DE3701632A1

DE3701632A1 - Optischer sensor

Info

Publication number: DE3701632A1
Application number: DE19873701632
Authority: DE
Inventors: Hans W Haefner
Original assignee: Pfister GmbH
Current assignee: Pfister GmbH
Priority date: 1987-01-21
Filing date: 1987-01-21
Publication date: 1988-08-04

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor mit mindestens einem faserförmigen Lichtwellenleiter, der unter dem Einfluß eines Parameters, insbesondere einer Kraft, eines Druckes oder dergleichen seine Lichtübertragungseigenschaften ändert, wobei diese Änderung zur Messung des Parameters herangezogen wird.

In dem Aufsatz "Faseroptische Sensoren", R. Kist, in der Zeit schrift "Technisches Messen", Juni 1984, werden verschiedene Anwendungsmöglichkeiten von faserartigen Lichtwellenleitern in der Meßtechnik beschrieben und es wird auf die Vorteile der artiger faseroptischer Sensoren näher eingegangen. Hervorzu heben sind dabei die außerordentlich hohe Auflösung, der ein fache Aufbau auf Grund des Wegfalls von Wandlern und die un mittelbar mögliche digitale Erfassung und Verarbeitung der ge messenen Signale. Dabei werden die faseroptischen Sensoren unterteilt in vielwellige Fasern, bei der die Meßgröße die In tensität, die Frequenz oder die Laufzeit eines Lichtsignals beeinflußt und in einwellige Fasern, bei denen vor allem die Amplitude, Phase und/oder Polarisation des Lichtsignals zur Messung herangezogen wird.

Die bisherigen Entwicklungen beschränken sich im wesentlichen auf Laboruntersuchungen. So wurde beispielsweise ein Licht wellenleiter zur Messung von Parametern von Flüssigkeiten in diese eingetaucht. Aus der DE-PS 35 41 733 ist es ferner be kannt, eine Faser metallisch zu ummanteln und auf einer Träger struktur durch Schweißen oder galvanisches Einbetten zu fixieren. Die Haftfestigkeit und Temperaturbeständigkeit einer solchen Verbindungstechnik ist nicht unkritisch, wie in der Druckschrift im einzelnen ausgeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen faseroptischen Sensor anzugeben, der bei hoher Meßgenauigkeit verhältnis mäßig unempfindlich gegen äußere Einflüsse ist und äußerst einfach hergestellt werden kann.

Der erfindungsgemäße optische Sensor besitzt die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1.

Durch die Einbettung des faserartigen Lichtwellenleiters wird dieser gegen mechanische und chemische Einflüsse gut geschützt. Da das Schichtmaterial Kräfte bzw. Drucke vollständig auf den Lichtwellenleiter überträgt, ergibt sich eine verhältnismäßig hohe Meßgenauigkeit.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen optischen Sen sors sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen optischen Sensors ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips des erfindungsgemäßen optischen Sensors,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors,

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht des optischen Sen sors nach Fig. 2 im Schnitt,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors,

Fig. 5 eine Seitenansicht des Sensors nach Fig. 4,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer anderen Art von optischen Sensor gemäß der Erfindung im Schnitt,

Fig. 7 eine Draufsicht auf einen wesentlichen Teil des Sensors nach Fig. 6 und

Fig. 8 eine gegenüber der Fig. 6 modifizierte Ausführungs form eines erfindungsgemäßen optischen Sensors im Schnitt,

Fig. 9 einen Kraftmeßteppich mit optisch in Reihe geschal teten optischen Sensoren und

Fig. 10 eine besonders geeignete Lichtwellenleiterkombi nation.

In Fig. 1 ist beispielsweise das Prinzip eines erfindungsge mäßen optischen Sensors dargestellt, der als sogenannter Mach- Zehnder-Sensor arbeitet.

Von einer monochromatischen Lichtquelle 1, etwa einer Laser diode wird Licht über einen Polarisator 2 an einen Koppler 4 a angelegt, der das Licht auf einen Meßlichtwellenleiter 3 a und einen Referenzlichtwellenleiter 3 b aufteilt. Das aus den beiden Lichtwellenleitern 3 a, 3 b austretende Licht wird an einen weiteren Koppler 4 b angelegt, in fotoelektrischen Elementen 5 detektiert, deren elektrische Ausgangssignale in einem Pro zessor 6 zu einem Ausgangswert verarbeitet werden, der in einer Anzeige 7 zur Anzeige kommt.

Das bisher beschriebene Prinzip ist bekannt. Erfindungswesent lich ist die Einbettung des Meßlichtwellenleiters 3 a in einem kraftübertragenden Material 10, bevorzugt elastomeres Material, das eine Kraft F im wesentlichen vollständig auf den Meßlicht wellenleiter 3 a überträgt. Ferner wird der Referenzlichtwellen leiter 3 b frei von dem Einfluß der Kraft F angeordnet. Er kann dabei in einem Hohlraum 12 des Materials 10 geführt sein; alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, den Referenz lichtwellenleiter 3 b zur Temperaturkompensation außerhalb des elastomeren Materials 10 in der Nähe desselben anzubringen.

Das in Fig. 1 dargestellte Meßprinzip ist das eines Zweistrahl interferometers, wobei bei dem Mach-Zehnder-Interferometer die durch die Kraft F im Meßlichtwellenleiter 3 a bewirkte Phasen verschiebung gegenüber dem Licht im Referenzlichtwellenleiter 3 b zur Messung herangezogen wird. Unter dem Einfluß der Kraft F verändert sich nämlich bei allseitigem Druck des elastomeren Materials 10 auf den Meßlichtwellenleiter 3 a dessen Brechzahl n, was zur einer entsprechenden Phasenverschiebung führt. Eine andere Änderung der Lichtübertragungseigenschaften des Meß lichtwellenleiters 3 a wäre eine Längenänderung auf Grund der Kraft F oder eine Durchbiegung.

Das in Fig. 1 dargestellte Prinzip des Zweistrahl-Interfero meters nach Mach-Zehnder ist nur ein Beispiel für den Einsatz eines einwelligen Lichtwellenleiters. Andere Möglichkeiten sind in den genannten Veröffentlichungen beschrieben, ein schließlich der Anwendung von vielwelligen Lichtwellenleitern.

Wesentlich für die Erfindung ist die Art und Weise, wie die Lichtwellenleiter vorteilhaft untergebracht sind.

Fig. 2 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen optischen Sensors 20, der bevorzugt eine flächige Ausführung besitzt, das heißt, bei dem die Höhe oder Dicke wesentlich geringer ist als die Längen- und Breitendimension.

Der Sensor 20 besteht aus einer Schicht aus kraftübertragendem Material, bevorzugt elastomerem Material, in dem ein Meßlicht wellenleiter 13 a meanderförmig als obere Lage 23 eingebettet ist. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist dann der Bezugslichtwellen leiter 13 b in Röhren 22 ebenfalls meanderförmig in der Schicht 21 geführt. Der Referenzlichtwellenleiter 13 b ist somit kräfte frei angeordnet. Lichtwellenleiterkabel 14, 16 verbinden den Meßlichtwellenleiter 13 a mit den Kopplern 4 a bzw. 4 b der Fig. 1. In gleicher Weise ist der Referenzlichtwellenleiter 13 b über Lichtleiterkabel 18, 19 an die Koppler 4 a, 4 b angeschlossen.

Aus den Fig. 2 und 3 ergibt sich, daß der Meßlichtwellen leiter 13 a auf Grund der meanderförmigen Führung eine erheb liche Länge aufweist, die zwischen Bruchteilen von Metern und einigen km liegen kann. Der Referenzlichtwellenleiter 13 b besitzt bevorzugt, jedoch nicht notwendigerweise die gleiche Länge wie der Meßwellenleiter 13 a. Bei Einwirkung einer Kraft F auf die Oberfläche der Schicht 21 wird diese Kraft voll ständig auf den Meßlichtwellenleiter 13 a übertragen und das in ihm sich fortpflanzende, einwellige Licht wird in seiner Phase deutlich gegenüber dem Licht im Referenzlichtwellenleiter 13 b verschoben. Diese Phasendifferenz läßt sich äußerst genau feststellen, so daß sich eine sehr Auflösung ergibt.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform eines er findungsgemäßen optischen Sensors 30, bei dem eine Schicht 21 aus elastomerem Material zwischen zwei Stahlplatten 32, 34 an geordnet ist, so daß sich eine gleichmäßige Verteilung einer auf die obere Stahlplatte 32 wirkenden Kraft F in der Schicht 31 ergibt.

Abweichend von dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 ist der Referenzlichtleiter 23 b in einem größeren Hohlraum 36 ge trennt von dem Meßlichtwellenleiter 23 a seitlich von diesem angeordnet. Ferner wurde der Meßlichtwellenleiter 23 a in zwei übereinander angeordneten sich kreuzenden Lagen 24 und 26 meanderförmig gelegt, wodurch eine weitere Verlängerung des Meßlichtwellenleiters 23 a möglich ist. Dabei kann der Ab stand der beiden Lagen so gewählt sein, daß keine Lichtkopp lung zwischen ihnen auftritt.

Alternativ dazu könnte eine der Lagen 24, 26 auch getrennt herausgeführt sein und nur einen derartigen Abstand von der anderen Lage haben, daß bei Krafteinwirkung eine Lichtaus kopplung aus der eigentlichen Meßlichtwellenleiterlage in die andere Lage erfolgt, die dann zur Lokalisierung der Kraftein wirkung auf die Schicht 31 verwendet werden kann. Bei einer derartigen Anordnung würde die obere Stahlplatte 32 bevor zugt entfallen.

Wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 erfolgt ein entsprechender Anschluß an die Koppler 4 a und 4 b über Licht leiterkabel 44, 46, 48, 49.

Ist der Meßlichtwellenleiter und der Referenzlichtwellenleiter nicht gleich lang, dann muß dies selbstverständlich bei der elektronischen Auswertung im Prozessor 6 entsprechend berück sichtigt werden.

Durch Einbettung der Meß- und Referenzlichtwellenleiter in die elastomere Schicht lassen sich superflache Meßstrecken, ähn lich Fördergurten oder dergleichen mit Verfahren herstellen, wie sie auch bei der Herstellung von Fördergurten aus elasto merem Material verwendet werden.

Da der Referenzlichtwellenleiter in oder in der Nähe der elastomeren Schicht, etwa in der druckfreien Kammer 36 oder in den beispielsweise durch Rohre gebildeten Öffnungen 26 ge führt ist, werden Temperaturänderungen wirksam kompensiert.

Bisher wurde angenommen, daß das kraftübertragende Material, in dem die Lichtwellenleiter eingebettet sind, ein elastomeres Material ist, wobei dieses bevorzugt blasenfrei hergestellt sein sollte. Dies kann entweder durch Aushärtung des elasto meren Materials im Vakuum oder durch Zentrifugalgießen erreicht werden, wie dies nachstehend noch näher erläutert wird.

An die Stelle des elastomeren Materials kann auch ein Material von wesentlich größerer Härte treten, wenn dieses die auf die Schicht ausgeübten Kräfte bzw. Drucke vollständig oder zumindest gleichförmig weitergibt. Als ein derartiges Material käme auch Glas in Frage, wobei die bevorzugt aus Glas bestehenden Lichtwellenleiter in eine geschmolzene Glasfritte eingebettet werden, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Lichtwellen leiter besitzt.

Die Fig. 6 bis 8 zeigen eine weitere Ausführungsform des er findungsgemäßen optischen Sensors in Anwendung auf eine Kraft meßzelle, wie sie beispielsweise in der WO 86/03 584 beschrieben ist.

Im Inneren eines topfförmigen Gehäuses 52 ist ein Kolben 54 unter Bildung eines engen Ringspaltes 55 geführt. Ein Raum 56 zwischen der Unterseite des Kolbens 54 und dem Boden des Ge häuses 52 ist mit einem elastomeren Material gefüllt, in dem ein Meßlichtwellenleiter 58 eingebettet ist, der mit den Kopplern 4 a, 4 b (Fig. 1) über Lichtleiterkabel 66, 67 in Ver bindung steht.

Ein Bezugslichtwellenleiter 62 ist unabhängig vom Meßlicht wellenleiter 58 untergebracht, beispielsweise in einer an der Unterseite des Gehäuses 52 ausgebildeten Öffnung 60, die mittels einer Deckplatte 64 verschließbar ist. Der Referenz lichtwellenleiter 62 steht wiederum über Lichtleiterkabel 68, 69 mit den Kopplern 4 a und 4 b in Verbindung.

Der Meßlichtwellenleiter 58 und bevorzugt auch der Referenz lichtwellenleiter 62 können eine erhebliche Länge zwischen Bruchteilen eines Meters und einigen hundert Meter. Die Licht wellenleiter können wiederum meanderförmig ein- oder mehrlagig geführt sein. Eine alternative Form wäre eine spiralförmige, bifilare Ausbildung mit umgebogenem inneren Ende.

Fig. 8 zeigt eine gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 6 modifizierte Ausführungsform eines optischen Sensors 70, bei dem der Referenzlichtwellenleiter weggelassen ist. Dies ist dann möglich, wenn eine Temperaturkompensation nicht erfor derlich ist und zur Messung ein Impulsverfahren, etwa in einem vielwelligen Lichtwellenleiter verwendet wird.

Fig. 7 zeigt die Draufsicht auf die Ausführungsformen nach Fig. 6 und 8, zur Erläuterung der Herausführung der Licht leiterkabel 66, 67, 68, 69.

Das bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen verwendete elastomere Material kann bevorzugt Silikon-Kautschuk sein. Weitere verwendbare Stoffe sind in der genannten WO 86/03 584 angegeben. Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Sensoren können die in dieser Veröffentlichung erläuterten Verfahren verwendet werden, wobei die Aushärtung des elastomeren Materials entweder in Vakuum erfolgt oder ein Zentrifugalgießen verwendet wird. Hierdurch läßt sich blasenfreies elastomeres Material herstellen, das Kräfte bzw. Drucke vollständig auf den Meß lichtwellenleiter 58 überträgt.

Fig. 9 zeigt eine Reihenschaltung mehrerer in Abstand zuein ander angeordneter Kraftmeßzellen mit optischem Sensor gemäß den Fig. 6 bis 8, wobei die Lichtwellenleiter durch Licht leiterkabel 80 bzw. 82 in Reihe geschaltet sind. Anfang und Ende werden wieder mit den Kopplern 4 a, 4 b (Fig. 1) ver bunden. Auf diese Weise läßt sich ein ausgedehnter Kraft meßteppich herstellen.

Fig. 10 zeigt einen Lichtwellenleiteraufbau, gemäß dem min destens drei, im Ausführungsbeispiel vier Lichtwellenleiter 90 zueinander parallel verlaufend zusammengeschmolzen sind. In dem sich in der Mitte ergebenden Hohlraum kann dann der Referenzlichtwellenleiter 92 angeordnet werden.

Eine derartige Lichtleiterkombination kann dann an Stelle der Meßlichtwellenleiter meanderförmig oder spiralförmig oder dergleichen in die elastomere Schicht eingebettet werden. Die Meßlichtwellenleiter 90 werden dann miteinander in Reihe ge schaltet und es besteht eine exakte Längenbeziehung zwischen den Meßlichtwellenleitern 90 und dem Referenzlichtwellen leiter 92.

Die äußeren Meßlichtwellenleiter 90 werden durch Druck be lastet, was zu elastischen Spannungen in Längs- und Querrich tung in den Meßlichtwellenleiter 90 führt, wodurch sich der Brechungsindex in diesen Lichtquellenleitern ändert. Der Be zugswellenleiter 92 wird von den Druckänderungen nicht beein flußt.

Obwohl in Zusammenhang mit Fig. 1 optische Sensoren mit ein welligen Lichtleitern beschrieben wurden, können beliebige andere Lichtwellenleiter wie Side-Hole-Fasern, mit Draht um wickelte Fasern, gedrehte Fasern mit druckentlasteter Referenzfaser zum Einsatz kommen. Das optische Meßprinzip ist auch nicht auf ein Zweistrahl-Interferometer nach Mach-Zehnder beschränkt, sondern die Erfindung ist bei beliebigen anderen Meßverfahren anwendbar.

Wie bei Dehnungsmeßstreifen-Vorrichtungen üblich, kann auch bei den vorstehend beschriebenen optischen Sensoren zum Ab gleich zwischen Meßlichtwellenleiter und Referenzlichtwellen leiter an einer geeigneten Stelle ein bevorzugt ablängbarer Lichtwellenleiterabschnitt angeordnet sein, der zum Beispiel zur Nullkompensation dem einen oder anderen Lichtwellenleiter in Reihe geschaltet wird.

Von Bedeutung für die Erfindung ist, daß sich die Lichtwellen leiter auf einfache Weise in Form eines Gewebes in dem elasto meren Material einbetten lassen, etwa mit Verfahren wie sie bei der Herstellung von Fördergurten oder dergleichen bekannt sind. Die Lichtwellenleiterpakte können auch auf einer blatt förmigen Unterlage aufgebracht sein, die dann in das elasto mere Material eingebettet wird. Die Meanderführung kann bei spielsweise mittels Webtechnik erreicht werden, das heißt, daß beispielsweise mit Schuß und Kette gearbeitet wird.

Claims

1. Optischer Sensor mit einem faserartigen Lichtwellenleiter, der unter dem Einfluß einer physikalischen Größe, insbe sondere Kraft oder Druck seine Lichtübertragungseigen schaften ändert, wobei diese Änderung zur Messung der physikalischen Größe herangezogen wird, dadurch gekenn zeichnet, daß der Lichtwellenleiter (3 a; 13 a; 23 a; 58; 90) in einer Schicht (10; 21; 31) aus druck- oder kraftüber tragendem Material eingebettet ist.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein elastomeres Material ist.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Lichtwellenleiter eine wesentliche Länge bevorzugt zwischen Bruchteilen eines Meters und mehreren km aufweist und über die Fläche der Schicht (10, 21) ver teilt geführt ist.

4. Optischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung gleichmäßig, etwa meanderförmig oder spiralförmig in einer oder mehreren Lagen ist.

5. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenzlichtwellenleiter (3 b; 13 b; 23 b; 62) unbeeinflußt von der physikalischen Größe in der Nähe des Lichtwellenleiters (3 a; 13 a; 23 a; 58) angeordnet ist.

6. Optischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugslichtwellenleiter (3 b; 13 b) in der Schicht (10; 21) in rohrförmigen Durchführungen (12; 22) druckfrei in einer anderen Höhenlage geführt ist als der Lichtwellen leiter (3 a; 13 a;).

7. Optischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzlichtwellenleiter (23 b) in einem in der Schicht (21) vorgesehenen druckfreien Raum (36) geführt ist.

8. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (3 a) und der Referenzlichtwellenleiter (3 b) in ein Interferometer eingefügt sind.

9. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (21) zumindest auf der Oberseite mit einer steifen Krafteinleitungsplatte (32) abgedeckt ist, die vorzugsweise fest an der Schicht (21) haftet.

10. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (58) in elastomerem Material eingebettet ist, das sich im Inneren eines topfförmigen Ge häuses (52) befindet.

11. Optischer Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (56) im topfförmigen Gehäuse (52) durch einen Kolben (54) abgedeckt ist, der mit der zylindrischen Innen wand des topfförmigen Gehäuses (52) einen engen Spalt (55) bildet, der mit elastomerem Material gefüllt ist.

12. Optischer Sensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn zeichnet, daß in einer Wand des topfförmigen Gehäuses (52), vorzugsweise der Bodenwand, eine Ausnehmung (60) vorge sehen ist, in der ein Referenzlichtwellenleiter (62) unter gebracht ist.

13. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß mehrere derartige Kraftmeßzellen in Abstand zueinander angeordnet und ihre Lichtwellen leiter (58) bzw. Referenzlichtwellenleiter (62) in Reihe geschaltet sind.

14. Lichtwellenleiterkombination, insbesondere zur Verwendung mit einem optischen Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest drei zu einander parallel verlaufende Lichtwellenleiterfasern (90) miteinander verschmolzen sind und eine Referenzlicht wellenleiterfaser (92) geschützt im Inneren zwischen den Lichtleiterfasern (90) verläuft.

15. Verfahren zum Herstellen eines optischen Sensors mit einem Lichtwellenleiter wesentlicher Länge, dadurch gekennzeich net, daß der Lichtwellenleiter in einer Schicht aus druck- bzw. kraftübertragendem Material eingebettet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein elastomeres Material ist, das mit einge bettetem Lichtwellenleiter blasenfrei ausgehärtet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine Glasfritte mit einem Schmelzpunkt niedriger als der Schmelzpunkt des Lichtwellenleiters ist und daß der Lichtwellenleiter in die geschmolzene Glasfritte eingebettet wird.