Analyse und Modellierung intrinsischer und extrinsischer Einflüsse auf die phasenbasierte Dehnungsmessung mit optischen Polymerfasern

Optische Polymerfasern eignen sich aufgrund ihrer mechanischen Robustheit und ihrer großen Dehnbarkeit für den Einsatz in optischen Dehnungssensoren. Ein mögliches Messprinzip stellt hierbei die Phasenmessung einer intensitätsmodulierten Lichtwelle am Ende der optischen Polymerfaser dar. Anhand einer detektierten Phasenänderung kann auf eine aufgetretene Dehnung der Faser geschlossen werden. Aufgrund verschiedener Einflüsse besteht jedoch keine lineare Beziehung zwischen der messbaren Phasenänderung und der tatsächlichen Dehnung der Faser. Werden diese Einflüsse nicht berücksichtigt, tritt bei der Dehnungsmessung ein systematischer Fehler auf.

Die vorliegende Arbeit behandelt im Wesentlichen optische Einflüsse auf das Messergebnis eines solchen Dehnungssensors. Hierzu zählen unter anderem Modendispersion, Dämpfung und Streuung in der Faser, die winkelabhängige relative Empfindlichkeit des verwendeten optischen Empfängers. Die relevanten Einflüsse werden systematisch erfasst und in ein neu entwickeltes Simulationsmodell integriert, das auf experimentell ermittelten Faserparametern beruht und in der Lage ist, die Auswirkung der genannten Einflüsse auf die detektierbare Phasenänderung zu beschreiben. In Konsequenz lässt sich eine gemessene Phasendifferenz exakter interpretieren und der systematische Messfehler deutlich reduzieren, wie durch die experimentelle Verifikation der Simulationsergebnisse gezeigt wird.