DE102006046778A1 - Faseroptische Sensorvorrichtung - Google Patents

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Benjamin L'Hénoret
Kenji Oda
Kensuke Shima
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    • G01D5/3537—Optical fibre sensor using a particular arrangement of the optical fibre itself
    • G01D5/35377—Means for amplifying or modifying the measured quantity

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine faseroptische Sensorvorrichtung, die eine Lichtleitfaser mit an einem ersten Ende angekoppelter Lichtquelle sowie einen an die Lichtleitfaser an einem zweiten Ende angekoppelten Lichtdetektor, sowie Mittel zum Erkennen einer Deformation auf Basis einer Änderung der Intensität des durch die Lichtleitfaser empfangenen Lichts umfasst. Um eine faseroptische Sensorvorrichtung der genannten Art unter Verwendung kostengünstiger Einzelbauelemente und preiswerter Fertigung weiterzubilden, wird vorgeschlagen, dass an oder in der Lichtleitfaser 2 mindestens eine Einrichtung 12 in Form eines Modenfilterbauteils 14 zur Erzeugung eines Modengleichgewichts EMD und/oder in Form eines Modenmischers 13 zur Erzeugung einer gleichmäßigen Leistungsverteilung in der Faser 2 angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine faseroptische Sensorvorrichtung, die eine Lichtleitfaser mit an einem ersten Ende angekoppelter Lichtquelle sowie einen an die Lichtleitfaser an einem zweiten Ende angekoppelten Lichtdetektor, sowie Mittel zu Erkennen einer Deformation auf Basis einer Änderung der Intensität des durch die Lichtleitfaser empfangenen Lichts umfasst.
  • Derartige faseroptische Sensorvorrichtungen sind beispielsweise aus der WO 94/29671 A1 bekannt. Sie werden heute gleichermaßen für langsam, wie auch schnell ablaufende Biege- oder Verformungsvorgänge eingesetzt und finden daher auch im modernen Personenkraftfahrzeugbau Anwendung. So wird beispielsweise eine schnelle Detektion eines Zusammenstoßes eines Kraftfahrzeuges mit einem Fußgänger oder Fahrradfahrer durch derartige Sensoren zur Einleitung so genannter aktiver Sicherheitsmaßnahmen, wie beispielsweise einem durch pyrotechnische Elemente oder einen elektrischen Antrieb hervorgerufenen Schrägstellen einer Motorhaube, ausgeführt.
  • Ohne Beschränkung ihres Einsatzfeldes wird die vorliegende Erfindung nachfolgend unter Bezugnahme auf den Automobilsektor dargestellt. Der Automobil- und Kraftfahrzeugbereich ist aufgrund der hohen Systemanforderungen bei gleichzeitig hohem Kostendruck durch die hohen Absatzzahlen ein wirtschaftlich sehr bedeutender Anwendungsbereich. Alternative Einsatzfelder in der Flugzeugtechnik oder aber auch in der Architektur und Ähnliches werden grundsätzlich nicht ausgeschlossen.
  • Faseroptische Sensorvorrichtungen der genannten Art weisen als Lichtquelle regelmäßig Leuchtdioden auf, die an eine i. d. R. unter 2 m lange Lichtleitfaser in Form einer optischen Kunststofffaser bzw. Polymer optical fiber, kurz POF, angeschlossen ist. Im Anschlussbereich zwischen der optischen Faser und der Lichtquelle kann auch eine kurze Anschlussleitung bzw. eine pig-tail-Faser angeordnet sein. Aufgrund von Bauteilstreuungen hat sich bereits in Kleinserienfertigungen herausgestellt, dass die Sensorvorrichtungen hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit und der in der Lichtleitfaser herrschenden Dämpfung bzw. Lichtübertragungsrate soweit voneinander abweichen, dass diese optischen Sensorvorrichtungen nach ihrer Fertigstellung jeweils noch mal einen separaten Eichungsprozess unterzogen werden mussten, um im Einsatz miteinander vergleichbare Ergebnisse liefern zu können. In einer Großserienfertigung wäre dann auch mindestens beim Wechsel einer Komponente der faseroptischen Sensorvorrichtung durch eine andere Bauform oder ein anderes Modell derselben Komponente eine solche Nacheichung des zusammengebauten Sensors mit einem entsprechenden Kosten- und Zeitaufwand durchzuführen.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine faseroptische Sensorvorrichtung der genannten Art unter Verwendung kostengünstiger Einzelbauelemente und preiswerter Fertigung weiterzubilden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale von Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß zeichnet sich eine optische Sensorvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch aus, dass an oder in der Lichtleitfaser ein Modenfilterbauteil und/oder ein Modenmischer zur Erzeugung entweder eines Modengleichgewichts (EMD) oder einer gleichmäßigen Leistungsverteilung in der Faser angeordnet sind. Vorteilhafterweise sind damit preiswerte Bauteile und austauschbare Typen opto-elektrischer Elemente in einem stabilen Messverfahren großer Toleranzbreite einsetzbar, ohne dass die Vorrichtung eingemessen oder geeicht werden müsste.
  • Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist die Erkenntnis, dass faser-optische Sensorvorrichtungen der eingangs genannten Art hinsichtlich ihrer Eigenschaften in starkem Maße abhängig von einer jeweiligen Lichteinkopplung sind. Maßgeblich für die Lichteinkopplung ist nicht nur die Art des verwendeten Licht aussendenden Bauteils, hier kann eine normale Leuchtdiode, oder aber eine Leuchtdiode mit integrierter Linse zum Einsatz kommen, sondern auch ein Abstand zwischen einem ersten Ende der Faser und der Leuchtdiode sowie einem Winkelversatz zwischen den optischen Achsen der Lichtquelle und der Lichtleitfaser. Während Laser-Dioden aus Kostengründen gleich außer Acht gelassen werden und Leuchtdioden mit integrierter Linse auch aufgrund des geringfügig höheren Preises in der Praxis der vorliegenden Anwendung in einem faseroptischen Sensor nur ausnahmsweise zum Einsatz kommen, sind im Wesentlichen die folgenden Faktoren für die messtechnischen Eigenschaften eines faseroptischen Sensors mit einer Kunststoff-Multimode-Faser maßgeblich, die Verluste aufgrund von Toleranzen in den Verbindungstechniken darstellen:
    Winkelversatz
    Achsversatz
    Stirnflächenabstand
    Endflächenqualität der Lichtleitfaser.
  • Winkelversatz, Achsversatz und deren Änderungen sowie Variationen bezüglich des Abstandes der Stirnflächen sind Fehlerquellen, die auch in einer Großserienfertigung nicht hinreichend ausgeschlossen oder eingegrenzt werden können. Hinzu kommen die bei preiswerten Lichtleitfasern häufigen Parameterschwankungen und die Tatsache, dass eine Stirn- bzw. Endfläche, an der das Licht der Lichtquelle eingekoppelt werden soll, an einem preiswerten Lichtleitfaserelement schon aus Kostengründen nie optimal vorbereitet sein wird. Auch unter Verwendung von Leuchtdioden mit so genannten Pig-tail-Faserstücken werden die vorstehend genannten Probleme einer reproduzierbaren Lichteinkopplung nur auf eine zweite Koppelstelle bei höheren Kosten verlagert, bleiben jedoch im Prinzip un verändert bestehen. Durch eine erfindungsgemäße Erweiterung wird nun auf zwei unterschiedlichen und auch miteinander kombinierbaren Ansätzen die Strahlungscharakteristik unabhängig von der Lichtquelle und deren Einkopplung in die Lichtleitfaser gemacht. Dies wird einerseits durch eine Modensättigung, andererseits durch eine Energiegleichverteilung innerhalb der Lichtleitfaser erzielt, wie nachfolgend noch anhand von Messkurven eines Ausführungsbeispiels dargestellt wird. Damit ist vorteilhafterweise sichergestellt, dass nur eine grundsätzliche Kalibrierung für eine Bauart eines optischen Pfades in Form der Lichtleitfaser mit Umlenkung und Sensierung durchzuführen ist. Es muss keine wiederholte Kalibrierung an der fertig verbauten Vorrichtung erfolgen.
  • Eine Versorgung eines Lichtwellenleiters mit Licht aus einer Leuchtdiode bewirkt regelmäßig eine Multi-Mode-Anregung. Es ist bekannt, dass nicht alle Moden die gleiche Lichtenergie transportieren, einige Moden das Licht effizienter als andere Moden transportieren, einige potentielle Moden gar kein Licht transportieren und dass schließlich ein Energietransfer zwischen Moden stattfindet, also Lichtenergie den Mode wechselt. Damit ändern sich eine Moden-Zusammensetzung bzw. die Zustände der Moden innerhalb eines Lichtwellenleiters durch Übertragung von Energie von einem Mode auf einen anderen Mode beständig. Dieser Wechsel der Zustände der Moden hält in einem Lichtleitersystem nur so lange an, bis der Zustand des Modengleichgewichts, englisch Equilibrium Mode Distribution, abgekürzt als EMD, erreicht ist.
  • Vorzugsweise ist die Einrichtung in Laufrichtung des durch die Lichtleitfaser ausgesandten Lichtes gesehen vor Erreichen einer sensitiven Zone bzw. Messzone an oder in der Lichtleitfaser angeordnet. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Einrichtung nahe dem Ankoppelbereich zwischen Lichtquelle und Lichtleitfaser angeordnet.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die faseroptische Sensorvorrichtung eine Steckverbindung mindestens zwischen Lichtquelle und Lichtleitfaser auf, vorzugsweise ist die Lichtleitfaser an beiden Enden über einen Stecker mit den opto-elektrischen Wandlern in Form einer LED und eines Photodetektors mit zugehöriger Elektronik verbunden. So wird eine separate Fertigung und Lieferung einer Elektronikbox und einer Lichtleitfaser sowie ein getrennter Einbau an einem Kraftfahrzeug mit abschließender Verbindung zu einer einsatzbereiten faseroptischen Sensorvorrichtung ermöglicht. Gerade weil aus dem Bereich der üblicherweise nur für datentechnische Anwendungen eingesetzten Steckverbindungen, z. B. LAN-Stecker, die vorstehend genannten Parameterabweichungen in einer Ankoppelstelle als Fehlerquellen bekannt sind, ist eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung wegen der nun erzielten Unabhängigkeit der Strahlungscharakteristik von der Lichtquelle und deren Einkopplung in die Lichtleitfaser bzw. der Ankopplung der Lichtquelle an die Lichtleitfaser besonders vorteilhaft.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die faseroptische Sensorvorrichtung mehrere optische Fasern jeweils mit definierten Verlustzonen und mit zugehörigen Sende- und Empfangseinheiten auf. Durch diese Anordnung wird ein Biegesensorsystem mit Verformungslokalisation geschaffen. Durch gestaffelte Anordnung der definierten Verlustzonen ist dann über eine Verteilung der Intensitätsergebnisse über verschiedene Lichtleitfasern auch eine Form bzw. Art der Verformung erkennbar.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Abbildungen der Zeichnung angegeben. In der Zeichnung zeigen in schematisierter Form:
  • 1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer faseroptischer Sensorvorrichtung mit einer Einrichtung in Form eines Modenmischers;
  • 2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer faseroptischer Sensorvorrichtung mit einer Einrichtung in Form eines Modenfilterbauteils;
  • 3: eine faseroptische Sensorvorrichtung nach dem Stand der Technik;
  • 4a: eine Darstellung eines prinzipiellen Aufbaus eines Ankoppelbereiches zwischen einer LED als Lichtquelle und einer Lichtleitfaser unter Angabe eines jeweiligen Strahlungsdiagramms der LED und des Ausgangs der Lichtleitfaser;
  • 4b: eine Darstellung analog der 4a unter Verwendung einer LED mit integrierter Linse;
  • 5: eine Darstellung eines mehrere optische Fasern umfassenden faseroptischen Sensorsystems analog der Ausführungsform von 1 zur Bildung eines Biegesensors mit Lokalisation einer Verformungsstelle;
  • 6: eine Darstellung gemäß 5 eines mehrere optische Fasern umfassenden faseroptischen Biegesensorsystems mit Verformungslokalisation analog der Ausführungsform von 2;
  • 7a: zwei Diagramme zur Darstellung der Transmittanz (Transmittance) eines bekannten Systems als Funktion des Abstandes zwischen der Lichtquelle und der Stirnfläche der Lichtleitfaser sowie als Funktion der Stromstärke bei zwei festen Abständen zwischen der Lichtquelle und der Lichtleitfaser;
  • 7b: zwei Diagramme zur Darstellung der Empfindlichkeit eines bekannten Systems als Funktion des Abstandes zwischen der Lichtquelle und der Stirnfläche der Lichtleitfaser sowie als Funktion der Stromstärke bei zwei festen Abständen zwischen der Lichtquelle und der Lichtleitfaser;
  • 8a und 8b: zwei Diagramme zur Darstellung der Transmittanz (Transmittance) und der Empfindlichkeit eines erfindungsgemäßen Systems als Funktion des Abstandes zwischen der Lichtquelle und der Stirnfläche der Lichtleitfaser analog der entsprechenden Darstellungen der 7a und 7b.
  • Über die verschiedenen Ausführungsbeispiele und Abbildungen hinweg werden nachfolgend einheitlich gleiche Bezugsziffern und Bezeichnungen für gleiche Funktions- bzw. Baugruppen und Verfahrensschritte verwendet.
  • 3 zeigt eine faseroptische Sensorvorrichtung 1 nach dem Stand der Technik. Die faseroptische Sensorvorrichtung 1 umfasst eine Lichtleitfaser 2, die an einem ersten Ende 3 der Lichtleitfaser 2 in einem Ankoppelbereich 4 an eine Lichtquelle 5 mit einer Stirnfläche 6 gekoppelt ist und an einem zweiten Ende 7 an einen Lichtdetektor 8. Nicht weiter dargestellt sind eine Schaltungselektronik und Mittel zu Erkennen einer Deformation einer sensitiven Zone 9 auf Basis einer Änderung der Intensität des aus der Lichtleitfaser 2 in dem Lichtdetektor 7 empfangenen Lichts. Diese sensitive Zone 9 ist zwischen der Einspeisung durch die Lichtquelle 5 und einer Umlenkung 10 in einem Umkehrpunkt über eine Länge L angeordnet.
  • Eine derartige faseroptische Sensorvorrichtung 1 sensiert also eine Verbiegung der Lichtleitfaser 2 und ist damit auch als Crashsensor in einem Personenkraftfahrzeug in Bereichen der Karosserie vorteilhaft einsetzbar, die bei Unfällen mit Fußgängern oder Fahrradfahrern verformt werden. Dabei ist schon eine leichte Verformung zur Detektion ausreichend. Um effektiv aktive Sicherheitsnahmen zur Verbesserung des Schutzes einer verunfallten Person ergreifen zu können, beispielsweise eine Vergrößerung eines Aufprallwinkels bei Schaffung einer weicheren Auffangstruktur im Bereich der Motorhaube, muss eine auch nur geringe Verformung durch einen derartigen Sensor schnell und sicher erkannt werden.
  • Aus Kostengründen kommen bei einer derartigen Sensorvorrichtung 1 Leuchtdioden LED als Lichtquellen 5 bei λ = 660 nm zusammen mit Photodetektoren als Lichtdetektor-Bauteile 8 zum Einsatz. 4a zeigt eine Darstellung eines prinzipiellen Aufbaus des Ankoppelbereiches 4 zwischen einer LED als Lichtquelle 5 und einer polymer optischen Faser POF als Lichtleitfaser 2 einer Länge L von ca. 1 m mit einer numerischen Apertur NA = 0,5. Hierbei werden exemplarisch auch ein jeweiliges Strahlungsdiagramm E der Lichtquelle 5 und ein Strahlungsdiagramm A des zweiten Endes 7 der Lichtleitfaser 2 dargestellt.
  • 4b gibt die Situation analog der Darstellung von 4a bei Verwendung einer vergleichsweise teureren LED mit integrierter Linse als Lichtquelle 5 wieder. Die Abhängigkeit des Strahlungsdiagramms am Ausgang bzw. zweiten Ende 8 der Lichtleitfaser 2 ist deutlich erkennbar. Somit wären auch Messergebnisse von Sensorvorrichtungen 1 nach 4a und 4b miteinander nicht unmittelbar vergleichbar.
  • Die aus Kostengründen angezeigte Verwendung einer LED als Lichtquelle 5 in der faseroptischen Sensorvorrichtung 1 zur Multimodeanregung in einer aus einem Polymer bestehenden optischen Faser POF als Lichtleitfaser 2 schafft undefinierte Anregungsbedingungen, i. d. R. so genannte Overfilled Launches, die sich in der Anregung von Leckmoden höhere Ordnung und/oder Mantelmoden zeigen. Diese Moden sind als Dämpfung messbar, die nicht proportional zu einer Faserlänge ist. Fehleinstellungen durch einen Fehlstellungswinkel der Lichtquelle 5 zu einer Achse M der Lichtleitfaser 2 um einen Win kel α oder unzulässig hohe Variation eines Abstandes d zwischen der Lichtquelle 5 und der Endfläche 6 der Lichtleitfaser 2 u. ä. rufen deutliche Abweichungen hervor, mit Auswirkung auf einen jeweiligen Signalpegel in einem Normalzustand ohne zusätzliche Deformation. Damit ist je nach Ausbildung des Ankoppelbereiches bei sonst gleichen Parametern einer faseroptischen Sensorvorrichtung 1 schon im unverformten Zustand stets eine andere Dämpfung messbar. Ohne eine zusätzliche Eichmessung im eingebauten Zustand kann auf dieser Basis keine durch einen Crash verursachte Verbiegung der faseroptischen Sensorvorrichtung 1 mit ausreichender Sicherheit erkannt werden.
  • Die Diagramme der 7a zeigen den Einfluss von Parameterabweichungen exemplarisch in Form von zwei Diagrammen anhand der Transmittanz (Transmittance) eines bekannten Systems als Funktion des Abstandes zwischen der Lichtquelle und der Stirnfläche der Lichtleitfaser sowie als Funktion der Stromstärke bei zwei festen Abständen d zwischen der Lichtquelle 5 und der Lichtleitfaser- Stirnfläche 6. In Abständen d von ca. 0,1 mm bis 1 mm sind sehr starke Abweichungen zu erkennen. Über einem Diodenstrom gesehen ergeben sich fast horizontale, jedoch für d = 0,1 mm und d = 1 mm voneinander deutlich abweichende Linien.
  • 7b zeigt ergänzend zwei Diagramme zur Darstellung der Empfindlichkeit eines bekannten Systems unter Einsatz von zwei unterschiedlichen Lichtleitfasern ebenfalls als Funktion des Abstandes d zwischen der Lichtquelle 5 und der Stirnfläche 6 der Lichtleitfaser 2 sowie als Funktion der Stromstärke bei zwei festen Abständen d zwischen der Lichtquelle 5 und der Lichtleitfaser 2. Hierbei werden die Messungen der Diagramme von 7a unterstrichen.
  • Eine definierte Anregungsbedingung liefert hingegen eine Dämpfung, die proportional zur Länge der Lichtleitfaser 2 ist. Derartige ideale Anregungsbedingungen vermeiden eine Einspeisung von Leistung in höhere, nicht stabile Moden. Dadurch, dass die Anregungsenergie nicht in die instabilen Moden der Lichtleitfaser 2 eingekoppelt wird, werden Dämpfungen gemessen, die sich annähernd linear addieren. In diesem Idealzustand wird eine Leistungsverteilung zwischen den Moden innerhalb eines Faserkerns nicht verändert. Dieser Zustand wird als Modengleichgewichtsverteilung bezeichnet und ist auch deswegen anzustreben, weil sich in diesem Zustand die vorstehend genannten Störeinflüsse deutlich geringer auf ein Ergebnis einer Dämpfungsmessung auswirken.
  • Die Länge der Lichtleitfaser 2 beträgt in dem vorliegenden Beispielfall ca. 1,5 m und damit zur selbstständigen Einstellung einer Modengleichgewichtsverteilung über eine Faserlänge von bis zu mehreren Kilometern deutlich zu kurz. Der Modenzustand ist bei vergleichsweise kurzer Länge der Lichtleitfaser 2 von der jeweils verwendeten Lichtquelle 5 und somit über eine Serie von faseroptischen Sensorvorrichtungen 1 gesehen von einem gleichbleibenden Einstrahlverhalten und auch sonst konstanten Bedingungen abhängig. Diese Konstanz im Einstrahlverhalten und weiteren Bedingungen kann in dem geforderten Preissegment nicht gegeben sein.
  • Um dennoch eine Stabilisierung der Parameter faseroptischer Sensorvorrichtungen 1 über eine Serienproduktion hinweg auch z. B. beim Austausch einer Lichtquelle 5 in Form einer einfachen Leuchtdiode gegen eine LED mit integrierter Linse zu schaffen, wird in einem ersten Ausführungsbeispiel einer faseroptischer Sensorvorrichtung 1 an der Lichtleitfaser 2 eine Einrichtung 12 in Form eines Modenmischers 13 vorgesehen. Durch Faserbiegungen wechselt Energie zwischen Moden. In Form eines Modenmischers 13, der eine Vielzahl von Biegungen der Lichtleitfaser 2 über eine relativ kurze Strecke aufweist, werden diese Modenwechsel derart erzwungen, dass ineffiziente Moden ihre Energie verloren haben und somit ein Modengleichgewicht über eine relativ kurze Distanz realisiert ist. Nun ist ein Modenzustand in der Lichtleitfaser 2 nicht länger signifikant von der Art der verwendeten Lichtquelle 5 und/oder der Ausbildung des Ankoppelbereiches 4 abhängig.
  • 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer faseroptischer Sensorvorrichtung 1, bei der die Lichtleitfaser 2 über einen Stecker 11 an die opto-elektrischen Bauteile 5, 8 angeschlossen ist. Ferner weist diese faseroptische Sensorvorrichtung 1 nun eine Einrichtung 12 in Form eines Modenfilterbauteils 14 auf. Durch das Modenfilterbauteil 14 werden ein Modengleichgewicht und damit eine definierte Anregungsbedingung bei einer Multimode-Messung erreicht. Hierzu wird die Lichtleitfaser 2 in Form einer Spindel um einen Wickeldorn bzw. Mandrel 15 vorgegebener Durchmessers und in bestimmter Wickelrichtung aufgewickelt. Im vorliegenden Beispielfall ist das Modenfilterbauteil 14 nicht nahe der Lichtquelle 5, sondern als Umlenkung 10 eingesetzt.
  • Die beiden Diagramme der 8a und 8b stellen analog der Darstellungen der 7a und 7b die Transmittanz (Transmittance) und die Empfindlichkeit eines erfindungsgemäßen Systems als Funktion des Abstandes d zwischen der Lichtquelle 5 und der Stirnfläche 6 der Lichtleitfaser 2 dar. Anhand dieser Messergebnisse ist klar erkennbar, dass nun durch Einsatz einer Einrichtung 12 hier in Form eines Modenmischers 13 der Einfluss von Parameterabweichungen im Ankoppelbereich 4 deutlich gemindert worden ist. Ungenauigkeit in der Einstellung des Abstands d führt also kaum noch zu einer Signalabsenkung.
  • 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem aufbauend auf die Ausführungsform von 1 ein mehrere optische Fasern 2 mit zugehörigen Sende- und Empfangseinheiten umfassendes faseroptisches Sensorsystem 1 skizziert ist. Alle optischen Fasern 2 werden durch eine Einrichtung 12 in Form mehrerer Modenmischer 13 geführt, um nachfolgend in entsprechenden sensitiven Zonen 9 jeweils eine Equilibrium mode distribution- bzw. EMD-Bedingung zur Verfügung stellen zu können.
  • Die exemplarisch dargestellten vier optischen Fasern 2 bilden einen Biegesensor mit Lokalisation einer Verformungsstelle. Dazu weisen die optischen Fasern 2 jeweils definierte Verlustzonen 16 auf, so dass im Fall einer Verformung, z. B. in Folge eines Crashs, an dem zweiten Ende 7 jeder Faser unterschiedliche Intensitätsänderungen messbar sind. Anhand dieser Änderungen ist dann eine Lokalisation möglich.
  • Analog der Darstellung von 5 ist in 6 ein mehrere optische Fasern 2 umfassendes faseroptisches Biegesensorsystem mit Verformungslokalisation analog der Ausführungsform von 2 skizziert.
  • Gerade bei den Ausführungsbeispielen der 5 und 6 wird deutlich, wie groß der Vorteil eines erfindungsgemäßen Ansatzes zur Stabilisierung eines jeden der nun gebündelten faseroptischen Sensor-Teilsysteme ist: Ohne die vorstehend in unterschiedlichen Ausführungsformen beschriebenen Maßnahmen wäre in einem kompakten Biegesensor mit Lokalisation einer Verformungsstelle und Auswertemöglichkeit für eine jeweilige Art einer Verformung jedes Teilsystem einzeln nochmals zu kalibrieren. Gerade bei der Verwendung von Steckverbindungen zum teilbaren Aufbau derartiger Sensorvorrichtungen wäre ein solches Vorgehen gänzlich unpraktikabel, wobei eine getrennte Fertigung, Testung und erst zum Abschluss eines Zusammenbaus vorgenommene Verbindung sowohl fertigungstechnische, also auch logistische und handhabungsrelevante Vorteile mit sich bringt. Die vorstehend aufgeführten Abweichungen und Fehlerquellen treten jedoch bei einer oder mehreren Steckverbindungen i. d. R. in noch stärkerem Maße auf, als dies bei starren Verbindungen der Fall wäre. Damit nimmt die Bedeutung der vorliegenden Erfindung in diesem Bereich einen noch höheren Stellenwert ein.
    • 1
    Sensorvorrichtung
    2
    Lichtleitfaser
    3
    erstes Ende der Lichtleitfaser 2
    4
    Ankoppelbereich
    5
    Lichtquelle
    6
    Stirn-/Endfläche der Lichtleitfaser 2
    7
    zweites Ende der Lichtleitfaser 2
    8
    Lichtdetektor
    9
    bezüglich Deformation sensitive Zone
    10
    Umlenkung
    11
    Stecker
    12
    Einrichtung
    13
    Modenmischer
    14
    Modenfilterbauteil
    15
    Wickeldorn/Mandrel
    16
    definierter Verlustbereich
    d
    Abstand der Lichtquelle 5 zu der Stirn-/Endfläche 6 der Lichtleitfaser 2
    α
    Winkel einer Achsabweichung
    M
    optischen Mittelachse der Lichtleitfaser 2
    E
    Strahlungsdiagramm am Eingang der Lichtleitfaser 2
    A
    Strahlungsdiagramm am Ausgang der Lichtleitfaser 2

Claims (7)

  1. Faseroptische Sensorvorrichtung, die eine Lichtleitfaser (2) mit an einem ersten Ende (3) angekoppelter Lichtquelle (5) sowie einen an die Lichtleitfaser (2) an einem zweiten Ende (7) angekoppelten Lichtdetektor (8), sowie Mittel zum Erkennen einer Deformation auf Basis einer Änderung der Intensität des aus der Lichtleitfaser (2) im Lichtdetektor (8) empfangenen Lichts umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in der Lichtleitfaser (2) mindestens eine Einrichtung (12) in Form eines Modenfilterbauteils (14) zur Erzeugung eines Modengleichgewichts (EMD) und/oder in Form eines Modenmischers (13) zur Erzeugung einer gleichmäßigen Leistungsverteilung in der Faser (2) angeordnet ist.
  2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (12) in Laufrichtung des durch die Lichtleitfaser (2) ausgesandten Lichtes gesehen vor Erreichen einer sensitiven Zone bzw. Messzone (9) an oder in der Lichtleitfaser (2) angeordnet ist.
  3. Sensorvorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (12) nahe des Ankoppelbereichs (4) zwischen Lichtquelle (5) und Lichtleitfaser (2) angeordnet ist.
  4. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die faseroptische Sensorvorrichtung eine Steckverbindung mindestens zwischen der Lichtquelle (5) und der Lichtleitfaser (2) aufweist.
  5. Sensorvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht leitfaser (2) an beiden Enden über Steckverbindungen mit den opto-elektrischen Wandlern (5, 8) mit zugehöriger Elektronik verbunden ist.
  6. Sensorvorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfaser (2) an beiden Enden (3, 7) über einen Stecker (11) mit den opto-elektrischen Wandlern (5, 8) mit zugehöriger Elektronik verbunden ist.
  7. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (1) mehrere optische Fasern (2) mit zugehörigen Sende- und Empfangseinheiten (5, 8) umfasst, die jeweils definierte Verlustzonen (16) aufweisen.
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