CN101228421A - 光学应变片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于多轴应变测量的光学应变片(1)，它包括至少两个具有布拉格光栅(5)的进行测量的光波导体段(2，3，4)。这些光波导体段以45°或90°的预给定角度(19)相邻地安置在一个载体层(6)上并且由一个公共的馈送波导体(7)馈给光波。本发明的特征是，所有的波导体段(2，3，4，7)在载体层(6)上最好直线形地构成，并且，在馈送波导体段(7)与这些包含布拉格光栅(5)的进行测量的波导体段(2，3，4)之间安置一个射线扩展元件(8)。
Description
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的用于检测多轴应变的光学应变片以及如权利要求11前序部分所述的该光学应变片的制造方法。
背景技术
为了在测量技术上分析计算力或者为了监视受机械负载的构件，经常使用电子应变片，它们检测被加载力的结构元件的应变。这些电子应变片大多由光蚀制成的曲折形电阻材料测量栅组成，电阻材料被涂覆在塑料的载体膜上并且为了机械保护大多用另一塑料保护膜覆盖。为了检测与负载相关的应变，这些电子应变片被敷设在变形体上并通过测量栅的电阻变化将应变转变成电信号，该信号与应变或作用力成比例。
为了两轴测量应变，一般使用构造为所谓应变花的应变片。在此大多在一个公共的载体膜上安置两个或三个单个的测量栅，它们通常以45°，60°或90°角相互错置。这种测量应变的应变花大多被用于测量沿着或垂直于主轴的应变或力的大小或者获知主轴的定向。对此已知具有两个测量栅的T形应变花，它们以90°角相互错开地设置。它们尤其用在存在主方向已知的两轴应力状态时。具有三个测量栅的应变花大多用于确定主应力方向未知的两轴应力状态。在此必需使测量栅尽可能相互靠近地设置，以便也可以检测相同位置上的相同应变，由此才保证精确的测量。因此这种公知的具有三个测量栅的矩形应变花极少大于10×20mm。但这种电子应变片对于电磁场或高压影响很敏感并且也不允许在有爆炸危险的区域使用。
由EP 1 129 327 B1已知一种用于对高压和电磁不敏感地检测两轴机械应力的传感器，它光学地获取要测量的应变。为此设置光学波导体，它们由光导纤维组成。在这些光导纤维中写入所谓的布拉格(Bragg)光栅，它们产生与所检测的应变成比例的反射波长。具有压制的布拉格光栅的光导纤维被嵌入到环氧树脂载体层中或者粘接在板上。然后可将载体层固定到变形体的表面上并由此将作用于载体层上的应变传递到测量应变的布拉格光栅上。由于应变，反射的布拉格波长对应于应变改变并且可以被检测到。该光学应变传感器构造为用于测量两轴应力的应变花并且由具有至少两个或三个前后设置的布拉格光栅的光波导体组成，这些布拉格光栅以45°，60°或90°角相互定向并由此可以如同电子应变花那样检测变形体的应变。在此，布拉格光栅之间的波导体连接段被弧形地引导并且由于反射损失而不允许低于确定的曲率半径。为了使曲率最小化，还建议，使弧形的连接段大大变细，因为由此能够减少反射损失。但布拉格光栅之间的波导体连接段显然还显著比测量应变的布拉格光栅本身长，布拉格光栅已经需要约10mm的长度。因此，对于这种由在一个公共载体层上具有两个或三个布拉格光栅的光导纤维组成的应变花，在精度可比较的情况下，还需要比电子应变花所需的敷设面积明显更大的敷设面积。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供用于两轴应变测量的用光学从光波导体制成的预制的应变片，它们在测量精度高的情况下具有紧凑的结构形式。
该目的通过权利要求1和11中给出的发明实现。在从属权利要求中给出改进方案和有利的实施例。
本发明的优点是，通过将具有布拉格光栅的光波导体固定在载体膜上的所设置的引导通道中可以制成很扁平的光学应变片。尤其通过射线扩展元件可以在连接段中无长的转向弧的情况下节省载体层上的结构空间，由此尤其能够实现具有电子应变花的紧凑性的应变花。
通过使用射线扩展元件可以同时使所有波导体段直线形构成，由此其实只由布拉格光栅的长度得到应变花大小，因为具有馈送段的射线扩展元件只具有小的结构长度。由此以有利的方式得到很小面积的光学应变片。因为射线扩展元件也只具有很小的、不显著大于波导体本身的横截面积，因此它们也可以有利地组合在一个薄的载体膜中。
通过使用射线扩展元件也只需一个公共的馈送波导体用于光馈入和馈出，因此尤其当测量位置与分析计算单元之间距离较长时和当多位置测量时以有利的方式明显节省连接导线的距离。
本发明的另一优点是，所设置的引导通道最好可通过照相蚀刻方法或者机械加工方法很精确地制成，使得这种光学应变片具有高的可重复制造精度并且也可以作为批量件成本有利地大量预制，以便能够简单方式应用到规定的变形体或者其它应变体上。这种预制的扁平且小面积的光学应变片也可以有利地固定在纤维复合材料中或上，其中它们对纤维结构只有小的影响并有利地使应变变化到10％无损地保持，如同在用纤维复合材料制成的变形体中常见的那样。
按照本发明的光学应变片与电子应变片相比的优点是，它们在很大程度上对于电磁场和高压区域不敏感。在此它们也有利地无需供电，因此它们对于传递路段上的功率波动也不敏感并且也允许在有爆炸危险的区域中使用。此外布拉格光栅在引导通道中的力锁合的连接能够实现与扁平载体膜的封闭的连接结构，使得保证良好且确定地将力传递到布拉格光栅上，由此可达到高的测量精度，尤其是小的滞后效应。
在本发明的一个特殊的扩展结构中光波导体被全面地铸入到引导通道中，优点是，由此可实现可很简单制造的光学应变片。因为这种光学应变片也可以用陶瓷或玻璃载体膜和玻璃材料光波导体制成，它们也可以有利地在很高的热负荷下使用。
在本发明的具有用于温度补偿的附加布拉格光栅的特殊结构形式中，是有利的，由此能够实现与温度无关的应变测量。由此也可以同时实施单独的温度测量，由此也可以有利地识别光学应变片和邻接的其余构件的热过载。
附图说明
下面借助一个在附图中所示的实施例详细描述本发明。附图示出：
图1一个花形的光学应变片的俯视图，
图2该光学应变片的馈送区域的正视剖面图的一个局部。
具体实施方式
图1中示出一个光学应变片1，它为了两轴应变测量构造为应变花并且由三个相邻布置的、具有压制的布拉格光栅5的、进行测量的波导体段2，3，4组成，它们由馈送波导体7馈给，该馈送波导体的光波信号通过射线扩展元件8传递。
光波导体2，3，4都构造为直线的段并且放入一个公共的、构造为载体膜的载体层6中。在此，这些波导体段由一个馈送波导体和具有最好压制的布拉格光栅5的进行测量的波导体2，3，4的三个继续引导的段组成。为了接收光波导体2，3，4，设置一个薄的载体膜6，它最好由硬的且弹性的塑料如聚酰胺制成。但该载体膜6也可以用其它硬弹性塑料、玻璃、陶瓷或金属制成。在此，载体膜6最好用于使预制的光学应变片1敷设在规定的变形体上或者位置正确且力锁合地组合在受载荷的结构元件中。在此该载体膜6平面地构成，最好具有矩形或正方形的基面和约0.55mm的厚度。该基面尺寸基本取决于具有布拉格光栅5的、进行测量的光波导体段2，3，4的长度和这些进行测量的段的角度布置和数量。
在所示的用于借助三个角度错开地布置的布拉格光栅5进行两轴应变测量的光学应变片1的实施例中，设置了一个大小约为18×20mm的载体膜6。这主要由在噪声-信号间距足够情况下所必需的约10mm的布拉格光栅长度产生。通过减小噪声-信号间距或改善分析计算单元和缩短光波导体2，3，4的馈送段，也能够实现载体膜6的明显更小的约9×10mm的基面，它们在测量精度方面也可与电子应变花相比。
为了固定光波导体2，3，4，7，在载体膜6中加工引导通道11或凹陷，它们的横截面至少相应于光波导体2，3，4，7的横截面。为此最好使用由具有0.25mm直径的玻璃纤维制成的光波导体2，3，4，7，由此，引导通道11或凹陷在馈送区域中至少具有0.25mm的深度和宽度。
在图2中详细示出光波导体7在馈送区域中的布置。由剖面图A-A的该局部中可以看出，在馈送区域中，馈送波导体7完全组合到载体膜6中，因为该馈送波导体完全充满在那里设置的引导通道11。引导通道11最好通过照相蚀刻方法加工到载体膜6中。但也已知机械的或热的方法，用这些方法可以通过材料去除将精细的引导通道11加工到载体膜6中。
光波导体2，3，4，7是传统的用玻璃纤维制成的光导纤维，如同为了电讯所使用的具有最好λ＝1550nm的波长的单模纤维那样。光导纤维2，3，4，7最好由纤维芯15、纤维外皮16和可以省去的纤维保护层17组成。光馈送通过唯一的馈送波导体7进行，该馈送波导体从载体膜6的长棱边14直线地引入到该载体膜中。为此该馈送波导体7大致在载体膜6的中心约4mm引入预制的引导通道11中并且固定在该引导通道中。在该馈送波导体7的端部上设置一个梯度折射率透镜9(GRIN透镜)作为射线扩展元件8和一个正弦形的透射-相位光栅10。在此，GRIN透镜9使光射线扩展到150至500μm的直径面上。
在直接布置在这上面的透射-相位光栅10中则进行光波的衍射，由此这些光波被衍射到该透射-相位光栅的0和+/-1衍射级次中。这些衍射级次分别相互成-45°，0°和+45°的角度19。在这些衍射级次中在载体膜6中以45°的角间距19加工了进行继续引导的直线形的引导通道18，用于要测量的光波导体段2，3，4。这些引导通道18大致具有10mm的长度和最好0.125×0.125mm的横截面。这些波导体段2，3，4由光导纤维组成，该光导纤维具有芯15和外皮16、塑料或玻璃材料制成的光阻。在这些进行测量的波导体段2，3，4中在其端部上最好压制所谓的布拉格光栅5，它们全部具有不同的光栅周期A。
但射线扩展元件8也可以只由GRIN透镜9组成。继续引导的进行测量的波导体段2，3，4就直接连接到GRIN透镜9上并且在多个角度步骤中设置到-45°和+45°的分支上。在此，进行测量的光波导体段2，3，4也是力锁合地和形状锁合地在引导通道18中与载体膜6连接。这可以通过压入或最好用可固化的环氧树脂胶粘接实现。为了防止湿气侵入和机械影响，至少将具有引导通道11，18的部分用附加的薄的保护膜12作为保护层覆盖，该保护层最好用与载体膜6相同的材料制成并且具有最好0.05mm的厚度。
在本发明的另一实施例中，进行测量的光波导体段2，3，4构造为平面的光波导体，它们最好浇铸在引导通道18中。为此例如将一个可导光的聚合物衬底或者另一所谓的光阻设置到塑料载体膜6的引导通道18中，该聚合物衬底或光阻具有比载体膜6更大的折射率。由此产生一个折射率突变，通过该突变，聚合物衬底作为可导光的塑料起到如同光波导体的作用。在此，聚合物衬底基本是核心而载体膜6是具有较低折射率的外皮。尤其是对于矩形或正方形的引导通道18，通过引入导光衬底以简单的方式产生光学的带状导体，它如同玻璃光纤一样适合于传导确定波长的光。在该实施方式中，在将可导光的层设置到引导通道18中之前以间距A压制带状的不均匀性20，它们起到布拉格光栅5的作用。它们可以是梳状的高起或者也可以是凹陷，它们在3至10mm的长度L上形成一个布拉格光栅5，该布拉格光栅反射所馈入的具有预给定的波长λB的光波。因为光波导体2，3，4固定地设置到或浇铸到载体层6的引导通道18中并且与引导通道固定连接，因此也可以精确地检测所有作用于载体层6上的应变。
将导光介质设置到引导通道18中作为光波导体2，3，4的这种实施方式也可以用耐热的玻璃膜或陶瓷膜作为载体层6来实施，在其通道18中铸入具有石英玻璃衬底的光晶体。为此借助于光晶体构成布拉格光栅，通过它们可检测应变。通道最好也可以通过场支持的离子交换实现。布拉格光栅则通过化学腐蚀过程从外部加工到通道中。这种光学应变片结构在最高达900℃的温度下使用。
在馈送波导体7上在载体膜6以外还压制另一个具有单独的光栅周期AT的第四布拉格光栅13，它用于温度补偿。为了馈入光波并且为了探测在布拉格光栅5上反射的光信号，馈送波导体7与未示出的分析计算单元连接，该分析计算单元包括一个光谱计或者尤其是一个可调谐的高分辨率的Fabry-Perot滤波器。
这种光学应变片1不仅可以如常见的电子应变片一样应用在金属变形体上，也可以置入到纤维复合材料中或者粘接上去。用这种光学应变片1不仅能够实现由应变引起的力测量，而且也能够实现温度测量，因为也可以同时检测热膨胀。
如果这种光学应变片1应用在被加载力的变形体上，则由此可以如下所述检测所加载的力或者应变。因为通过作用于应变体上的力在其表面上实现应变作用，该应变作用通过敷设在其上的载体膜6传递到力锁合地固定在其中的光学波导体2，3，4上。由此在布拉格光栅区域5内部也产生一个长度变化，因为它由光导纤维2，3，4的芯15的一段构成，该芯被外皮16包围，该外皮具有比芯15低的折射率。光导纤维2，3，4构造为单模纤维(Single-Mode-Faser)，其中纤维芯15的9μm直径足够小，因此，由最好红外光源发出的光仅可在一种唯一的模式中沿着芯15扩散。这种单模基本由芯-皮边界传导。布拉格光栅5的线20是芯15的有效折射率n的一系列最好均匀间隔的扰动。该布拉格光栅5沿着光波导体2，3，4的一个长度L延伸并且最好具有10mm的长度，但其中L也可以为1至20mm。
为了制造布拉格光栅可以使用不同的方法。在其中一种方法中，在芯15中产生折射率扰动n，其方式是，将光导纤维2，3，4以相位掩膜掩蔽并且以强紫外光照射。在另一种方法中，这样构成折射率扰动n：光导纤维2，3，4承受干涉图样，该干涉图样由一个UV激光射线的两个相交的半部产生。折射率n的扰动之间的间距A通过该射线的这两个半部相交的角度确定。通过这种方法产生的芯折射率n扰动一般处于千分之一或之下的数量级。
为制造布拉格光栅5所使用的光导纤维2，3，4通常在外皮16之外具有保护层17，该保护层最好由聚合物制成并且对于真正的光导功能没有意义。在光导纤维2，3，4为了形成布拉格光栅5而承受UV光之前，去掉该保护层17。在照射后也可以使光导纤维5的被剥去的部分被重新覆层，以便再建立其耐用性，如同在馈送波导体7的第四光纤布拉格光栅13中那样。
如果对布拉格光栅5馈送一个宽的光谱作为输入信号，则大多数波长穿过光栅区域并形成透射的输出信号。但折射率n的周期性扰动对于输入信号的一些组成部分产生强的、具有所谓布拉格波长的波长λB的布拉格反射，该波长按照公式λB＝2nA产生，其中n表示有效折射率而A表示光栅周期。
通过光谱计或者所谓Fabry-Perot滤波器可以探测通过布拉格光栅5反射的光波信号。在此，在波长λ时在反射中出现一个最大值，该波长表示一个取决于光栅周期A的值。如果纵向应变作用于布拉格光栅5上，则间距A改变，因此布拉格波长λB移动。在此，布拉格波长λB近似与沿光波导体2，3，4纵轴的应变成比例。即波长变化ΔλB是导入到变形体中的力的尺度。因此这种光学应变片1可以与电子应变片类似地在规定的变形体上，最好也使用在称量单元、扭矩轴或其它受力体中。但这种光学应变片1也可以用在负载试验中，例如在航空和航天中，在那里，光学应变片1直接敷设在受负载的构件上，其中尤其是按照本发明的应变花对于未知力导入方向的测量是有利的。但这种光学应变片1也可以用于监视受负载的构件的运行状态，它们可在超过预给定的极限应变时检测疲劳损伤或裂纹产生。
但为了检测与应变有关的负载设置一个专用的光谱分析计算单元，带有例如Fabry-Perot滤波器，它其实是一个用于光波导体2，3，4的发射和接收单元，在其中借助分析计算单元探测由光纤布拉格光栅5反射的波长λB。在此首先在不承载状态下借助最好红外光源作为发射单元将波长λ为最好约1525至1575nm的宽带光信号馈入到光波导体2，3，4中。通过布拉格光栅5根据关系式λB＝2nA分别反射一个预定的波长λB0，该波长在一个耦合器中被与发射的光信号分开。然后借助于接收单元中或者另一光谱计单元中的随后的已知的Fabry-Perot滤波器，以1pm的分辨率检测反射的光波信号并且作为基准值λB0电存储或者在显示装置中显示。
如果现在在变形体上出现与负载相关的应变，它通过所敷设的载体膜6导致光波导体2，3，4的长度变化，则在光栅周期A上布拉格光栅5的每次反射的波长λB1也改变，该波长同样借助于Fabry-Perot滤波器探测。如果现在由对应的基准布拉格光栅波长λB0-λB1构成差值，则得到一个值，它与应变或负载力成比例并且可在一个显示装置中作为应变或力显示。在此，对于现有的由三个相互以角度45°相邻设置的光导纤维2，3，4组成的应变花，所有三个应变分量或力分量被分开分析计算并且通过它们的已知的角度位置如同在电子应变花中那样被作为单个力分量或者作为合力来计算。
但这种应变检测或力检测只有在环境温度总是保持恒定不变时才足够精确，因为这种布拉格光栅5还与环境温度成比例地改变其反射波长λB。因此，实际上也可以用这种光学应变片1在没有与负载有关的应变的情况下测量温度T。布拉格波长λB则作为应变ε和温度T的函数按照以下关系式移动：
ΔλB＝KE×ε+KT×AT
其中：
KE＝应变灵敏度系数，
ε＝应变，
KT＝温度灵敏度系数，
ΔT＝温度变化。
但由于按照上述关系式不能区分由温度引起的和由应变引起的布拉格波长变化ΔλB并且不能总是遵守保持不变的温度常数，附加地还在馈送波导体7中设置一个第四布拉格光栅13用于温度补偿。因此，通过该第四布拉格光栅13借助一个接收单元探测另一个只与温度相关的波长变化ΔλBT(λBT＝KTΔT)，它在由应变引起的和由温度引起的波长变化ΔλB的分析计算单元中通过一个计算环节被减去与温度相关的波长变化ΔλBT，用于温度补偿。由此得到应变或力的很准确的测量值，它与光学应变片1的温度无关。
此外也可构成这样的光学应变片1，其中在一个较大的载体膜面积上同时安置多个应变花，它们能够实现面上的应变检测，以便例如也可在复杂的构件上得到应力分布的分析。
Claims (11)
1.用于多轴应变测量的光学应变片(1)，它包括至少两个具有布拉格光栅(5)的进行测量的光波导体段(2，3，4)，这些光波导体段以至少一个预给定的角度(19)相邻地安置在一个载体层(6)上并且由一个公共的馈送波导体(7)馈给光波，其特征在于，所有的波导体段(2，3，4，7)在载体层(6)上直线形地构成，并且，在馈送波导体段(7)与这些进行测量的波导体段(2，3，4)之间安置一个射线扩展元件(8)。
2.如权利要求1所述的光学应变片，其特征在于，所述应变片构造为应变花，它具有两个或三个相邻地且错开角度地安置的进行测量的波导体段(2，3，4)，这些波导体段各包含一个不同光栅周期(A)的布拉格光栅(5)并且在射线扩展元件(8)的前面汇集。
3.如权利要求1或2所述的光学应变片，其特征在于，所述应变花由两个相互间形成90°角的进行测量的波导体段(2，4)组成，或者由三个进行测量的波导体段(2，3，4)组成，其中每两个相邻的波导体段(2，3，4)相互间形成45°的角(19)。
4.如上述权利要求之一所述的光学应变片，其特征在于，所述进行测量的波导体段(2，3，4)由一个公共的馈送波导体(7)馈给光波，在该馈送波导体的端部上安置一个梯度折射率透镜(9)和一个正弦形的透射-相位光栅(10)或者仅一个梯度折射率透镜(9)作为射线扩展元件(8)。
5.如上述权利要求之一所述的光学应变片，其特征在于，所有的直线形的波导体段(2，3，4，7)以及射线扩展元件(8)组合在一个薄的、构造为载体膜的载体层(6)中。
6.如上述权利要求之一所述的光学应变片，其特征在于，所述载体膜(6)由金属、玻璃、陶瓷或硬弹性塑料制成，在其中空出用于容纳波导体段(2，3，4，7)和射线扩展元件(8)的引导通道(11，18)，这些引导通道的横截面圆形、多边形或V形地构成并且具有至少一个直径，该直径相应于具有布拉格光栅(5)的波导体段(2，3，4)的直径。
7.如上述权利要求之一所述的光学应变片，其特征在于，所述进行测量的波导体段(2，3，4)构造为可导光的玻璃纤维并且为了用布拉格光栅(5)测量应变力锁合地压入到或者粘接到引导通道(18)中。
8.如权利要求1至6之一所述的光学应变片，其特征在于，所述进行测量的光导体段(2，3，4)构造为可导光的塑料或可导光的玻璃，其折射率比载体膜(6)的折射率高并且它们固定地铸入或嵌入到引导通道(18)中并且在它们的端部区域中具有一个布拉格光栅(5)。
9.如上述权利要求之一所述的光学应变片，其特征在于，所述载体膜(6)正方形或矩形地构成并且与作为覆盖层(12)的覆盖膜固定连接，其中，覆盖膜(12)至少遮盖具有波导体段(2，3，4，7)和射线扩展元件(8)的引导通道(11，18)。
10.如上述权利要求之一所述的光学应变片，其特征在于，在馈送波导体(7)中在载体膜(6)之外与应变无关地设置一个附加的第四布拉格光栅(13)用于温度补偿。
11.用于制造如上述权利要求1至10之一所述的光学应变片(1)的方法，其特征在于，在裁切成规定面积的载体膜(6)中加工出通过腐蚀方法或机械的去除材料的加工方法加工出至少三个直线形的引导通道(11，18)，将具有压制的布拉格光栅(5)的进行测量的光导体(2，3，4)和一个射线扩展元件(8)以及一个馈送波导体(7)力锁合地和形状结合地固定到这些引导通道中，其中，至少引导通道(11，18)用一个覆盖层(12)密封。
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