Aufbau des FBG-Messsystems

Die grundlegende Idee bei der Entwicklung ist das modulare Prinzip. Die Abbildung darunter zeigt den modularen Aufbau des Messsystems mit einer Backplane als Modulträger.

Die Basis des Messsystems bildet die Backplane. Sie dient als Trägerplatine für die einzelnen Module und versorgt diese zentral mit den benötigten Spannungen. Auf der Backplane ist ein 8-Port-Ethernetswitch verbaut, der die Kommunikation zwischen den Modulen und dem Messrechner ermöglicht. Das Ethernetkonzept im Messgerät und zum Messrechner schafft damit den im Design geforderten Standard.

 

Modularer Aufbau des Messsystems

Modularer Aufbau des Messsystems. Die Backplane dient als Trägerplatine für die Adapterkarte, die Lichtquelle und die vier Sensormodule.

Es gibt drei verschiedene Modultypen, die auf die Backplane aufbauen:
  • Adapterkarte
  • Lichtquelle
  • Sensormodul
Die Adapterkarte dient dazu, den Messrechner mit dem auf der Backplane platzierten Switch zu verbinden. Dazu sind zwei RJ-45-Buchsen über die Adapterkarte an das Gehäuse geführt. Der zweite Ethernetanschluss kann dazu verwendet werden, zwei oder mehr Messgeräte zu kaskadieren. D. h., der Kunde kann ein zweites Gerät nur mit einem Patch-Kabel (ohne weitere Netzwerkkomponenten, wie z. B. einen Switch) anschließen und somit acht statt vier FBG-Sensoren auswerten.
Das zweite Modul des Messsystems, die Lichtquelle, erzeugt das für das FBG-Sensoren benötigte unpolarizerte Licht. Die Lichtquelle besitzt einen Ethernet-fähigen Controller und ist somit direkt über das Netzwerk „ansprechbar“. Der auf der Lichtquelle aufgebaute Faserlaser verteilt die erzeugte Lichtleistung über einen optischen Faserkoppler intern auf die vier Sensor-module.
Das Sensormodul verfügt über die benötigte Optik und Elektronik, um einen FBG-Sensor auszulesen. Da im Messsystem vier identische Sensor-module verbaut sind, ist die Anforderung, vier FBG-Sensoren auslesen zu können, erfüllt. Von jedem Sensor-modul ist ein optischer LD/APC-Stecker (Local Connector/Angeled Physical Contact) an die Frontplatte des Messgeräts geführt. An diese optische Schnittstelle können die vier FBG-Messfasern angesteckt werden. Das Sensormodul besitzt (wie auch die Lichtquelle) einen Ethernet-fähigen Controller. Die digitalisierten Sensordaten sind somit per Ethernet von jedem Modul direkt abrufbar. Es gibt in dem System keinen übergeordneten Controller, was Kosten spart und die Modularität erhöht.
Über die Backplane ist zusätzlich ein I2C-Bus (Inter-IC-Bus) an jedem der Module verfügbar. Der I2C-Bus ist ein hardwarenahes serielles Bussystem zur Kopplung von ICs innerhalb eines Geräts. Diese Schnittstelle ist als Erweiterungsoption für zukünftige passive Module vorgesehen. Mit ”passiv“ ist hier ein Modul ohne Microcontroller und Ethernetschnittstelle gemeint. Ein Beispiel hierfür wäre ein optisches Filtermodul, das keinen eigenen Controller benötigt.
Um trotzdem die Temperatur des Filters zu überwachen, kann ein auf dem Modul platzierter I2C-fähiger Temperatursensor von einem der intelligenten Module ausgelesen werden. Die erhaltene Filter-Temperatur kann dadurch (ohne zusätzlichen Microcontroller) an den Messrechner übermittelt werden. Die starke Verbreitung des I2C-Standards unter integrierten Schaltungen (Sensoren, Speicher, Anzeigen, etc.) bietet somit viele Erweiterungsmöglichkeiten.
Zusätzlich sind auf der Backplane vier Leitungen zur Synchronisation zwischen den Microcontrollern der einzelnen Module vorgesehen. Da die Elektronik der einzelnen Module des Messsystems unabhängig voneinander arbeitet, ist es für bestimmte Anwendungen nötig, diese zu synchronisieren. Ein Beispiel hierfür ist die Abtastung der FBG-Sensoren, die nach Möglichkeit bei allen vier Sensormodulen zeitgleich geschehen soll. Hierfür kann auf einer der Synchronisationsleitungen ein Taktsignal erzeugt werden, auf das sich alle Module synchronisieren.
Das Gesamtkonzept lässt sich modulübergreifend in drei Schichten teilen:
  • Mechanik
  • Optik
  • Elektronik
Die erste Schicht des Messsystems bildet die Mechanik. Sie umfasst das Gehäuse, die Befestigung der einzelnen Module im Gesamtsystem und die Kunststoffträger der Lichtquelle bzw. des Sensormoduls zur Führung und zum Schutz der Faseroptik. Das passive Thermalkonzept des Messsystems, mit den Aluminiumblechen als Heatpipe, ist ebenfalls Teil der Schicht Mechanik.
Schematischer Aufbau des Messsystems

Schematischer Aufbau des Messsystems in 3 Schichten: Mechanik, Optik und Elektronik.

Zur Optik gehören alle Faserkomponenten, wie LC/APC-Stecker, Erbium-Faser, 50-50-Koppler, die zwischen Laser, FBG-Messfaser und Fotosensoren verbaut sind. Der optische Kabelbaum des Messsystems besteht aus den Unter-Kabelbäumen der Lichtquelle und vier mal dem des Sensormoduls. Diese sind Gerät-intern über LC/APC-Stecker miteinander verbunden.
Die Schicht der Elektronik umfasst alle elektro-informationstechnischen Komponenten. Dazu gehören unter anderem der Switch-Chip, die Microcontroller der Module, die Messschaltung der Fotodioden und die Treiberelektronik für den Pumplaser. Aufgrund der großen Schnittmengen zwischen Elektronik und Datenverarbeitung, ist die Software als Teil der Schicht Elektronik zu sehen.