I. Einleitung
Diese Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung von Fiber Bragg Gittern (FBG) im Hinblick auf die Entwicklung eines Erdspannungs-Sensorsystems. Der Fokus liegt dabei auf der didaktischen Relevanz und den Lernergebnissen, die durch die Auseinandersetzung mit dem Thema erzielt werden können. Die Arbeit bietet Studierenden die Möglichkeit, sich mit den grundlegenden Prinzipien der optischen Sensorik, insbesondere der Funktionsweise von FBGs, vertraut zu machen. Die experimentelle Vorgehensweise der Charakterisierung und die anschließende Datenanalyse vermitteln praktische Fähigkeiten im Umgang mit wissenschaftlichen Methoden. Die Anwendung des FBGs im Kontext der Erdüberwachung verdeutlicht zudem die gesellschaftliche Relevanz und den praktischen Nutzen der erlernten Kenntnisse.
1.1. Hintergrund
Der Hintergrund der Arbeit wird durch die Notwendigkeit einer zuverlässigen Erdüberwachung in erdbeben- und abbruchgefährdeten Gebieten begründet. Die Studierenden lernen die Herausforderungen bei der Entwicklung von robusten und präzisen Sensorsystemen kennen. Der Bezug zu aktuellen gesellschaftlichen Problemen, wie dem Schutz vor Naturkatastrophen, wird deutlich. Die Arbeit stellt dar, wie wissenschaftliche Erkenntnisse zur Lösung realer Probleme eingesetzt werden können. Die hohe Empfindlichkeit und Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen von FBGs als Vorteil gegenüber traditionellen Sensoren werden im Kontext des Problems hervorgehoben.
1.2. Forschungsfragen und -ziele
Die zentralen Forschungsfragen betreffen die Charakterisierung des FBG-Sensors hinsichtlich seiner Empfindlichkeit gegenüber Temperatur- und Druckänderungen. Die Studierenden lernen, wie wissenschaftliche Fragestellungen präzise formuliert werden. Das Ziel der Arbeit besteht in der experimentellen Bestimmung der Kennlinien des FBGs unter verschiedenen Bedingungen. Dies vermittelt den Studierenden das Verständnis für den wissenschaftlichen Prozess, beginnend mit der Formulierung von Forschungsfragen bis hin zur Durchführung von Experimenten und Analyse der Ergebnisse. Die Interpretation der Ergebnisse und deren Implikationen für die Weiterentwicklung des Sensor-Systems bilden den weiteren Schwerpunkt.
1.3. Methodik
Die beschriebene Methodik umfasst die experimentelle Charakterisierung des FBG unter kontrollierten Temperatur- und Druckbedingungen. Die Studierenden lernen verschiedene Messmethoden und -geräte kennen und verstehen deren Anwendung. Die Datenanalyse erfolgt mittels statistischer Methoden und graphischer Darstellung der Ergebnisse. Der Abschnitt vermittelt ein tiefes Verständnis für den wissenschaftlichen Arbeitsablauf, von der Planung und Durchführung des Experiments bis hin zur Auswertung und Interpretation der gewonnenen Daten. Die Studierenden lernen, wie die Qualität der Ergebnisse durch geeignete Messverfahren und Datenanalyse sichergestellt werden kann.
II. Theoretischer Hintergrund
Dieser Abschnitt bietet eine umfassende Einführung in die relevanten physikalischen Prinzipien und Theorien. Die Studierenden erlernen die Funktionsweise von Lichtwellenleitern, die Grundlagen der Bragg-Reflexion und das Prinzip der interferometrischen Messung. Die detaillierte Beschreibung der FBG-Herstellung vermittelt Verständnis für die Technologie hinter diesem Sensor. Die Eigenschaften des verwendeten Laserdioden-Systems und dessen Einfluss auf die Messgenauigkeit werden ebenfalls behandelt. Ein detailliertes Verständnis der zugrundeliegenden Physik und Technologien ist entscheidend für die Interpretation der experimentellen Ergebnisse.
2.1. Grundlagen der Lichtwellenleiter
Dieser Abschnitt behandelt die grundlegende Physik der Lichtübertragung in Glasfasern, einschließlich der Beschreibung der Totalreflexion und des Einflusses von Materialeigenschaften auf die Signalübertragung. Studierende lernen die verschiedenen Arten von Lichtwellenleitern (Single-Mode, Multi-Mode) und deren Eigenschaften kennen. Der Abschnitt vermittelt grundlegendes Wissen über die optische Signalübertragung, welches für das Verständnis der FBG-Funktionsweise essentiell ist. Die Begriffe numerische Apertur und Dämpfung werden erklärt und in ihrem Einfluss auf die Sensormessung erläutert.
2.2. Funktionsweise von Fiber Bragg Gittern (FBG)
Hier wird die Funktionsweise der FBGs im Detail erläutert, einschließlich des Bragg-Gesetzes und der Abhängigkeit der Bragg-Wellenlänge von den Gitterparametern. Die Studierenden lernen die Eigenschaften von FBGs als optische Filter und Sensoren zu verstehen. Die Auswirkungen von Temperatur- und Druckänderungen auf die Bragg-Wellenlänge werden detailliert beschrieben und bilden die Basis für das Verständnis der experimentellen Ergebnisse. Die verschiedenen Herstellungstechniken von FBGs werden kurz vorgestellt.
2.3. Laserdioden
Dieser Abschnitt befasst sich mit der Funktionsweise von Laserdioden und ihren Eigenschaften als Lichtquellen für das Sensor-System. Die Studierenden lernen die Prinzipien der stimulierten Emission und die wichtigsten Parameter von Laserdioden, wie Wellenlängenstabilität und Ausgangsleistung, kennen. Die Bedeutung der Wellenlängenstabilität für die Genauigkeit der Messungen wird hervorgehoben. Die Wahl der Laserdiode und deren Einfluss auf die Gesamtleistung des Sensorsystems wird detailliert betrachtet.
III. Ergebnisse und Diskussion
In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse der experimentellen Charakterisierung des FBGs präsentiert und diskutiert. Die Messdaten werden grafisch dargestellt und analysiert. Die Studierenden lernen, wie experimentelle Daten interpretiert und in einem wissenschaftlichen Kontext diskutiert werden. Die Ergebnisse werden im Hinblick auf die Genauigkeit und die Grenzen des Sensorsystems bewertet. Die Bedeutung der Ergebnisse für die Entwicklung eines praktischen Erdspannungs-Sensorsystems wird hervorgehoben. Die Diskussion umfasst auch mögliche Fehlerquellen und Verbesserungsvorschläge für zukünftige Arbeiten.
3.1. Charakterisierung des FBGs in Abhängigkeit von der Temperatur
Die Ergebnisse der Temperaturcharakterisierung werden detailliert dargestellt und diskutiert. Die ermittelte Temperaturabhängigkeit der Bragg-Wellenlänge wird analysiert und mit theoretischen Erwartungen verglichen. Mögliche Abweichungen werden erklärt und diskutiert. Die Studierenden lernen, wie Messdaten ausgewertet und die Genauigkeit der Ergebnisse beurteilt werden. Der Einfluss von Temperaturänderungen auf die Messgenauigkeit des Sensors wird erörtert.
3.2. Charakterisierung des FBGs in Abhängigkeit vom Druck
Dieser Abschnitt präsentiert und diskutiert die Ergebnisse der Druckcharakterisierung des FBGs. Die ermittelte Druckabhängigkeit der Bragg-Wellenlänge wird analysiert und im Kontext der Anwendung des Sensorsystems interpretiert. Die Studierenden erlernen die kritische Bewertung von Messergebnissen und deren physikalische Interpretation. Die Genauigkeit und die Grenzen des Sensorsystems bezüglich der Druckmessung werden bewertet. Mögliche Verbesserungsvorschläge für die Druckmessung werden diskutiert.
3.3. Zusammenfassung und Ausblick
Die Ergebnisse beider Charakterisierungen werden zusammengefasst und in einem übergreifenden Kontext diskutiert. Es werden Schlussfolgerungen über die Eignung des FBGs als Erdspannungs-Sensor gezogen. Der Abschnitt gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschung und Entwicklung in diesem Bereich. Die Studierenden lernen, wie wissenschaftliche Erkenntnisse zusammengefasst und in einen größeren Kontext eingeordnet werden können. Offene Fragen und zukünftige Forschungsrichtungen werden identifiziert und diskutiert.
