WO2011072927A1 - Device and method for rapidly measuring elongation - Google Patents

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WO2011072927A1
WO2011072927A1 PCT/EP2010/066087 EP2010066087W WO2011072927A1 WO 2011072927 A1 WO2011072927 A1 WO 2011072927A1 EP 2010066087 W EP2010066087 W EP 2010066087W WO 2011072927 A1 WO2011072927 A1 WO 2011072927A1
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sensor fiber
measurement
fiber
sensor
reflection
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PCT/EP2010/066087
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Sascha Liehr
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Bundesanstalt für Materialforschung und -Prüfung (BAM)
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/242Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35338Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
    • G01D5/35354Sensor working in reflection
    • G01D5/35367Sensor working in reflection using reflected light other than backscattered to detect the measured quantity

Definitions

  • the present invention relates to a device for rapid strain measurement and an associated method for performing a rapid strain measurement.
  • DMS strain gauges
  • FBG fiber Bragg gratings
  • FBG fiber Bragg gratings
  • fiber optic sensors based on direct phase measurement of a
  • intensity modulated signal in transmission known. These systems are also capable of high-frequency and accurate measure length changes. However, these sensors can only determine the total length change along the fiber, but not the change in length of defined fiber sections.
  • OTDR technique optical time domain reflectometry
  • OFDR technique optical frequency domain reflectometry
  • strain measurement With the aid of the OTDR technique or the OFDR technique reflection points can be measured relatively accurately.
  • the OTDR technique and the OFDR technique require a comparatively long measurement time, which precludes the application of these two techniques for dynamic applications.
  • the well-known electrical sensors, such as strain gauges, similar to FBGs measure the strain only selectively and have beyond the usual
  • 2007/131794 known. It describes a monitoring system that uses Brillouin frequency domain analysis to monitor the elongation of an optical fiber to detect, for example, changes in a dike or similar safety-related structure.
  • a method of strain measurement on a sensor fiber comprises the steps of providing at least one sensor fiber having a reflection location at n predetermined positions, where n>1; the provision of a reference transmission function of the sensor fiber, wherein the reference transmission function has been determined in a predetermined initial state of the sensor fiber; performing m> n optical frequency domain reflectometry Measurements at m different measuring frequencies for the determination of m
  • Meßübertragungsfunktionen the determination of a local displacement of at least one reflection point based on the reference transfer function
  • Meßübertragungsfunktionen and the determination of the elongation of an adjacent to the at least one reflection point portion of the sensor fiber based on the determined local displacement of the reflection point.
  • the method provides very high accuracy down to the micrometer range.
  • the accuracy of the measurement can be increased if more measurements are made than reflection points are present in the sensor fiber (m> n).
  • the method also allows the simultaneous measurement of n reflections, i. n individual fiber lengths, in reflection. Therefore, it is possible to measure from one side of the fiber and also only one sensor fiber has to be installed in the structure to be monitored.
  • the present method makes relatively lower demands on the frequency range of the components used, thereby
  • the sensor fiber reflection sites comprise one end of the sensor fiber, a connector interconnecting two adjacent portions of the sensor fiber, a reflection spot created in the manufacture of the sensor fiber, or one after the sensor fiber
  • the provision of the reference transfer function comprises performing a frequency domain reflectometry measurement on the sensor fiber in
  • the modulation frequencies for the optical signal are configured to be identical to the optical signal. According to one embodiment, the modulation frequencies for the optical signal.
  • Frequency domain reflectometry measurements are in the range of 1 Hz to 10 GHz.
  • the accuracy of the measurement depends on the device used to measure the transfer function.
  • network analyzers can be used in the frequency range between 1 Hz and 10 GHz. If a high accuracy is desired, a small filter bandwidth should be used for the devices. When measuring very short sections, devices in the frequency range above 10 GHz must be used.
  • determining the local displacement can
  • Phase shift for a respective reflection point and determining the local displacement by means of the phase shift.
  • these steps can be repeated at least once, and as a new input for the positions of the reflections, the positions of the reflections corrected by the previously determined local displacement are used.
  • the method may further comprise an optical frequency domain reflectometry measurement on a reference sensor fiber or a
  • the measuring method can also be used in areas that are exposed to strong temperature fluctuations.
  • a sensor fiber having at n predetermined positions each have a reflection point, where n> 1, connected to the sensor fiber means for performing an optical frequency domain reflectometry measurement, and connected to the device evaluation unit for determining an elongation of the sensor fiber wherein the system is set up, a method as described above
  • the system comprises a plurality of sensor fibers which are connected to the means for performing an optical frequency domain reflectometry measurement via at least one optical splitter, wherein the reflection points in the plurality of sensor fibers are arranged so that their respective positions are so different from each other at maximum strain of the sensor fibers the positions are distinguishable.
  • a single system can simultaneously monitor multiple structures or different portions of a structure.
  • the use of one or more other systems is thereby superfluous.
  • the system further comprises a reference sensor fiber or a reference section of the sensor fiber, wherein the reference sensor fiber or the Reference portion of the sensor fiber extend substantially parallel to at least one sensor fiber, wherein the reference sensor fiber or the reference portion of the sensor fiber are adapted to determine a temperature dependence of the optical frequency domain reflectometry measurement.
  • the system can be used while maintaining its accuracy in areas where severe temperature fluctuations occur.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 is a schematic representation of a system according to another
  • Fig. 3 shows an example of a transfer function of the sensor fiber in the frequency domain, which was determined in the initial state of the sensor fiber.
  • FIG. 4 shows the impulse response determined in FIG. 3 from the transfer function according to FIG.
  • the time domain The decomposition of the impulse response into single impulse functions.
  • FIG. 6 shows the subtraction of the individual impulse functions from the impulse response by one
  • FIG. 11 shows a schematic illustration of a system with a plurality of sensor fibers according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic representation of a system with temperature compensation according to yet another embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a system 100 according to a
  • a sensor fiber 110 is connected to a device 120 for carrying out an optical frequency domain reflectometry measurement (OFDR measurement).
  • the device 120 comprises a device for measuring the complex transfer function 122, for example a network analyzer,
  • the network analyzer 122 typically a continuous wave laser source.
  • the network analyzer 122 generates a sinusoidal output signal of frequency f. By means of this signal, an amplitude modulation of the laser source 124 is performed, wherein the
  • Network analyzer 122 can tune the frequency f in a predetermined frequency interval with predetermined frequency steps. For example, a
  • the light emitted by the laser source 124 is coupled into the sensor fiber 110 via an optical circulator 126.
  • the circulator 126 further decouples the signal reflected in the sensor fiber 110 and passes it to a photodiode 128.
  • the photodiode 128 converts the optical signal from the circulator 126 into an electrical signal and outputs this signal S to the network analyzer 122.
  • the network analyzer 122 now determines the transfer function of the sensor fiber 110 on the basis of the signal S.
  • An evaluation unit 130 for determining an expansion of the sensor fiber 110 is connected to the device 120, and typically to the network analyzer 122.
  • the evaluation unit 130 is set up to carry out a method according to the exemplary embodiments of the present invention.
  • the evaluation unit 130 may be a computer that is set up by the program to execute such a method.
  • the evaluation unit 130 may be provided with an output unit (not shown), for example a screen or a printer, be connected. The strain determined by the evaluation unit 130 can then be displayed or output on the output unit.
  • FIG. 2 is a schematic representation of a system according to another
  • the sensor fiber 110 at predetermined positions z 1; z 2 each have a reflection point Rl, R2.
  • Reflection Rl, R2 of the sensor fiber can be formed for example by connectors, in particular those with 0 ° -schliff, the connectors connect two adjacent portions of the sensor fiber with each other.
  • the connectors connect two adjacent portions of the sensor fiber with each other.
  • Revelation are therefore also understood to mean a plurality of interconnected fibers as a sensor fiber, since, as in the embodiment of FIG. 2, they can form a common fiber measurement path.
  • the reflections R1, R2 can also be formed differently.
  • the reflection points R 1, R 2 can be formed by reflection positions produced during or after the production of the sensor fiber.
  • the open end of the sensor fiber 110 itself can serve as a reflection point, so it is designed in such a way that the light is substantially reflected.
  • the fiber end can have a 0 ° grating and / or be mirrored.
  • the number and the position of the reflection points in the sensor fiber is essentially freely selectable.
  • n> 1 reflection points in the sensor fiber 110 can be provided quite generally.
  • a method for measuring the strain on the sensor fiber 110 according to FIG. 2 will now be explained by way of example.
  • the reference transfer function was determined in a predetermined initial state of the sensor fiber. This may, for example, be an unstretched condition of the sensor fiber if subsequently strains are to be observed. Conversely, the sensor fiber can also be installed in a stretched initial state, if subsequent upsetting is to be observed. To determine the
  • Reference transfer function is first made an OFDR measurement on the sensor fiber 110 in the initial state and after calibration of the measuring system. Based on this measurement, the transfer function H (f) of the sensor fiber is determined in the frequency domain. The result of this measurement is shown in FIG. 3, where both amount and phase of the transfer function are shown. In a next step, an impulse response in the time domain is now determined from the transfer function H (f). For this purpose, the transfer function H (f) becomes an inverse
  • the inverse Fourier transform is performed as an inverse fast Fourier transform. The obtained in this way
  • the impulse response h (z) is now decomposed into two single-impulse functions hi (z) and h 2 (z). This is shown in FIG.
  • a region is defined around each individual pulse (hatched box in FIG. 5) and the impulse response outside of these regions is set to zero.
  • the respective impulse responses are obtained separately for hi (z) and h 2 (z).
  • overshoots typically occur adjacent the respective major peak of a single pulse. In this case, for example, the minimum between the main peak and the first side peak can be determined on each side of the single pulse. The range of the single pulse would then be located between these two minima.
  • the results of the present method are robust to the off-cutting criterion, so that other than the just-described criterion for selecting the range for a particular single pulse can be used.
  • the decomposition into individual pulses is analog, if the sensor fiber has a number other than two reflections.
  • Reflection Rl, R2 are shown in Fig. 7, wherein each amount and phase are shown. Similarly, the time domain background function ho (z) is used by
  • Reference transfer function for the further process steps is a one-time process. Is the
  • OFDR measurements are performed on the sensor fiber.
  • a total of m measurements at m different measuring frequencies f k are performed to determine m Meßübertragungsfunktionen M k .
  • m> n ie the number of frequency points is at least equal to the number of reflection points in the sensor fiber. If one chooses m> n, one obtains an overdetermined system of equations in the evaluation and can thus the accuracy of the
  • the local displacement ⁇ ⁇ a respective reflection point is determined, as can be determined from the local displacement, the strain.
  • the local displacement ⁇ ⁇ by first determining the frequency domain subsurface function H 0 (f k ) for a respective measurement frequency f k of the
  • Measurement transfer function M k subtracted at this measurement frequency.
  • the background is first removed from the Meßübertragungsfunktionen M k .
  • a phase shift ⁇ ⁇ for a respective reflection point is determined and from this in turn the local displacement ⁇ ⁇ .
  • the results of the measurements M k at the arbitrary frequency points f k of the frequencies f k , k C ⁇ 1,..., M ⁇ , correspond (within the measuring error) to the sum of the
  • the individual equations are linked to one another via the auxiliary quantities A rk .
  • c 0 is the vacuum speed of light and n gr is the refractive index of the fiber.
  • the accuracy can be increased by overdetermination of the system of equations to m> n frequency points.
  • the following general equation system results for n reflections and m frequency points:
  • the first argument is the cross product and the second argument is the scalar product between
  • R2 can then be determined on the basis of the original lengths z ⁇ and z 2 of the fiber sections, the strain values for one or more sections of the sensor fiber.
  • the above steps can also be repeated.
  • the value z r converges quickly and stably so that only a few iterations
  • the method provides very high accuracy down to the micrometer range.
  • the accuracy of the measurement can be increased if more measurements are made than reflection points are present in the sensor fiber (m> n).
  • the method also allows the simultaneous measurement of n reflections, i. n individual fiber lengths, in reflection. Therefore, it is possible to measure from one side of the fiber and also only one sensor fiber has to be installed in the structure to be monitored.
  • the present method is comparatively less Demands on the frequency range of the components used, whereby less expensive components can be used.
  • FIG. 9 shows a time-resolved strain measurement on the fiber shown in FIG.
  • FIG. 10 shows another time-resolved measurement according to an embodiment of the present invention.
  • the demonstrator described below was built. Two single-mode fibers were glued in a prestressed state to an 8 mm thick chipboard on both sides, so that in each case a bending of the chipboard two fibers are stretched and two fibers are compressed. The individual fiber sections are connected by means of fiber connectors with strong reflections.
  • Fiber sections show excellent agreement in magnitude and sign with the expected behavior.
  • the measurement also demonstrates the ability of the system to monitor multiple sensor fibers simultaneously and independently.
  • the system comprises a first sensor fiber 210 and a second sensor fiber 212.
  • the first sensor fiber 210 has a first reflection point Rl at a distance z ⁇ and a second
  • the second sensor fiber 212 has a third one
  • the reflection points R1, R2, R3, R4 in the first and second sensor fibers 210, 212 are arranged so that their respective positions z 1; z 2 , z, z 4 are so different from one another that even at maximum elongation of the sensor fibers 210, 212 the positions z 1; z 2 , z, z 4 are distinguishable.
  • z ⁇ 100 m
  • z 2 200 m
  • z 3 50 m
  • z 4 150 m.
  • the first and second sensor fibers 210, 212 are Connected via an optical coupler or an optical splitter 240 to the device 120 for OFDR measurement.
  • an optical coupler or an optical splitter 240 By means of the coupler / splitter 240 multiplexing of the signals in the first fiber 210 and the second fiber 212 is possible. Due to the sufficient distance between the reflection, however, these can be unambiguously assigned.
  • FIG. 12 shows a schematic representation of a system 300 with
  • Temperature compensation according to yet another embodiment of the present invention. For long measuring distances or in applications where strong
  • Temperature changes may occur, the accuracy of the change in length measurement is basically limited by temperature influences.
  • the thermal expansion of the fiber or sheath material or of the cable and the temperature dependence of the refractive index of the fiber have an effect on the absolutely measured positions of the reflection parts.
  • a temperature compensation for the separation of temperature and strain is achieved by the substantially parallel installation of a fiber of the same type with length reserve. Due to the length reserve, no stretching of the sensor fiber occurs, so that only the temperature-induced effect is measured in these fibers or fiber sections.
  • the system 300 according to FIG. 12 has reference sections 312, 314 of the sensor fiber 310, which run essentially parallel to a sensor fiber 310 and are laid with a length reserve.
  • the reference section 312 serves between a third and a fourth reflection point R3, R4 of the sensor fiber 310 as a temperature reference to
  • the reference portion 314 between the second and the third reflection point R2, R3 of the sensor fiber 310 serves as a temperature reference to the strain gauge between z ⁇ and z 2 , ie the fiber section between the first
  • the measured strain of the sensor fiber can be compensated accordingly.
  • the measured change in length of the reference section can be normalized to the respective installed lengths of the associated strain gauges of the sensor fiber.
  • the thus determined temperature-dependent effect is then subtracted from the measured change in length of the strain gauges. In this way one obtains a temperature-compensated strain signal.
  • the temperature of a respective section of the sensor fiber 310 can also be determined.

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Abstract

The invention relates to a method for measuring elongation on a sensor fiber, comprising the steps: (a) providing at least one sensor fiber having a reflection point each at n predetermined positions (zr), where n ≥ 1; (b) providing a reference transmission function (H0, Hr) of the sensor fiber, wherein the reference transmission function (H0, Hr) was determined in a predetermined initial state of the sensor fiber; (c) performing of m ≥ n optical frequency range reflectometry measurements at m measurement frequencies (fk) which differ from each other to determine m measurement transmission functions (Mk); (d) determining a local shift (Δzr) of at least one reflection point on the basis of the reference transmission function (H0, Hr) and the measurement transmission functions (Mk); and (e) determining the elongation of a section of the sensor fiber adjacent to the at least one reflection point on the basis of the determined local shift (Δzr) of the reflection point.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur schnellen Dehnungsmessung  Apparatus and method for rapid strain measurement
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur schnellen Dehnungsmessung sowie ein zugehöriges Verfahren zur Durchführung einer schnellen Dehnungsmessung. The present invention relates to a device for rapid strain measurement and an associated method for performing a rapid strain measurement.
Viele Bauteile und Bauwerke, die dynamischen Belastungen ausgesetzt sind, lassen sich durch herkömmliche Sensorik nicht zur Zufriedenheit überwachen. Punktuelle Sensoren, wie etwa Dehnungsmeßstreifen (DMS) oder Faser-Bragg-Gitter (FBG) liefern zwar schnell und genau Dehnungswerte für bestimmte Punkte, ihnen fehlt jedoch die Meßbasis, um integrative Längenänderungen, d.h. Längenänderungen zwischen zwei Punkten, zu erfassen. Daher ist es bei solchen Systemen möglich, daß Schädigungen, die zwischen zwei Meßpunkten liegen, nicht erkannt werden. Diese Informationslücke stellt ein großes Risiko im Betrieb von Anlagen, Bauteilen und Gebäuden dar. Many components and structures that are exposed to dynamic loads can not be monitored satisfactorily by conventional sensors. While selective sensors, such as strain gauges (DMS) or fiber Bragg gratings (FBG), provide rapid and accurate strain values for particular points, they lack the measurement basis to provide integrative length changes, i. Length changes between two points, to capture. Therefore, it is possible in such systems that damage that lies between two measuring points are not recognized. This information gap represents a major risk in the operation of plants, components and buildings.
Die im Stand der Technik bekannten Faser-Bragg-Gitter (FBG) können zwar hochfrequent und genau die Dehnung messen, allerdings nur punktuell an bestimmten Stellen einer Faser. Daher sind FBG-Systeme für die oben beschriebenen Anwendungen nicht geeignet. Darüber hinaus sind FBGSysteme zudem vergleichsweise teuer. Although known in the prior art fiber Bragg gratings (FBG) can measure high-frequency and exactly the elongation, but only selectively at certain points of a fiber. Therefore, FBG systems are not suitable for the applications described above. In addition, FBG systems are also relatively expensive.
Weiterhin sind faseroptische Sensoren auf Basis direkter Phasenmessung eines Furthermore, fiber optic sensors based on direct phase measurement of a
intensitätsmodulierten Signals in Transmission bekannt. Diese Systeme sind ebenfalls in der Lage, Längenänderungen hochfrequent und genau zu messen. Jedoch können diese Sensoren nur die Gesamtlängenänderung entlang der Faser ermitteln, nicht aber die Längenänderung definierter Faserabschnitte. intensity modulated signal in transmission known. These systems are also capable of high-frequency and accurate measure length changes. However, these sensors can only determine the total length change along the fiber, but not the change in length of defined fiber sections.
Weiterhin sind die sogenannte Optische Zeitbereichsreflektometrie (OTDR-Technik) und die Optische Frequenzbereichsreflektometrie (OFDR-Technik) als Dehnungsmeßverfahren bekannt. Mit Hilfe der OTDR-Technik bzw. der OFDR-Technik können Reflektionsstellen relativ genau gemessen werden. Jedoch benötigen die OTDR-Technik bzw. der OFDR- Technik eine vergleichsweise lange Meßzeit, die die Anwendung dieser beiden Techniken für dynamische Anwendungen ausschließt. Die ebenfalls bekannten elektrische Sensoren, wie z.B. Dehnungsmeßstreifen, können ähnlich wie FBGs die Dehnung nur punktuell messen und haben darüber hinaus die üblichen Furthermore, the so-called optical time domain reflectometry (OTDR technique) and the optical frequency domain reflectometry (OFDR technique) are known as strain measurement. With the aid of the OTDR technique or the OFDR technique reflection points can be measured relatively accurately. However, the OTDR technique and the OFDR technique require a comparatively long measurement time, which precludes the application of these two techniques for dynamic applications. The well-known electrical sensors, such as strain gauges, similar to FBGs measure the strain only selectively and have beyond the usual
Nachteile elektrischer Sensoren gegenüber faseroptischen Sensoren. Disadvantages of electrical sensors compared to fiber optic sensors.
Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Brillouin-Frequenzbereichsanalyse aus der WO Furthermore, a device for Brillouin frequency domain analysis from WO
2007/131794 bekannt. Darin wird ein Überwachungssystem beschrieben, das mittels Brillouin-Frequenzbereichsanalyse die Dehnung einer optischen Faser überwacht, um beispielsweise Veränderungen in einem Deich oder einer ähnlichen sicherheitsrelevanten Struktur zu erkennen. 2007/131794 known. It describes a monitoring system that uses Brillouin frequency domain analysis to monitor the elongation of an optical fiber to detect, for example, changes in a dike or similar safety-related structure.
Ebenfalls ist eine Vorrichtung zur Brillouin-Frequenzbereichsanalyse aus dem Fachartikel „Brillouin optical-fiber frequency-domain analysis for distributed temperature and strain measurements" von Garus et al., Journal of Lightwave Technology, Bd. 15, Nr. 4, Seiten 654 bis 662, 1997, bekannt. Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Brillouin- Frequenzbereichsanalyse aus dem Fachartikel„Distributed fiber-optic frequency-domain Brillouin sensing" von Bernini et al., Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 123-124, Eurosensors XVIII 2004 - The 18th European Conference on Solid-State Transducers, Seiten 337-342, 2005, bekannt. Also, a device for Brillouin frequency domain analysis is disclosed in the article "Brillouin optical-fiber frequency-domain analysis for distributed temperature and strain measurements" by Garus et al., Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No. 4, pp. 654-662 , 1997. Furthermore, a device for Brillouin frequency domain analysis from the article "Distributed fiber-optic frequency domain Brillouin sensing" by Bernini et al., Sensors and Actuators A: Physical, Vol 123-124, Eurosensors XVIII 2004 - The 18th European Conference on Solid-State Transducers, pages 337-342, 2005.
Im Hinblick darauf ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dehnungsmessung bereitzustellen, die die genannten Nachteile zumindest teilweise überwindet. In view of this, it is therefore an object of the present invention to provide a method and an apparatus for strain measurement which at least partially overcomes the disadvantages mentioned.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Dehnungsmessung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein System gemäß Anspruch 8. Weitere Aspekte, Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der This object is achieved by a method of strain measurement according to claim 1 and by a system according to claim 8. Further aspects, details, advantages and features of the present invention will become apparent from the subclaims, which
Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen. Description and attached drawings.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Dehnungsmessung an einer Sensorfaser die Schritte des Bereitstellens mindestens einer Sensorfaser, die an n vorbestimmten Positionen jeweils eine Reflektionsstelle aufweist, wobei n > 1 ist; des Bereitstellens einer Referenzübertragungsfunktion der Sensorfaser, wobei die Referenzübertragungsfunktion in einem vorbestimmten Ausgangszustand der Sensorfaser ermittelt wurde; des Durchführens von m > n optischen Frequenzbereichsreflektometrie- Messungen bei m voneinander verschiedenen Meßfrequenzen zur Ermittlung von m According to an embodiment of the present invention, a method of strain measurement on a sensor fiber comprises the steps of providing at least one sensor fiber having a reflection location at n predetermined positions, where n>1; the provision of a reference transmission function of the sensor fiber, wherein the reference transmission function has been determined in a predetermined initial state of the sensor fiber; performing m> n optical frequency domain reflectometry Measurements at m different measuring frequencies for the determination of m
Meßübertragungsfunktionen; des Ermitteins einer örtlichen Verschiebung mindestens einer Reflektions stelle anhand der Referenzübertragungsfunktion und der Meßübertragungsfunktionen; the determination of a local displacement of at least one reflection point based on the reference transfer function and the
Meßübertragungsfunktionen; und des Ermitteins der Dehnung eines zu der mindestens einen Reflektions stelle benachbarten Abschnitts der Sensorfaser anhand der ermittelten örtlichen Verschiebung der Reflektionsstelle.  Meßübertragungsfunktionen; and the determination of the elongation of an adjacent to the at least one reflection point portion of the sensor fiber based on the determined local displacement of the reflection point.
Mit dem oben beschriebenen Verfahren sind sehr schnelle Dehnungsmessungen möglich, da jeweils nur n Frequenzen für n Reflexionen gemessen werden müssen, d.h man kommt mit der Meß wiederholrate in die Größenordnung von 100 Hz oder mehr. Auf diese Weise können insbesondere dynamische Vorgänge, etwa die Durchbiegung von Rotorblättern von With the method described above very fast strain measurements are possible, since only n frequencies for n reflections must be measured, that is, it comes with the repetition rate in the order of 100 Hz or more. In this way, in particular dynamic processes, such as the deflection of rotor blades of
Windkraftanlagen im Betrieb, sehr gut erfaßt werden. Gleichzeitig liefert das Verfahren eine sehr hohe Genauigkeit bis in den Mikrometerbereich hinein. Die Genauigkeit der Messung läßt sich dabei erhöhen, wenn mehr Messungen vorgenommen werden, als Reflektionsstellen in der Sensorfaser vorhanden sind (m > n). Wind turbines in operation, very well detected. At the same time, the method provides very high accuracy down to the micrometer range. The accuracy of the measurement can be increased if more measurements are made than reflection points are present in the sensor fiber (m> n).
Das Verfahren erlaubt darüber hinaus die gleichzeitige Messung von n Reflexionen, d.h. n einzelnen Faserstrecken, in Reflexion. Daher kann von einer Seite der Faser aus gemessen werden und es muß auch nur eine Sensorfaser in der zu überwachenden Struktur installiert werden. The method also allows the simultaneous measurement of n reflections, i. n individual fiber lengths, in reflection. Therefore, it is possible to measure from one side of the fiber and also only one sensor fiber has to be installed in the structure to be monitored.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Phasenauswertungsverfahren weist das vorliegende In contrast to conventional phase evaluation methods, the present
Verfahren einen stark erweiterten Meßbereich bei gleichzeitig großer Genauigkeit auf. Dabei ist die Präzision der Messung jedoch nicht, wie bei herkömmlichen Process on a greatly extended range at the same time great accuracy. However, the precision of the measurement is not, as in conventional
Phasenauswertungsverfahren, von der maximalen Modulationsfrequenz abhängig, sondern lediglich von der Genauigkeit des verwendeten Gerätes zur Messung der  Phase evaluation method, depending on the maximum modulation frequency, but only on the accuracy of the device used to measure the
Übertragungsfunktion. Daher stellt das vorliegende Verfahren vergleichsweise geringere Ansprüche an den Frequenzbereich der verwendeten Komponenten, wodurch Transfer function. Therefore, the present method makes relatively lower demands on the frequency range of the components used, thereby
kostengünstigere Komponenten verwendet werden können. less expensive components can be used.
Typischerweise umfassen die Reflektionsstellen der Sensorfaser ein Ende der Sensorfaser, einen Steckverbinder, der zwei benachbarte Abschnitte der Sensorfaser miteinander verbindet, eine bei der Herstellung der Sensorfaser erzeugte Reflektionsstelle oder eine nach der Typically, the sensor fiber reflection sites comprise one end of the sensor fiber, a connector interconnecting two adjacent portions of the sensor fiber, a reflection spot created in the manufacture of the sensor fiber, or one after the sensor fiber
Herstellung der Sensorfaser eingebrachte Reflektionsstelle. Gemäß einer Weiterbildung umfaßt das Bereitstellen der Referenzübertragungsfunktion das Durchführen einer Frequenzbereichsreflektometrie-Messung an der Sensorfaser im Production of the sensor fiber introduced reflection point. According to a development, the provision of the reference transfer function comprises performing a frequency domain reflectometry measurement on the sensor fiber in
Ausgangszustand zur Ermittlung der Übertragungsfunktion der Sensorfaser im Initial state for determining the transfer function of the sensor fiber in
Frequenzbereich; das Ermitteln der Impulsantwort im Zeitbereich der Sensorfaser mittels inverser Fouriertransformation der Übertragungsfunktion; das Zerlegen der Impulsantwort in n Einzelimpulsfunktionen und eine Zeitbereich-Untergrundfunktion, die durch Subtraktion der Einzelimpulsfunktionen von der Impulsantwort erhalten wird; und das Durchführen einer Fouriertransformation für die n Einzelimpulsfunktionen und die Zeitbereich- Untergrundfunktion, um die Referenzübertragungsfunktion im Frequenzbereich als n Frequency range; the determination of the impulse response in the time domain of the sensor fiber by means of inverse Fourier transformation of the transfer function; decomposing the impulse response into n single-pulse functions and a time-domain background function obtained by subtracting the single-pulse functions from the impulse response; and performing a Fourier transform on the n single-pulse functions and the time-domain background function to obtain the reference transfer function in the frequency domain as n
Einzelreflektions Stellenfunktionen und eine Frequenzbereich-Untergrundfunktion Single-reflection digit functions and a frequency-domain background function
bereitzustellen. provide.
Gemäß einer Ausführungsform können die Modulationsfrequenzen für die optischen According to one embodiment, the modulation frequencies for the optical
Frequenzbereichsreflektometrie-Messungen im Bereich von 1 Hz bis 10 GHz liegen. Frequency domain reflectometry measurements are in the range of 1 Hz to 10 GHz.
Wie bereits oben gesagt hängt die Genauigkeit der Messung von dem verwendeten Gerät zur Messung der Übertragungsfunktion ab. Beispielsweise können Netwerkanalysatoren im Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 10 GHz verwendet werden. Wird eine hohe Genauigkeit angestrebt, so ist bei den Geräten eine kleine Filterbandbreite zu verwenden. Bei der genauen Messung sehr kurzer Abschnitte sind Geräte im Frequenzbereich über 10 GHz zu verwenden. As stated above, the accuracy of the measurement depends on the device used to measure the transfer function. For example, network analyzers can be used in the frequency range between 1 Hz and 10 GHz. If a high accuracy is desired, a small filter bandwidth should be used for the devices. When measuring very short sections, devices in the frequency range above 10 GHz must be used.
Gemäß noch einer Weiterbildung kann das Ermitteln der örtlichen Verschiebung das According to a further development, determining the local displacement can
Subtrahieren der Frequenzbereich-Untergrundfunktion für eine jeweilige Meßfrequenz von der Meßübertragungsfunktion bei dieser Meßfrequenz; das Bestimmen einer Subtracting the frequency domain background function for a respective measurement frequency from the measurement transfer function at that measurement frequency; determining a
Phasenverschiebung für eine jeweilige Reflektionsstelle; und das Bestimmen der örtlichen Verschiebung mittels der Phasenverschiebung umfassen. Typischerweise können diese Schritte mindestens einmal wiederholt werden, und wobei als neuer Eingangswert für die Positionen der Reflektions stellen, die um die vorhergehend ermittelte örtlichen Verschiebung korrigierten Positionen der Reflektions stellen verwendet wird. Phase shift for a respective reflection point; and determining the local displacement by means of the phase shift. Typically, these steps can be repeated at least once, and as a new input for the positions of the reflections, the positions of the reflections corrected by the previously determined local displacement are used.
Die Meßfrequenzen sind frei wählbar und jede Kombination von Meßfrequenzen ergibt eine Lösung, so daß das beschriebene Verfahren sehr flexibel ist. Gemäß noch einer Weiterbildung kann das Verfahren weiterhin eine optische Frequenzbereichsreflektometrie-Messung an einer Referenzsensorfaser oder einem The measurement frequencies are freely selectable and each combination of measurement frequencies provides a solution, so that the method described is very flexible. According to yet another embodiment, the method may further comprise an optical frequency domain reflectometry measurement on a reference sensor fiber or a
Referenzabschnitt der Sensorfaser umfassen, um eine Temperaturabhängigkeit der optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messungen an der Sensorfaser zu ermitteln. Im Anschluß kann dann die Kompensation der ermittelten Temperaturabhängigkeit in der ermittelten Dehnung der Sensorfaser und/oder die Bestimmung der Temperatur mindestens eines Abschnitts der Sensorfaser erfolgen. Include reference portion of the sensor fiber to determine a temperature dependence of the optical frequency domain reflectometry measurements on the sensor fiber. Subsequently, the compensation of the determined temperature dependence in the determined elongation of the sensor fiber and / or the determination of the temperature of at least one section of the sensor fiber can then take place.
Auf diese Weise kann das Meßverfahren auch in Bereichen eingesetzt werden, die starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. In this way, the measuring method can also be used in areas that are exposed to strong temperature fluctuations.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein System zur According to another aspect of the present invention, a system for the
Dehnungsmessung an einer Sensorfaser eine Sensorfaser, die an n vorbestimmten Positionen jeweils eine Reflektionsstelle aufweist, wobei n > 1 ist, eine mit der Sensorfaser verbundene Einrichtung zur Durchführung einer optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messung, und eine mit der Einrichtung verbundene Auswerteeinheit zur Ermittlung einer Dehnung der Sensorfaser, wobei das System eingerichtet ist, ein oben beschriebenes Verfahren Strain measurement on a sensor fiber, a sensor fiber having at n predetermined positions each have a reflection point, where n> 1, connected to the sensor fiber means for performing an optical frequency domain reflectometry measurement, and connected to the device evaluation unit for determining an elongation of the sensor fiber wherein the system is set up, a method as described above
auszuführen. perform.
Ein solches System kann die oben beschriebenen Vorteile des vorliegenden Such a system may have the above-described advantages of the present invention
Dehnungsmeßverfahrens in geeigneter Weise verwirklichen. Implement strain measurement in a suitable manner.
Gemäß einer Weiterbildung umfaßt das System mehrere Sensorfasern, die mit der Einrichtung zur Durchführung einer optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messung über mindestens einen optischen Splitter verbunden sind, wobei die Reflektionsstellen in den mehreren Sensorfasern so angeordnet sind, daß ihre jeweilige Positionen voneinander so verschieden sind, daß auch bei maximaler Dehnung der Sensorfasern die Positionen unterscheidbar sind. According to a further development, the system comprises a plurality of sensor fibers which are connected to the means for performing an optical frequency domain reflectometry measurement via at least one optical splitter, wherein the reflection points in the plurality of sensor fibers are arranged so that their respective positions are so different from each other at maximum strain of the sensor fibers the positions are distinguishable.
Auf diese Weise können mit einem einzelnen System gleich mehrere Strukturen oder verschiedene Abschnitte einer Struktur gleichzeitig überwacht werden. Der Einsatz eines oder mehrer weiterer Systeme wird dadurch überflüssig. In this way, a single system can simultaneously monitor multiple structures or different portions of a structure. The use of one or more other systems is thereby superfluous.
Gemäß noch einer Weiterbildung umfaßt das System weiterhin eine Referenzsensorfaser oder einen Referenzabschnitt der Sensorfaser, wobei die Referenzsensorfaser oder der Referenzabschnitt der Sensorfaser im wesentlichen parallel zur mindestens einen Sensorfaser verlaufen, wobei die Referenzsensorfaser oder der Referenzabschnitt der Sensorfaser eingerichtet sind, eine Temperaturabhängigkeit der optischen Frequenzbereichsreflektometrie- Messung zu ermitteln. According to a further development, the system further comprises a reference sensor fiber or a reference section of the sensor fiber, wherein the reference sensor fiber or the Reference portion of the sensor fiber extend substantially parallel to at least one sensor fiber, wherein the reference sensor fiber or the reference portion of the sensor fiber are adapted to determine a temperature dependence of the optical frequency domain reflectometry measurement.
Auf diese Weise kann das System unter Erhalt seiner Genauigkeit auch in Bereichen eingesetzt werden, in denen starke Temperaturschwankungen auftreten. In this way, the system can be used while maintaining its accuracy in areas where severe temperature fluctuations occur.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Dabei zeigt: eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will now be explained. 1 shows a schematic representation of a system according to an exemplary embodiment of the present invention.
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einem weiteren Fig. 2 is a schematic representation of a system according to another
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.  Embodiment of the present invention.
Fig. 3 ein Beispiel für eine Übertragungsfunktion der Sensorfaser im Frequenzbereich, die im Ausgangszustand der Sensorfaser ermittelt wurde. Fig. 3 shows an example of a transfer function of the sensor fiber in the frequency domain, which was determined in the initial state of the sensor fiber.
Fig. 4 die aus der Übertragungsfunktion gemäß Fig. 3 ermittelte Impulsantwort im FIG. 4 shows the impulse response determined in FIG. 3 from the transfer function according to FIG
Zeitbereich. die Zerlegung der Impulsantwort in Einzelimpulsfunktionen.  The time domain. the decomposition of the impulse response into single impulse functions.
Fig.6 die Subtraktion der Einzelimpulsfunktionen von der Impulsantwort,um eine FIG. 6 shows the subtraction of the individual impulse functions from the impulse response by one
Zeitbereich-Untergrundfunktion zu erhalten. die aus den Einzelimpulsfunktionen mittels Fouriertransformation g  To obtain time domain background function. from the single-pulse functions by Fourier transformation g
Einzelreflektionsstellenfunktionen im Frequenzbereich. die aus der Zeitbereich-Untergrundfunktion mittels Fouriertransformation gewonnene Frequenzbereich-Unter grundfunktion . Fig. 9 eine Dehnungsmessung an der in Fig.2 gezeigten Faser. Single reflection point functions in the frequency domain. the frequency domain subfunction derived from the time domain subsurface function by Fourier transformation. 9 shows a strain measurement on the fiber shown in FIG.
Fig. 10 eine weitere Dehnungsmessung an einer schwingenden Platte. 10 shows a further strain measurement on a vibrating plate.
Fig.11 eine schematische Darstellung eines Systems mit mehreren Sensorfasern gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 11 shows a schematic illustration of a system with a plurality of sensor fibers according to a further exemplary embodiment of the present invention.
Fig.12 eine schematische Darstellung eines Systems mit Temperaturkompensation gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 12 is a schematic representation of a system with temperature compensation according to yet another embodiment of the present invention.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 100 gemäß einem Fig. 1 shows a schematic representation of a system 100 according to a
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Darin ist eine Sensorfaser 110 mit einer Einrichtung 120 zur Durchführung einer optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messung (OFDR-Messung) verbunden. Die Einrichtung 120 umfaßtein Gerät zur Messung der komplexen Übertragungsfunktion 122, beispielsweise einen Netzwerkanalysator, Embodiment of the present invention. Therein, a sensor fiber 110 is connected to a device 120 for carrying out an optical frequency domain reflectometry measurement (OFDR measurement). The device 120 comprises a device for measuring the complex transfer function 122, for example a network analyzer,
typischerweise einen Vektor-Netzwerkanalysator, der mit einer Laserquelle 124, typically a vector network analyzer connected to a laser source 124,
typischerweise einer Dauerstrich-Laserquelle, verbunden ist. Der Netzwerkanalysator 122 erzeugt ein sinusförmiges Ausgangssignal mit der Frequenz f. Mittels dieses Signals wird eine Amplitudenmodulation der Laserquelle 124 vorgenommen, wobei der typically a continuous wave laser source. The network analyzer 122 generates a sinusoidal output signal of frequency f. By means of this signal, an amplitude modulation of the laser source 124 is performed, wherein the
Netzwerkanalysator 122 die Frequenz f in einem vorbestimmten Frequenzintervall mit vorgebbaren Frequenz schritten durchstimmen kann. Beispielsweise kann ein Network analyzer 122 can tune the frequency f in a predetermined frequency interval with predetermined frequency steps. For example, a
Frequenzintervall von 1 MHz bis 500 MHz in 1 MHz-Schritten durchlaufen werden. Das von der Laserquelle 124 abgegebene Licht wird über einen optischen Zirkulator 126 in die Sensorfaser 110 eingekoppelt. Der Zirkulator 126 koppelt weiterhin das in der Sensorfaser 110 reflektierte Signal aus und gibt dieses an eine Photodiode 128 weiter. Die Photodiode 128 wandelt das optische Signal vom Zirkulator 126 in ein elektrisches Signal um und gibt dieses Signal S an den Netzwerkanalysator 122 aus. Der Netzwerkanalysator 122 bestimmt nun anhand des Signals S die Übertragungsfunktion der Sensorfaser 110. Mit der Einrichtung 120, und typischerweise mit dem Netzwerkanalysator 122, ist eine Auswerteeinheit 130 zur Ermittlung einer Dehnung der Sensorfaser 110 verbunden. Die Auswerteeinheit 130 ist eingerichtet, ein Verfahren gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden auszuführen. Insbesondere kann die Auswerteeinheit 130 ein Computer sein, der programmtechnisch zur Ausführung eines solchen Verfahrens eingerichtet ist. Die Auswerteeinheit 130 kann mit einer Ausgabeeinheit (nicht gezeigt), beispielsweise einem Bildschirm oder einem Drucker, verbunden sein. Die von der Auswerteeinheit 130 ermittelte Dehnung kann dann auf der Ausgabeeinheit angezeigt bzw. ausgegeben werden. Frequency interval from 1 MHz to 500 MHz in 1 MHz increments. The light emitted by the laser source 124 is coupled into the sensor fiber 110 via an optical circulator 126. The circulator 126 further decouples the signal reflected in the sensor fiber 110 and passes it to a photodiode 128. The photodiode 128 converts the optical signal from the circulator 126 into an electrical signal and outputs this signal S to the network analyzer 122. The network analyzer 122 now determines the transfer function of the sensor fiber 110 on the basis of the signal S. An evaluation unit 130 for determining an expansion of the sensor fiber 110 is connected to the device 120, and typically to the network analyzer 122. The evaluation unit 130 is set up to carry out a method according to the exemplary embodiments of the present invention. In particular, the evaluation unit 130 may be a computer that is set up by the program to execute such a method. The evaluation unit 130 may be provided with an output unit (not shown), for example a screen or a printer, be connected. The strain determined by the evaluation unit 130 can then be displayed or output on the output unit.
In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einem weiteren In Fig. 2 is a schematic representation of a system according to another
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Darin weist die Sensorfaser 110 an vorbestimmten Positionen z1; z2 jeweils eine Reflektionsstelle Rl, R2 auf. Die Embodiment of the present invention shown. Therein, the sensor fiber 110 at predetermined positions z 1; z 2 each have a reflection point Rl, R2. The
Reflektions stellen Rl, R2 der Sensorfaser können beispielsweise durch Steckverbinder, insbesondere solche mit 0°-Schliff, gebildet sein, wobei die Steckverbinder zwei benachbarte Abschnitte der Sensorfaser miteinander verbinden. Im Rahmen der vorliegenden Reflection Rl, R2 of the sensor fiber can be formed for example by connectors, in particular those with 0 ° -schliff, the connectors connect two adjacent portions of the sensor fiber with each other. In the context of the present
Offenbarung werden also auch mehrere miteinander verbundene Fasern als eine Sensorfaser verstanden, da sie, wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 2, eine gemeinsame Fasermeßstrecke bilden können. Die Reflektions stellen Rl, R2 können jedoch auch anders gebildet sein. Beispielsweise können die Reflektions stellen Rl, R2 durch bei oder nach der Herstellung der Sensorfaser erzeugte Reflektions stellen gebildet sein. Desweiteren kann auch das offene Ende der Sensorfaser 110 selbst als Reflektionsstelle dienen, so es denn in einer Weise gestaltet ist, daß das Licht im wesentlichen reflektiert wird. Beispielsweise kann das Faserende einen 0°-Schliff aufweisen und/oder verspiegelt sein. Selbstverständlich ist die Anzahl und die Position der Reflektionsstellen in der Sensorfaser im wesentlichen frei wählbar. Es können also statt der in Fig. 2 gezeigten zwei Reflektionsstellen ganz allgemein n > 1 Reflektionsstellen in der Sensorfaser 110 vorgesehen sein. Revelation are therefore also understood to mean a plurality of interconnected fibers as a sensor fiber, since, as in the embodiment of FIG. 2, they can form a common fiber measurement path. However, the reflections R1, R2 can also be formed differently. For example, the reflection points R 1, R 2 can be formed by reflection positions produced during or after the production of the sensor fiber. Furthermore, the open end of the sensor fiber 110 itself can serve as a reflection point, so it is designed in such a way that the light is substantially reflected. By way of example, the fiber end can have a 0 ° grating and / or be mirrored. Of course, the number and the position of the reflection points in the sensor fiber is essentially freely selectable. Thus, instead of the two reflection points shown in FIG. 2, n> 1 reflection points in the sensor fiber 110 can be provided quite generally.
Im Folgenden wird nun ein Verfahren zur Dehnungsmessung an der Sensorfaser 110 gemäß Fig. 2 beispielhaft erläutert. Dazu wird zunächst eine Referenzübertragungsfunktion der Sensorfaser bereitgestellt. Die Referenzübertragungsfunktion wurde in einem vorbestimmten Ausgangszustand der Sensorfaser ermittelt. Dies kann beispielsweise ein ungedehnter Zustand der Sensorfaser sein, wenn anschließend Dehnungen beobachtet werden sollen. Umgekehrt kann die Sensorfaser aber auch in gedehntem Ausgangszustand eingebaut sein, wenn anschließend Stauchungen beobachtet werden sollen. Zur Ermittlung der In the following, a method for measuring the strain on the sensor fiber 110 according to FIG. 2 will now be explained by way of example. For this purpose, first a reference transfer function of the sensor fiber is provided. The reference transfer function was determined in a predetermined initial state of the sensor fiber. This may, for example, be an unstretched condition of the sensor fiber if subsequently strains are to be observed. Conversely, the sensor fiber can also be installed in a stretched initial state, if subsequent upsetting is to be observed. To determine the
Referenzübertragungsfunktion wird zunächst einer OFDR-Messung an der Sensorfaser 110 im Ausgangszustand und nach Kalibrierung des Meßsystems vorgenommen. Anhand dieser Messung wird die Übertragungsfunktion H(f) der Sensorfaser im Frequenzbereich ermittelt. Das Ergebnis dieser Messung ist in Fig. 3 gezeigt, wobei sowohl Betrag als auch Phase der Übertragungsfunktion dargestellt sind. In einem nächsten Schritt wird nun aus der Übertragungsfunktion H(f) eine Impulsantwort im Zeitbereich ermittelt. Dazu wird die Übertragungsfunktion H(f) einer inversen Reference transfer function is first made an OFDR measurement on the sensor fiber 110 in the initial state and after calibration of the measuring system. Based on this measurement, the transfer function H (f) of the sensor fiber is determined in the frequency domain. The result of this measurement is shown in FIG. 3, where both amount and phase of the transfer function are shown. In a next step, an impulse response in the time domain is now determined from the transfer function H (f). For this purpose, the transfer function H (f) becomes an inverse
Fouriertransformation unterworfen. Typischerweise wird die inversen Fouriertransformation als inverse Fast-Fouriertransformation ausgeführt. Die auf diese Weise erhaltene Subjected to Fourier transformation. Typically, the inverse Fourier transform is performed as an inverse fast Fourier transform. The obtained in this way
Impulsantwort h(z) im Zeitbereich ist in Fig. 4 gezeigt. Die beiden Reflexionssteilen Rl, R2 sind in der Impulsantwort h(z) deutlich erkennbar. Dabei ist zu erwähnen, daß die Impulse response h (z) in the time domain is shown in FIG. The two reflection parts Rl, R2 are clearly recognizable in the impulse response h (z). It should be mentioned that the
Signallaufzeiten mittels der Lichtgeschwindigkeit in der Sensorfaser direkt in Entfernungen umgerechnet wurden. Dennoch handelt es sich bei der Darstellung in Fig. 4 um eine Signal propagation times were converted directly into distances by means of the speed of light in the sensor fiber. Nevertheless, the representation in FIG. 4 is a
Zeitbereichsdarstellung. Time domain representation.
In einem nächsten Schritt wird nun die Impulsantwort h(z) in zwei Einzelimpulsfunktionen hi(z) und h2(z) zerlegt. Dies ist in Fig. 5 gezeigt. Dazu wird um jeden Einzelimpuls herum ein Bereich definiert (schraffierte Kasten in Fig. 5) und die Impulsantwort außerhalb dieser Bereiche gleich Null gesetzt. Auf diese Weise erhält die jeweiligen Impulsantworten separat für hi(z) und h2(z). Beispielsweise treten typischerweise Überschwinger neben dem jeweiligen Hauptpeak eines Einzelimpulses auf. In diesem Fall kann beispielsweise auf jeder Seite des Einzelimpulses das Minimum zwischen dem Hauptpeak und dem erstem Seitenpeak bestimmt werden. Der Bereich des Einzelimpulses wäre dann zwischen diesen beiden Minima gelegen. Allerdings hat sich gezeigt, daß die Ergebnisse des vorliegenden Verfahrens robust gegenüber dem Aus Schneidekriterium sind, so daß auch andere als das gerade beschriebene Kriterium zur Auswahl des Bereichs für einen jeweiligen Einzelimpuls herangezogen werden können. Die Zerlegung in Einzelimpulse erfolgt analog, falls die Sensorfaser eine andere Anzahl als zwei Reflektions stellen aufweist. In a next step, the impulse response h (z) is now decomposed into two single-impulse functions hi (z) and h 2 (z). This is shown in FIG. For this purpose, a region is defined around each individual pulse (hatched box in FIG. 5) and the impulse response outside of these regions is set to zero. In this way, the respective impulse responses are obtained separately for hi (z) and h 2 (z). For example, overshoots typically occur adjacent the respective major peak of a single pulse. In this case, for example, the minimum between the main peak and the first side peak can be determined on each side of the single pulse. The range of the single pulse would then be located between these two minima. However, it has been found that the results of the present method are robust to the off-cutting criterion, so that other than the just-described criterion for selecting the range for a particular single pulse can be used. The decomposition into individual pulses is analog, if the sensor fiber has a number other than two reflections.
Hat man die Einzelimpulsfunktionen hr(z) isoliert, so wird anschließend eine Zeitbereich- Untergrundfunktion ho(z) durch Subtraktion der Einzelimpulsfunktionen hr(z) von der Impulsantwort h(z) erhalten.
Figure imgf000011_0001
Once the individual impulse functions h r (z) have been isolated, then a time domain subsurface function ho (z) is obtained by subtracting the single impulse functions h r (z) from the impulse response h (z).
Figure imgf000011_0001
Dieser Vorgang sowie das Ergebnis sind in Fig. 6 veranschaulicht. Anschließend werden die für die Einzelimpulsfunktionen hr(z), also i und h2 im vorliegenden Ausführungsbeispiel, mittels einer Fouriertransformation wieder in den This process as well as the result are illustrated in FIG. Subsequently, for the individual impulse functions h r (z), that is to say i and h 2 in the present exemplary embodiment, they are returned to the mean by means of a Fourier transformation
Frequenzbereich überführt, um Einzelreflektionsstellenfunktionen Hr(f) zu erhalten. Die Einzelreflektions Stellenfunktionen H^f) und H2(f) für die erste und die zweite Frequency domain to obtain single reflection site functions H r (f). The single-reflection site functions H ^ f) and H 2 (f) for the first and the second
Reflektions stelle Rl, R2 sind in Fig. 7 gezeigt, wobei jeweils Betrag und Phase dargestellt sind. Gleichermaßen wird die Zeitbereich-Untergrundfunktion ho(z) mittels Reflection Rl, R2 are shown in Fig. 7, wherein each amount and phase are shown. Similarly, the time domain background function ho (z) is used by
Fouriertransformtaion in den Frequenzbereich überführt, um eine Frequenzbereich- Untergrundfunktion H0(f) zu erhalten. Die Frequenzbereich-Untergrundfunktion H0(f) für das konkrete Ausführungsbeispiel ist in Fig.8 gezeigt. Der Betrag IHr(f)l und Phase cpr(f) aller Reflexe für jede gemessene Frequenz f sowie Ho(f) sind nun bekannt und bilden die Fourier transform to the frequency domain to obtain a frequency domain background function H 0 (f). The frequency domain background function H 0 (f) for the specific embodiment is shown in FIG. The amount IH r (f) l and phase cp r (f) of all reflections for each measured frequency f and Ho (f) are now known and form the
Referenzübertragungsfunktion für die weiteren Verfahrensschritte. Die oben beschriebene Erstellung der Referenzübertragungsfunktion ist ein einmaliger Vorgang. Ist die Reference transfer function for the further process steps. The creation of the reference transfer function described above is a one-time process. Is the
Referenzübertragungsfunktion ermittelt, so kann sie vorgehalten und bei Bedarf abgerufen werden. Insofern sind die bislang beschriebenen Schritte lediglich als vorbereitend für das eigentliche Dehnungsmeßverfahren anzusehen. Reference transfer function determined so it can be held and retrieved as needed. In this respect, the steps described so far are merely to be regarded as preparatory to the actual strain measurement procedure.
Zur Durchführung der eigentlichen Dehnungsmessung werden OFDR-Messungen an der Sensorfaser durchgeführt. Dabei werden insgesamt m Messungen bei m voneinander verschiedenen Meßfrequenzen fk zur Ermittlung von m Meßübertragungsfunktionen Mk ausgeführt. Dabei gilt m > n, d.h. heißt die Zahl der Frequenzpunkte ist mindestens gleich der Zahl der Reflektionsstellen in der Sensorfaser. Wählt man m > n, so erhält man bei der Auswertung ein überbestimmtes Gleichungssystem und kann so die Genauigkeit der To perform the actual strain measurement, OFDR measurements are performed on the sensor fiber. In this case, a total of m measurements at m different measuring frequencies f k are performed to determine m Meßübertragungsfunktionen M k . In this case, m> n, ie the number of frequency points is at least equal to the number of reflection points in the sensor fiber. If one chooses m> n, one obtains an overdetermined system of equations in the evaluation and can thus the accuracy of the
Auswertung erhöhen. Dies wird nachfolgend eingehender erläutert. Increase evaluation. This will be explained in more detail below.
Im nächsten Schritt wird die örtliche Verschiebung ΔζΓ einer jeweiligen Reflektions stelle bestimmt, da sich aus der örtlichen Verschiebung die Dehnung ermitteln läßt. Allgemein erhält man die örtliche Verschiebung ΔζΓ, indem man zunächst die Frequenzbereich- Untergrundfunktion H0(fk) für eine jeweilige Meßfrequenz fk von der In the next step, the local displacement Δζ Γ a respective reflection point is determined, as can be determined from the local displacement, the strain. In general, one obtains the local displacement Δζ Γ by first determining the frequency domain subsurface function H 0 (f k ) for a respective measurement frequency f k of the
Meßübertragungsfunktion Mk bei dieser Meßfrequenz subtrahiert. Mit anderen Worten wird zunächst der Untergrund aus den Meßübertragungsfunktionen Mk entfernt. Weiterhin wird eine Phasenverschiebung ΔφΓ für eine jeweilige Reflektions stelle bestimmt und aus dieser wiederum die örtliche Verschiebung ΔζΓ. Die Ergebnisse der Messungen Mk an den beliebigen Frequenzpunkten fk der Frequenzen fk, k C{ l,...,m}, entsprechen (im Rahmen des Meßfehlers) der Summe der Measurement transfer function M k subtracted at this measurement frequency. In other words, the background is first removed from the Meßübertragungsfunktionen M k . Furthermore, a phase shift Δφ Γ for a respective reflection point is determined and from this in turn the local displacement Δζ Γ . The results of the measurements M k at the arbitrary frequency points f k of the frequencies f k , k C {1,..., M}, correspond (within the measuring error) to the sum of the
Einzelreflektions Stellenfunktionen Hrk und der Frequenzbereich-Untergrundfunktion Hok- Eine Laufzeitänderung, d.h. eine Positionsänderung, einer der Reflektions stellen gegenüber der Ausgangsmessung bewirkt eine Änderung der Phasenlage ΔφΓ der jeweiligen Single Reflection Position Functions H rk and the Frequency Domain Underground Function Ho k - A change in the transit time, ie a change in position, one of the reflection points compared to the output measurement causes a change in the phase position Δφ Γ of the respective one
Reflektions stelle Rr. Die Änderung der Phasenlage ΔφΓ dient somit als Indikator für die Positionsänderung und damit auch der Dehnung. Weiterhin wird die Annahme \H \ = const, d.h. es tritt keine Verluständerung entlang der Faser auf, getroffen. Diese Annahme ist beispielsweise für Singlemode- und Multimode-Glasfasern im gesamten zulässigen Reflection point R r . The change of the phase angle Δφ Γ thus serves as an indicator for the change in position and thus also the strain. Furthermore, the assumption \ H \ = const, ie no loss change occurs along the fiber. This assumption is, for example, for singlemode and multimode glass fibers throughout the permissible
Dehnungsbereich erfüllt. Für Polymerfasern müßte gegebenenfalls der Dehnungsbereich ermittelt werden, innerhalb dessen diese Annahme erfüllt ist. Aufgrund der Annahme IHrl = const. läßt sich durch Aufstellen eines komplexwertigen Gleichungssystems mit m = n Zeilen und n Spalten die jeweilige Phase φΓ berechnen. Für die Bestimmung der Phasenlage aller n Reflexionsstellen in der Faser sind somit nur n Messungen Mk = 1...n nötig. Für das konkrete Ausführungsbeispiel von zwei Reflexionen, die bei den Frequenzen fk=l und fk=2, mit fk > fk- i für k=2..m, gemessen wurden, ergibt sich das folgende Gleichungs System: Stretching area fulfilled. For polymer fibers, if necessary, the range of expansion would have to be determined, within which this assumption is fulfilled. Because of the assumption IH rl = const. By calculating a complex system of equations with m = n rows and n columns, the respective phase φ Γ can be calculated. Thus, for the determination of the phase position of all n reflection sites in the fiber, only n measurements M k = 1... N are necessary. For the specific embodiment of two reflections, which were measured at the frequencies f k = 1 and f k = 2, with f k > f k -i for k = 2..m., the following equation system results:
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0001
Darin sind die einzelnen Gleichungen über die Hilfsgrößen Ark miteinander verknüpft. Die Ark stellen die relative Phasenverschiebung der Messung mit der Frequenz fk = 1 zur Messung mit der Frequenz fk dar und sind abhängig von der Position des Reflexes zr und dem Therein, the individual equations are linked to one another via the auxiliary quantities A rk . The A rk represent the relative phase shift of the measurement with the frequency f k = 1 for the measurement with the frequency f k and depend on the position of the reflex z r and the
Frequenzunterschied Af = fk - fi. Genauer gesagt ergeben sich die Ark wie folgt: Frequency difference Af = f k - fi. More precisely, the rules are as follows:
Figure imgf000013_0002
Figure imgf000013_0002
Dabei ist c0 die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit und ngr der Brechungsindex der Faser. Here, c 0 is the vacuum speed of light and n gr is the refractive index of the fiber.
Wie bereits erwähnt läßt sich durch Überbestimmung des Gleichungssystems auf m > n Frequenzpunkte die Genauigkeit noch erhöhen. Für den überbestimmten fall ergibt sich das folgende allgemeine Gleichungs System für n Reflexionen und m Frequenzpunkte:
Figure imgf000014_0001
As already mentioned, the accuracy can be increased by overdetermination of the system of equations to m> n frequency points. For the overdetermined case, the following general equation system results for n reflections and m frequency points:
Figure imgf000014_0001
Die auf die oben beschriebene Weise erhaltenen Gleichungssysteme werden nun nach
Figure imgf000014_0005
aufgelöst und die Phasenverschiebung ΔφΓ wird berechnet. Dabei ergibt die Änderung des berechneten cpr gegenüber der zu Beginn bestimmten Phasenlage der Referenzmessung
Figure imgf000014_0006
die Phasenverschiebung ΔφΓ. Diese kann durch den folgenden Ausdruck bestimmt werden:
Figure imgf000014_0002
The equation systems obtained in the manner described above now become
Figure imgf000014_0005
resolved and the phase shift Δφ Γ is calculated. The change of the calculated cpr compared to the phase position determined at the beginning results in the reference measurement
Figure imgf000014_0006
the phase shift Δφ Γ . This can be determined by the following expression:
Figure imgf000014_0002
Dabei ist die Funktion atan2 der Arcustangens mit zwei Argumenten, der wie folgt definiert ist: Where the function atan2 is the arctangent with two arguments, defined as follows:
Figure imgf000014_0003
Figure imgf000014_0003
Das erste Argument ist das Kreuzprodukt und das zweite Argument das Skalarprodukt zwischenThe first argument is the cross product and the second argument is the scalar product between
Figure imgf000014_0007
Figure imgf000014_0007
Aus den so erhaltenen ΔφΓ lassen sich die Positionsänderungen ΔζΓ mit sehr hoher From the thus obtained Δφ Γ can the position changes Δζ Γ with very high
Genauigkeit wie folgt berechnen: Calculate accuracy as follows:
Figure imgf000014_0004
Aus diesen Positionsänderungen ΔζΓ der Reflektions stellen Rl, R2 lassen sich dann anhand der ursprünglichen Längen z\ und z2 der Faserabschnitte die Dehnungswerte für einen oder mehrere Abschnitte der Sensorfaser ermitteln.
Figure imgf000014_0004
From these changes in position Δζ Γ of the reflection Rl, R2 can then be determined on the basis of the original lengths z \ and z 2 of the fiber sections, the strain values for one or more sections of the sensor fiber.
Gemäß einer Weiterbildung können die obigen Schritte auch wiederholt werden. Dabei werden dann als neue Eingangswerte für die Positionen zr der Reflektionsstellen, die um die vorhergehend ermittelte örtlichen Verschiebung ΔζΓ korrigierten Positionen zr + ΔζΓ der Reflektionsstellen verwendet. Da nämlich zur Berechnung von Ark die Positionen der Reflektionsstellen z\ und z2 der Referenzmessung angenommen wurden, kann das Ergebnis mittels einer Iteration mit den neu berechneten Reflektionspositionen zr = zr + ΔζΓ präzisiert werden. Der Wert zr konvergiert schnell und stabil, so daß nur wenige Iterationen According to a development, the above steps can also be repeated. In this case, then, as new input values for the positions z r of the reflection sites, the positions z r + Δζ Γ of the reflection sites corrected by the previously determined local displacement Δζ Γ are used. Namely, since the calculation of A rk the positions of the reflection points z \ and z 2 of the reference measurement adopted, the result by means of an iteration with the newly calculated reflection positions can, for r = z r + Δζ Γ be clarified. The value z r converges quickly and stably so that only a few iterations
durchzuführen sind. are to be carried out.
Mit dem oben beschriebenen Verfahren sind sehr schnelle Dehnungsmessungen möglich, da jeweils nur n Frequenzen für n Reflexionen gemessen werden müssen, d.h man kommt mit der Meß wiederholrate in die Größenordnung von 100 Hz oder mehr. Auf diese Weise können insbesondere dynamische Vorgänge, etwa die Durchbiegung von Rotorblättern von With the method described above very fast strain measurements are possible, since only n frequencies for n reflections must be measured, that is, it comes with the repetition rate in the order of 100 Hz or more. In this way, in particular dynamic processes, such as the deflection of rotor blades of
Windkraftanlagen im Betrieb, sehr gut erfaßt werden. Gleichzeitig liefert das Verfahren eine sehr hohe Genauigkeit bis in den Mikrometerbereich hinein. Die Genauigkeit der Messung läßt sich dabei erhöhen, wenn mehr Messungen vorgenommen werden, als Reflektionsstellen in der Sensorfaser vorhanden sind (m > n). Wind turbines in operation, very well detected. At the same time, the method provides very high accuracy down to the micrometer range. The accuracy of the measurement can be increased if more measurements are made than reflection points are present in the sensor fiber (m> n).
Das Verfahren erlaubt darüber hinaus die gleichzeitige Messung von n Reflexionen, d.h. n einzelnen Faserstrecken, in Reflexion. Daher kann von einer Seite der Faser aus gemessen werden und es muß auch nur eine Sensorfaser in der zu überwachenden Struktur installiert werden. The method also allows the simultaneous measurement of n reflections, i. n individual fiber lengths, in reflection. Therefore, it is possible to measure from one side of the fiber and also only one sensor fiber has to be installed in the structure to be monitored.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Phasenauswertungsverfahren weist das vorliegende In contrast to conventional phase evaluation methods, the present
Verfahren einen stark erweiterten Meßbereich bei gleichzeitig großer Genauigkeit auf. Dabei ist die Präzision der Messung jedoch nicht, wie bei herkömmlichen Process on a greatly extended range at the same time great accuracy. However, the precision of the measurement is not, as in conventional
Phasenauswertungsverfahren, von der maximalen Modulationsfrequenz abhängig, sondern lediglich von der Genauigkeit des verwendeten Gerätes zur Messung der  Phase evaluation method, depending on the maximum modulation frequency, but only on the accuracy of the device used to measure the
Übertragungsfunktion. Daher stellt das vorliegende Verfahren vergleichsweise geringere Ansprüche an den Frequenzbereich der verwendeten Komponenten, wodurch kostengünstigere Komponenten verwendet werden können. Transfer function. Therefore, the present method is comparatively less Demands on the frequency range of the components used, whereby less expensive components can be used.
In Fig. 9 ist eine zeitaufgelöste Dehnungsmessung an der in Fig.2 dargestellten Faser gezeigt. Dabei wurde die zweite Faserstrecke (z = z\...z2, grüne Linie) mehrmals mit der Hand gedehnt, wobei die Faserstrecke bis zur ersten Reflektionsstelle (z = zo...z1; blaue Linie) unverändert geblieben ist. FIG. 9 shows a time-resolved strain measurement on the fiber shown in FIG. In this case, the second fiber path (z = z \ z 2 , green line) was stretched several times by hand, wherein the fiber distance has remained unchanged up to the first reflection point (z = zo ... z 1, blue line).
In Fig. 10 ist eine weitere zeitaufgelöste Messung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Zur Demonstration der dynamischen Messung mit mehreren Reflektions stellen wurde der nachfolgend beschriebene Demonstrator gebaut. Auf eine 8 mm starke Spanplatte wurden auf beide Seiten jeweils zwei Singlemodefasern in vorgespanntem Zustand geklebt, so daß bei einer Biegung der Spanplatte jeweils zwei Fasern gedehnt und zwei Fasern gestaucht werden. Die einzelnen Faserstrecken sind mittels Fasersteckern mit starken Reflexen verbunden. Die Messung in Fig.10 zeigt die Spanplatte in Ruhestellung (t < ls), die Auslenkung zu einer Seite hin (t = (ls ... 3,2s)) sowie eine freie, gedämpfte FIG. 10 shows another time-resolved measurement according to an embodiment of the present invention. To demonstrate the dynamic measurement with multiple reflectors, the demonstrator described below was built. Two single-mode fibers were glued in a prestressed state to an 8 mm thick chipboard on both sides, so that in each case a bending of the chipboard two fibers are stretched and two fibers are compressed. The individual fiber sections are connected by means of fiber connectors with strong reflections. The measurement in FIG. 10 shows the chipboard at rest (t <ls), the deflection to one side (t = (ls... 3,2s)) and a free, damped one
Schwingung nach der Auslenkung (t > 3,2s). Die Messung zeigt, daß sämtliche Oscillation after deflection (t> 3,2s). The measurement shows that all
Faserabschnitte hervorragende Übereinstimmung in Betrag und Vorzeichen mit dem erwarteten Verhalten zeigen. Die Messung zeigt ebenfalls die Fähigkeit des Systems, mehrere Sensorfasern gleichzeitig und unabhängig voneinander zu überwachen. Fiber sections show excellent agreement in magnitude and sign with the expected behavior. The measurement also demonstrates the ability of the system to monitor multiple sensor fibers simultaneously and independently.
In Fig.11 ist eine schematische Darstellung eines Systems 200 mit mehreren Sensorfasern gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dabei umfaß das System eine erste Sensorfaser 210 und eine zweite Sensorfaser 212. Die erste Sensorfaser 210 weist eine erste Reflektionsstelle Rl im Abstand z\ und eine zweite Referring now to Figure 11, there is shown a schematic representation of a multiple sensor fiber system 200 in accordance with another embodiment of the present invention. In this case, the system comprises a first sensor fiber 210 and a second sensor fiber 212. The first sensor fiber 210 has a first reflection point Rl at a distance z \ and a second
Reflektionsstelle R2 im Abstand z2 auf. Die zweite Sensorfaser 212 weist eine dritte Reflection R2 at a distance z 2 on. The second sensor fiber 212 has a third one
Reflektionsstelle R3 im Abstand z3 und eine vierte Reflektionsstelle R4 im Abstand z4 auf. Die Reflektionsstellen Rl, R2, R3, R4 in der ersten und der zweiten Sensorfaser 210, 212 sind so angeordnet, daß ihre jeweilige Positionen z1; z2, z , z4 voneinander so verschieden sind, daß auch bei maximaler Dehnung der Sensorfasern 210, 212 die Positionen z1; z2, z , z4 unterscheidbar sind. Beispielsweise kann z\ = 100 m, z2 = 200 m, z3 = 50 m und z4 = 150 m sein. Auf diese Weise können die Einzelimpulse eindeutig den jeweiligen Reflektionsstellen zugeordnet werden, selbst wenn die erste und die zweite Sensorfaser jeweils maximal und in entgegengesetzter Richtung gedehnt sind. Die erste und die zweite Sensorfaser 210, 212 sind über einen optischen Koppler bzw. einen optische Splitter 240 mit der Einrichtung 120 zur OFDR- Messung verbunden. Mittels des Kopplers/Splitters 240 ist ein Multiplexen der Signale in der ersten Faser 210 und der zweiten Faser 212 möglich. Aufgrund des hinreichenden Abstands zwischen den Reflektions stellen können diese jedoch eindeutig zugeordnet werden. Reflection point R3 at a distance z 3 and a fourth reflection point R4 at a distance z 4 . The reflection points R1, R2, R3, R4 in the first and second sensor fibers 210, 212 are arranged so that their respective positions z 1; z 2 , z, z 4 are so different from one another that even at maximum elongation of the sensor fibers 210, 212 the positions z 1; z 2 , z, z 4 are distinguishable. For example, z \ = 100 m, z 2 = 200 m, z 3 = 50 m and z 4 = 150 m. In this way, the individual pulses can be clearly assigned to the respective reflection points, even if the first and the second sensor fibers are stretched maximally and in opposite directions. The first and second sensor fibers 210, 212 are Connected via an optical coupler or an optical splitter 240 to the device 120 for OFDR measurement. By means of the coupler / splitter 240 multiplexing of the signals in the first fiber 210 and the second fiber 212 is possible. Due to the sufficient distance between the reflection, however, these can be unambiguously assigned.
Die Fig.12 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 300 mit FIG. 12 shows a schematic representation of a system 300 with
Temperaturkompensation gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei langen Meßstrecken bzw. bei Anwendungen, bei denen starke Temperature compensation according to yet another embodiment of the present invention. For long measuring distances or in applications where strong
Temperaturänderungen auftreten können, ist die Genauigkeit der Längenänderungsmessung im Grunde durch Temperatureinflüsse begrenzt. Die thermische Ausdehnung der Faser bzw. des Mantelmaterials oder des Kabels sowie die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex der Faser haben Auswirkung auf die absolut gemessenen Positionen der Reflexionssteilen. Eine Temperaturkompensation zur Trennung von Temperatur und Dehnung ist durch die im wesentlichen parallele Installation einer Faser gleichen Typs mit Längenreserve zu erreichen. Aufgrund der Längenreserve tritt keine Dehnung der Sensorfaser ein, so daß in diesen Fasern oder Faserabschnitten ausschließlich der temperaturinduzierte Effekt gemessen wird. Temperature changes may occur, the accuracy of the change in length measurement is basically limited by temperature influences. The thermal expansion of the fiber or sheath material or of the cable and the temperature dependence of the refractive index of the fiber have an effect on the absolutely measured positions of the reflection parts. A temperature compensation for the separation of temperature and strain is achieved by the substantially parallel installation of a fiber of the same type with length reserve. Due to the length reserve, no stretching of the sensor fiber occurs, so that only the temperature-induced effect is measured in these fibers or fiber sections.
Daher weist das System 300 gemäß Fig. 12 Referenzabschnitte 312, 314 der Sensorfaser 310 auf, die im wesentlichen parallel zur einen Sensorfaser 310 verlaufen und mit Längenreserve verlegt sind. Dabei dient der Referenzabschnitt 312 zwischen einer dritten und einer vierten Reflektions stelle R3, R4 der Sensorfaser 310 als Temperaturreferenz zum Therefore, the system 300 according to FIG. 12 has reference sections 312, 314 of the sensor fiber 310, which run essentially parallel to a sensor fiber 310 and are laid with a length reserve. Here, the reference section 312 serves between a third and a fourth reflection point R3, R4 of the sensor fiber 310 as a temperature reference to
Dehnungsmeßabschnitt zwischen zo und z1; d.h. dem Faserabschnitt bis zur ersten Strain gauge between zo and z 1; ie the fiber section to the first
Reflektions stelle Rl. Gleichermaßen dient der Referenzabschnitt 314 zwischen der zweiten und der dritten Reflektions stelle R2, R3 der Sensorfaser 310 als Temperaturreferenz zum Dehnungsmeßabschnitt zwischen z\ und z2, d.h. dem Faserabschnitt zwischen ersten Reflection point Rl. Similarly, the reference portion 314 between the second and the third reflection point R2, R3 of the sensor fiber 310 serves as a temperature reference to the strain gauge between z \ and z 2 , ie the fiber section between the first
Reflektions stelle Rl und der zweiten Reflektions stelle R2. Aufgrund der so ermittelten Temperaturabhängigkeit kann die gemessene Dehnung der Sensorfaser entsprechend kompensiert werden. Dabei kann die gemessene Längenänderung des Referenzabschnitts auf die jeweils installierten Längen der zugeordneten Dehnungsmeßabschnitte der Sensorfaser normiert werden. Der so ermittelte temperaturabhängige Effekt wird dann von der gemessenen Längenänderung der Dehnungsmeßabschnitte abgezogen. Auf diese Weise erhält man ein temperaturkompensiertes Dehnungssignal. Zusätzlich oder alternativ kann aufgrund der Referenzabschnitte auch die Temperatur eines jeweiligen Abschnitts der Sensorfaser 310 ermittelt werden. Reflection point Rl and the second reflection point R2. Due to the thus determined temperature dependence, the measured strain of the sensor fiber can be compensated accordingly. In this case, the measured change in length of the reference section can be normalized to the respective installed lengths of the associated strain gauges of the sensor fiber. The thus determined temperature-dependent effect is then subtracted from the measured change in length of the strain gauges. In this way one obtains a temperature-compensated strain signal. Additionally or alternatively On the basis of the reference sections, the temperature of a respective section of the sensor fiber 310 can also be determined.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden. The present invention has been explained with reference to exemplary embodiments. These embodiments should by no means be construed as limiting the present invention.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Dehnungsmessung an einer Sensorfaser, umfassend die Schritte: Claims 1. A method of strain measurement on a sensor fiber comprising the steps of:
(a) Bereitstellen mindestens einer Sensorfaser, die an n vorbestimmten (a) providing at least one sensor fiber which is predetermined at n
Positionen (zr) jeweils eine Reflektionsstelle aufweist, wobei n > 1 ist; Positions (z r ) each having a reflection point, where n>1;
(b) Bereitstellen einer Referenzübertragungsfunktion (H0, Hr) der Sensorfaser, wobei die Referenzübertragungsfunktion (H0, Hr) in einem vorbestimmten Ausgangszustand der Sensorfaser ermittelt wurde; (b) providing a reference transmission function (H 0 , H r ) of the sensor fiber, wherein the reference transfer function (H 0 , H r ) has been determined in a predetermined initial state of the sensor fiber;
(c) Durchführen von m > n optischen Frequenzbereichsreflektometrie- Messungen bei m voneinander verschiedenen Meßfrequenzen (fjj zur Ermittlung von m Meßübertragung sfunktionen (Mk); (c) performing m> n optical frequency domain reflectometry measurements at m different measuring frequencies (fjj for determining m Meßübertrag sfunktionen (M k );
(d) Ermitteln einer örtlichen Verschiebung (ΔζΓ) mindestens einer Reflektionsstelle anhand der Referenzübertragungsfunktion (Ho, Hr) und der Meßübertragungsfunktionen (MjJ; und (d) determining a local displacement (Δζ Γ ) of at least one reflection point from the reference transfer function (Ho, H r ) and the measurement transfer functions (MjJ;
(e) Ermitteln der Dehnung eines zu der mindestens einen Reflektionsstelle benachbarten Abschnitts der Sensorfaser anhand der ermittelten örtlichen Verschiebung (ΔζΓ) der Reflektionsstelle. (E) determining the strain of a portion of the sensor fiber adjacent to the at least one reflection point on the basis of the determined local displacement (Δζ Γ ) of the reflection point.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (a) die Reflektionsstellen der 2. The method of claim 1, wherein in step (a) the reflection points of
Sensorfaser umfassen: ein Ende der Sensorfaser, einen Steckverbinder, der zwei benachbarte Abschnitte der Sensorfaser miteinander verbindet, eine bei der Herstellung der Sensorfaser erzeugte Reflektionsstelle, eine nach der Herstellung der Sensorfaser eingebrachte Reflektionsstelle.  Sensor fibers include: one end of the sensor fiber, a connector interconnecting two adjacent portions of the sensor fiber, a reflection spot created in the manufacture of the sensor fiber, a reflection spot introduced after fabrication of the sensor fiber.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Schritt (b) weiterhin umfaßt: The method of claim 1 or 2, wherein step (b) further comprises:
(bl) Durchführen einer Frequenzbereichsreflektometrie-Messung an der (bl) performing a frequency domain reflectometry measurement on the
Sensorfaser im Ausgangszustand zur Ermittlung der Übertragungsfunktion (H(f)) der Sensorfaser im Frequenzbereich; (b2) Ermitteln der Impulsantwort (h(z)) im Zeitbereich der Sensorfaser mittels inverser Fouriertransformation der Übertragungsfunktion (H(f)); Sensor fiber in the initial state for determining the transfer function (H (f)) of the sensor fiber in the frequency domain; (b2) determining the impulse response (h (z)) in the time domain of the sensor fiber by means of inverse Fourier transformation of the transfer function (H (f));
(b3) Zerlegen der Impulsantwort (h(z)) in n Einzelimpulsfunktionen (hk(zr)) und eine Zeitbereich-Untergrundfunktion (ho(z)), die durch Subtraktion der Einzelimpulsfunktionen (hk(zr)) von der Impulsantwort (h(z)) erhalten wird; und (b3) decomposing the impulse response (h (z)) into n single-pulse functions (h k (z r )) and a time-domain background function (ho (z)) obtained by subtracting the single-pulse functions (h k (z r )) from the Impulse response (h (z)) is obtained; and
(b4) Durchführen einer Fouriertransformation für die n Einzelimpulsfunktionen (hk(zr)) und die Zeitbereich-Untergrundfunktion (ho(z)), um die (b4) performing a Fourier transform for the n single-pulse functions (h k (z r )) and the time-domain background function (ho (z)) to obtain the
Referenzübertragungsfunktion im Frequenzbereich als n Einzelreflektions Stellenfunktionen (Hk(f)) und eine Frequenzbereich- Untergrundfunktion (Ho(f)) bereitzustellen. Frequency-domain reference transfer function as n single-reflection digit functions (H k (f)) and a frequency-domain subsurface function (Ho (f)).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt (c) die 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein in step (c) the
Modulationsfrequenzen (fk)für die optischen Frequenzbereichsreflektometrie- Messungen im Bereich von 1 Hz bis 10 GHz liegen. Modulation frequencies (f k ) for the optical frequency domain reflectometry measurements in the range of 1 Hz to 10 GHz.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt (d) umfaßt: 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein step (d) comprises:
(dl) Subtrahieren der Frequenzbereich-Untergrundfunktion (Ho(fk)) für eine jeweilige Meßfrequenz (fk) von der Meßübertragung sfunktion (Mk) bei dieser Meßfrequenz; (dl) subtracting the frequency domain background function (Ho (f k )) for a respective measurement frequency (f k ) from the measurement transfer function (M k ) at that measurement frequency;
(d2) Bestimmen einer Phasenverschiebung (ΔφΓ) für eine jeweilige Reflektionsstelle; und (d2) determining a phase shift (Δφ Γ ) for a respective reflection location; and
(d3) Bestimmen der örtlichen Verschiebung (ΔζΓ) mittels der (d3) determining the local displacement (Δζ Γ ) by means of
Phasenverschiebung (ΔφΓ). Phase shift (Δφ Γ ).
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Schritte (dl) bis (d3) mindestens einmal wiederholt werden, und wobei als neuer Eingangswert für die Positionen (zr) der Reflektions stellen, die um die vorhergehend ermittelte örtlichen Verschiebung (ΔζΓ) korrigierten Positionen (zr + ΔζΓ) der Reflektionsstellen verwendet wird. 6. The method of claim 5, wherein the steps (dl) to (d3) are repeated at least once, and wherein as a new input value for the positions (z r ) of Reflection points, which is used to the previously determined local displacement (Δζ Γ ) corrected positions (z r + Δζ Γ ) of the reflection points.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: A method according to any one of the preceding claims, further comprising:
(f) eine optische Frequenzbereichsreflektometrie-Messung an einer(f) an optical frequency domain reflectometry measurement on a
Referenzsensorfaser oder einem Referenzabschnitt der Sensorfaser, um eine Temperaturabhängigkeit der optischen Reference sensor fiber or a reference portion of the sensor fiber to a temperature dependence of the optical
Frequenzbereichsreflektometrie-Messungen an der Sensorfaser zu ermitteln; und  Determine frequency domain reflectometry measurements on the sensor fiber; and
(fl) Kompensation der ermittelten Temperaturabhängigkeit in der ermittelten Dehnung der Sensorfaser; und/oder (fl) compensation of the determined temperature dependence in the determined strain of the sensor fiber; and or
(f2) Bestimmung der Temperatur mindestens eines Abschnitts der Sensorfaser. (f2) determining the temperature of at least a portion of the sensor fiber.
8. System zur Dehnungsmessung an einer Sensorfaser, umfassend eine Sensorfaser (110), die an n vorbestimmten Positionen (zr) jeweils eine Reflektions stelle (Rl, R2) aufweist, wobei n > 1 ist, eine mit der Sensorfaser (110) verbundene Einrichtung (120) zur Durchführung einer optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messung, und eine mit der Einrichtung (120) verbundene Auswerteeinheit (130) zur Ermittlung einer Dehnung der Sensorfaser (110), wobei das System eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der 8. A system for strain measurement on a sensor fiber, comprising a sensor fiber (110) having at n predetermined positions (z r ) each having a reflection point (Rl, R2), where n> 1, one with the sensor fiber (110) connected A device (120) for performing an optical frequency domain reflectometry measurement, and an evaluation unit (130) connected to the device (120) for determining an elongation of the sensor fiber (110), the system being set up, a method according to one of
vorhergehenden Ansprüche auszuführen.  previous claims.
9. System nach Anspruch 8, wobei das System mehrere Sensorfasern (210, 212) umfaßt, die mit der Einrichtung (120) zur Durchführung einer optischen Frequenzbereichsreflektometrie-Messung über mindestens einen optischen Splitter (240) verbunden sind, und wobei die Reflektionsstellen (Rl, R2, R3, R4) in den mehreren Sensorfasern so angeordnet sind, daß ihre jeweilige Positionen (zr) voneinander so verschieden sind, daß auch bei maximaler Dehnung der Sensorfasern die Positionen (zr) unterscheidbar sind. The system of claim 8, wherein the system comprises a plurality of sensor fibers (210, 212) connected to the means (120) for performing an optical frequency domain reflectometry measurement via at least one optical splitter (240), and wherein the reflection locations (Rl , R2, R3, R4) in the a plurality of sensor fibers are arranged so that their respective positions (z r ) of each other are so different that even at maximum strain of the sensor fibers, the positions (z r ) are distinguishable.
10. System nach Anspruch 8 oder 9, weiterhin umfassend eine Referenzsensorfaser oder einen Referenzabschnitt (312, 314) der Sensorfaser (310), wobei die Referenzsensorfaser oder der Referenzabschnitt (312, 314) der Sensorfaser im wesentlichen parallel zur mindestens einen Sensorfaser (310) verlaufen, wobei die Referenzsensorfaser oder der Referenzabschnitt (312, 314) der Sensorfaser eingerichtet sind, eine Temperaturabhängigkeit der optischen 10. System according to claim 8 or 9, further comprising a reference sensor fiber or a reference portion (312, 314) of the sensor fiber (310), wherein the reference sensor fiber or the reference portion (312, 314) of the sensor fiber substantially parallel to the at least one sensor fiber (310). run, wherein the reference sensor fiber or the reference portion (312, 314) of the sensor fiber are arranged, a temperature dependence of the optical
Frequenzbereichsreflektometrie-Messung zu ermitteln.  Determine frequency domain reflectometry measurement.
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