Der Fabry-Pérot Beschleunigungssensor im kompakten Formfaktor

Der Fabry-Pérot Beschleunigungssensor im kompakten Formfaktor

Haben Sie schon einmal versucht, mit geschlossenen Augen auf einer kurvigen Straße zu fahren? Hoffentlich nicht! Diese Analogie ist allerdings für den Betrieb von Windkraftanlagen noch immer häufig zutreffend. Denn in der Mehrzahl der Windkraftanlagen fehlt das notwendige Equipment, um konkrete Erkenntnisse aus den Rotorblättern generieren zu können. Dabei könnten diese Informationen helfen, den Anlagenbetrieb zu optimieren, Kosten zu reduzieren und die Sicherheitsreserven im Betrieb besser auszunutzen.

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Erkenntnisse aus Sensordaten

Wie gelangen wir an diese wertvollen Daten zur Betriebsoptimierung? Aus Lasten und Beschleunigungen an den Rotorblättern lassen sich im Grunde die wesentlichen Erkenntnisse ableiten, die wir brauchen. Und diese Daten liefern verschiedene, in den Rotorblättern verbaute Sensoren. Die Ansprüche an solche Sensoren sind allerdings hoch und vielfältig:

Die Sensoren müssen über die gesamte Laufzeit der Anlage in harten Umgebungen zuverlässig und wartungsfrei arbeiten. Es müssen sehr hohe Lastzyklen ausgehalten werden und sie sollten überdies immun gegenüber elektromagnetischen Störungen und Blitzschlag sein.

Warum setzen wir auf das Fabry-Pérot Prinzip?

Faseroptische Dehnungs- und Beschleunigungsmessung zählen zu den Kernkompetenzen von PolyTech und die erfassten Daten aus den Rotorblättern dienen als Basis für zahlreiche Lösungen. Der neue Fabry-Pérot (FP) Beschleunigungssensor aus dem Hause PolyTech bringt nun die gewohnten Vorzüge faseroptischen Messens in einen sehr kleinen Formfaktor von ca. 1,5 cm im Quadrat.

Dadurch eröffnen sich komplett neue Anwendungen und Positionierungsmöglichkeiten. Gleichzeitig decken wir einen größeren Messbereich ab und können auch die Überlastgrenze des Sensors weiter erhöhen.

Laura Lohr, zuständige Sensorentwicklerin: „Zusammengefasst kann man sagen, der neue Sensor wird noch robuster, deutlich kleiner und leichter und behält dabei alle positiven Eigenschaften, die wir von faseroptischer Mess- und Sensortechnologie kennen.“

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Exkurs in die Technik. Wie funktioniert das Fabry-Pérot Prinzip?

Im Unterschied zu einem FBG wird hier eine unbehandelte single mode ZBL-Glasfaser verwendet. Diese ZBL-Faser ist unempfindlicher für Biegeradien als Standard-Fasern und der Sensor wird dadurch unempfindlicher gegenüber Kabelbewegungen oder kleiner Installationsradien. Der Sensor enthält eine sehr kleine Schwingungsmembran, deren Auslenkung abhängig von der Beschleunigung ist. Die Glasfaser wird auf die Membran ausgerichtet, wodurch Licht auf die Membranoberfläche trifft. Dabei kommt es zu vielfachen Reflexionen zwischen der Membranoberfläche und der Stirnfläche der Glasfaser. Es entsteht ein sogenanntes Fabry-Pérot-Spektrum, welches in Reflexionsrichtung von unserem Messgerät detektiert wird. Dieses Spektrum ist abhängig von dem Abstand zwischen der Glasfaser und der Schwingungsmembran (sog. Kavitätenlänge) und somit von deren beschleunigungsabhängigen Auslenkung. Anhand der Wellenlängenposition des Spektrums können wir auf anliegende Beschleunigungen schließen.

Bild: Im dargestellten Graphen ist das Fabry-Pérot-Spektrum zu sehen, welches der Sensor einmal in Ruhelage (schwarz) und zusätzlich in ausgelenkter Form (türkis) zurückgibt.