzt werden.
Anwendungen von faseroptischen Sensoren
Die Hauptanwendung von faseroptischen Sensoren ist die Objekterkennung. Sie können das Vorhandensein, den Durchgang und die Geschwindigkeit der Bewegung von Objekten im Erfassungsbereich, in den das Licht eingestrahlt wird, erkennen.
Da die Erkennung auf Lichtabschattung und -reflexion beruht, können faseroptische Sensoren das Vorhandensein oder Fehlen und die Farbe allgemeiner Feststoffe wie Holz und Harz sowie Metall erkennen, aber auch transparentes Glas usw. Sie sind in verschiedenen Produktionsstätten weit verbreitet, von der berührungslosen allgemeinen Produkterkennung bis hin zur Erkennung und Positionierung extrem kleiner Produkte in engen Räumen.
Darüber hinaus können nicht nur Feststoffe, sondern auch Flüssigkeiten erfasst sowie Dehnungen und Temperaturen detektiert werden, und auch Stromsensoren zur berührungslosen Messung des in Leitern fließenden Stroms sind in der Praxis im Einsatz.
Aufbau von faseroptischen Sensoren
Ein faseroptischer Sensor besteht aus einem lichtemittierenden Teil, der aus einer kabelartigen Fasereinheit besteht, die Licht aussendet, während sie es durchlässt, und einem Faserverstärker, der über eine Lichtquelle und optische Verstärkungsfunktionen verfügt, sowie einem lichtempfangenden Teil, der das Licht empfängt.
Die optische Faser im Zentrum der Fasereinheit besteht aus einem Kern mit hohem Brechungsindex und einem Mantel mit niedrigem Brechungsindex, der dünn, meist aus Quarzglas oder Kunststoff, geformt ist und als Lichtwellenleiter unter Ausnutzung des Phänomens der Totalreflexion des Lichts innerhalb der Faser verwendet wird.
Faserverstärker bestehen hauptsächlich aus einem optischen Verstärker und einem Detektionsschaltkreis zwischen Lichtsender und -empfänger, wobei mit seltenen Erden dotierte Fasern als wichtigstes optisches Verstärkermedium verwendet werden und die Detektion durch Verstärkung des einfallenden Lichts durch die induzierte Emission von Anregungslicht erfolgt. Je nach diesen Merkmalen sind einige Produkte mit Funktionen zur Empfindlichkeitsanpassung und zur Einstellung und Änderung der Schwellenwerte ausgestattet.
Faseroptische Sensoren lassen sich grob in Typen mit separaten Fasereinheiten und Faserverstärkern und in Typen mit eingebauten Faserverstärkern einteilen, und ihre Erkennungsmethoden umfassen Transmissions-, Reflexions-, Retroreflexions- und begrenzte Reflexionsarten.
Funktionsweise von faseroptischen Sensoren
Faseroptische Sensoren führen verschiedene Arten der Erkennung durch, die auf den Informationen (Wellenlänge, Lichtintensität) des vom lichtemittierenden Teil ausgesandten Lichts und des vom lichtempfangenden Teil empfangenen Lichts basieren.
1. Allgemeine Objekterkennung
Das grundlegendste Erkennungsprinzip besteht darin, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Objekts zu erkennen, wenn das Licht vom lichtemittierenden Teil zum lichtempfangenden Teil unterbrochen wird. Es ist möglich, den Durchgang eines Objekts zu erkennen, indem das Licht für eine kurze Zeit blockiert wird, oder die Reflexionszeit und die Geschwindigkeit, mit der sich das Objekt bewegt, zu messen, indem auf der lichtemittierenden Seite auch ein lichtempfangendes Mittel vorgesehen wird.
Transparente Objekte wie Glas sind schwer zu erfassen, da das Licht durch sie hindurchgeht, können aber durch genaue Messung der Änderung der Lichtintensität, die durch die Änderung des Brechungsindex auf der Oberfläche (Luft ⇔ Glas) verursacht wird, erfasst werden.
2. Detektion von Flüssigkeiten
Faseroptische Sensoren werden nicht nur zur Erkennung von Feststoffen, sondern auch von Flüssigkeiten eingesetzt, indem sie die lichtbrechenden Eigenschaften der Flüssigkeit nutzen.
Rohrmontierte Typen projizieren Licht von der Wand des Rohrs. Befindet sich keine Flüssigkeit im Rohr, läuft das Licht geradeaus. Ist Flüssigkeit vorhanden, wird das Licht gebrochen und tritt auf der lichtempfangenden Seite ein. Auf diese Weise wird das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Flüssigkeit festgestellt. Dieser Typ kann transparente Flüssigkeiten erkennen, aber keine undurchsichtigen Flüssigkeiten, die kein Licht durchlassen.
Bei dem Typ zur Erkennung von Flüssigkeiten sind der Projektor und der Empfänger parallel zueinander in einem konischen Harzrohr am Ende installiert. Wenn das Licht nicht mit der Flüssigkeit in Berührung kommt, wird es durch den Konus gebrochen und kehrt zum Empfänger zurück. Wenn es mit Flüssigkeit in Berührung kommt, ändert sich der Brechungsindex und das Licht kehrt nicht zurück. Auf diese Weise wird die benetzte Flüssigkeit erkannt.
Auf diese Weise werden faseroptische Sensoren eingesetzt, um das Vorhandensein von Flüssigkeit, den Flüssigkeitsstand und Leckagen zu erkennen. Bei der Erkennung von Flüssigkeiten werden die Harzrohre häufig aus Teflon hergestellt, das für Chemikalien und Hochtemperaturwasser verwendet werden kann und für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist.
3. Farberkennung
Die Farbe eines Objekts wird durch die Wellenlängenverteilung des reflektierten Lichts entsprechend dem Reflexionsgrad oder dem Brechungsindex im Verhältnis zur Wellenlänge (Farbe) des eingestrahlten Lichts bestimmt. Dies kann zur Farberkennung mit faseroptischen Sensoren genutzt werden.
4. Erfassung von Temperatur und Dehnung
Optische Fasern haben einen doppelten Aufbau mit einem Kern- und einem Mantelteil in radialer Richtung, aber durch Einstrahlung von speziellem ultraviolettem Licht im Herstellungsprozess können in regelmäßigen Abständen Bereiche mit teilweise unterschiedlichen Brechungsindizes in axialer Richtung erzeugt werden, die als Faser-Bragg-Gitter (FBG) bezeichnet werden. Das Bild einer optischen Faser ist in diesem Fall eine Reihe von Zylindern mit FBGs an beiden Enden.
FBGs reflektieren nur bestimmte Wellenlängen, je nach dem erzeugten Abstand und dem Brechungsindex, so dass sich die Wellenlänge des reflektierten Lichts und die Zeit, die das reflektierte Licht braucht, um zurückzukehren, ändern, wenn sich die optische Faser aufgrund von Temperaturänderungen ausdehnt oder zusammenzieht. Dadurch können sie als Temperatursensoren verwendet werden.
Bei der Installation in einer Struktur ändert sich die Faserlänge mit der Verformung der Struktur und kann daher auch als Dehnungssensor verwendet werden. Er wird bei Strukturen eingesetzt, die ständig äußeren Kräften ausgesetzt sind, wie z. B. bei großen Gebäuden, Tunneln und Pipelines sowie Offshore-Windkraftanlagen. Wenn ein Gewicht angeschlossen ist, ändert sich die Länge des Lichtwellenleiters entsprechend der Beschleunigungskraft, die bei der Bewegung des Gewichts einwirkt, so dass er auch als Beschleunigungssensor verwendet werden kann.
5. Stromwerterfassung
Der Faraday-Effekt wird für die Stromwerterfassung durch faseroptische Sensoren genutzt. Wenn ein Strom durch einen Leiter fließt, entsteht nach dem Rechtsgewindegesetz ein konzentrisches Magnetfeld. Der Faraday-Effekt ist ein Phänomen, bei dem sich die Polarisationsebene des Lichts, das eine optische Faser entlang dieses Magnetfeldes durchläuft, entsprechend der Stärke des Magnetfeldes dreht. Der Stromwert wird durch Messung des Drehwinkels dieser Polarisationsebene ermittelt.
Weitere Informationen über faseroptische Sensoren
Über Faserverstärker
Faseroptische Sensoren verwenden in der Regel LED-Licht, das über einen Lichtwellenleiter zur Erfassungseinheit geleitet und über eine Linse o. Ä. abgestrahlt wird. Die häufigsten Probleme bei diesen Sensoren sind die altersbedingte Verschlechterung des LED-Lichts und das Anhaften von Schmutz an der Linse. Unter diesen Bedingungen nimmt die Lichtintensität des eingestrahlten Lichts ab, was zu einer falschen Erkennung und zu Problemen mit dem Gerät führt, weshalb Faserverstärker eingesetzt werden.
Die Funktion des Faserverstärkers besteht darin, eine Abnahme der Lichtintensität automatisch zu erkennen und zu kompensieren, indem er Veränderungen im LED-Licht im Laufe der Zeit erkennt und die Leistung entsprechend erhöht, um die Lichtintensität konstant zu halten. Außerdem wird die Objekterkennung anhand der Abnahmerate und nicht anhand der Höhe der Lichtintensitätsabnahme eingestellt, und es erfolgt ein automatischer Ausgleich durch Beurteilung des relativen Lichtintensitätsverhältnisses zwischen Sende- und Empfangslicht.
Auf diese Weise werden nach und nach Produkte und Funktionen entwickelt, die die Unzulänglichkeiten der faseroptischen Sensoren ausgleichen, und durch ihren Einsatz werden Probleme vermieden.