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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zum Erfassen von Relativbewegungen zwischen einem ersten Objekt und einem zweiten Objekt, insbesondere einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil oder einem ersten Wandteil und einem zweiten Wandteil eines Bauwerkes oder einem ersten und einem zweiten Geländeabschnitt, wobei ein mit dem ersten Objekt mechanisch verbindbares erstes Sensorelement und ein mit dem zweiten Objekt mechanisch verbindbares zweites Sensorelement vorgesehen sind, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Strukturelle Schäden in Bauwerken und stationären Anlagen, insbesondere das Auftreten von Rissen und deren dynamische Entwicklung können oft dramatische Folgen für Leib und Leben haben. Brüche in tragenden Elementen können schwerwiegende Folgen nach sich ziehen, die bis zum Einsturz von Gebäuden und Brücken führen. Aus diesen Gründen ist es häufig angezeigt, die zeitliche Dynamik solcher Schäden schon in einer sehr frühen Phase zu überwachen, um rechtzeitig Sicherungs- oder Reparaturmaßnahmen einleiten zu können. Nach dem derzeitigen Stand der Technik kommen neben der aufwändigen Videoüberwachung beispielsweise piezoelektrische Dehnungsmessstreifen zum Einsatz.
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Die sehr häufig eingesetzte Überwachungsmethode mit Dehnungsmessstreifen unterliegt, wie alle analoge Sensorsysteme, welche direkt auf die Signalhöhe kalibriert werden, eine Empfindlichkeit gegenüber Pegel-Schwankungen, verursacht durch Schwankungen in der Stromversorgung oder durch Drifteffekte, ausgelöst durch Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen der Umgebung bzw. durch Lebensdauereffekte der eingesetzten Komponenten. Diese Einflüsse müssen aufwändig kompensiert werden, limitieren die Auflösung und können Fehlalarme auslösen.
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Aus der
DE 43 32 621 A1 ist eine Messeinrichtung zur Überwachung von Bauwerken, Geländebereichen oder dgl. bekannt. Die Messeinrichtung umfasst einen Lichtwellenleiter-Biegesensor, der einen Multimode-Lichtwellenleiter (GI) aufweist und in Form einer Schleife angeordnet ist. Mehrere bogenförmige Sensorabschnitte (S) sind zwischen Trägerplatten angeordnet, die gegenüber den Sensorabschnitten bewegbar mit Bauwerks- bzw. Geländebereichen fest verbunden sind. An den Lichtwellenleiter-Biegesensor ist eine Lichtquelle und ein Lichtempfänger mit Auswerteinrichtungen für Lichtdämpfungswerte angeschlossen. Der Lichtwellenleiter-Biegesensor ist in Form von mehreren Schleifen angeordnet. Der Lichtwellenleiter-Biegesensor besteht aus Gradient-Index-Multimode-Lichtwellenleiterabschnitten (GI) und damit verbundenen Step-Index-Multimode-Lichtwellenleiterabschnitten (SI), wobei die Sensorabschnitte (S) von Gradient-Index-Multimode-Lichtwellenleitern (GI) gebildet sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der o. g. Art hinsichtlich der Zuverlässigkeit zu verbessern, hinsichtlich des Anwendungsspektrums zu erweitern und hinsichtlich der Handhabung zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Bei einem Sensor der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Sensorelemente derart relativ zueinander bewegbar angeordnet sind, dass eine erste Fläche des ersten Sensorelementes einer zweiten Fläche des zweiten Sensorelementes zugewandt ist und sich diese Flächen bei einer Relativbewegung der Sensorelemente aufgrund einer Relativbewegung der Objekte mit konstantem Abstand relativ zueinander bewegen, wobei das erste Sensorelement mindestens eine erste Übertragungsvorrichtung zum Zuleiten eines Signals an den Sensor aufweist und das zweite Sensorelement mindestens eine zweite Übertragungsvorrichtung zum Wegleiten des Signals von dem Sensor aufweist, wobei die erste und zweite Übertragungsvorrichtung derart angeordnet und ausgebildet sind, dass das Signal nur bei mindestens einer vorbestimmten Relativposition zwischen den beiden Sensorelementen von mindestens einer ersten Übertragungsvorrichtung auf mindestens eine zweite Übertragungsvorrichtung überkoppelt.
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Dies hat den Vorteil, dass aus dem überkoppelten und von dem Sensor weggeführten Signal auf einfache Weise auf eine relative Position der beiden Sensorelemente zueinander geschlossen und dadurch eine Relativbewegung der Sensorelemente und damit der Objekte detektiert werden kann.
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Eine Vorbestimmung einer Messrichtung für die Relativbewegung der beiden Objekte erzielt man dadurch, dass die Sensorelemente in einer Führung derart angeordnet sind, dass die beiden Sensorelemente bei einer Relativbewegung der beiden Objekte zueinander eine eindimensionale Relativbewegung ausführen.
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Eine einfache Detektion von N verschiedenen Relativpositionen der Sensorelemente des Sensors erzielt man dadurch, dass N erste und N zweite Übertragungsvorrichtungen derart angeordnet sind, dass bei einer n-ten Position, mit n = 1 bis N und n eine ganze Zahl, das Signal von der n-ten ersten Übertragungsvorrichtung auf die n-te zweite Übertragungsvorrichtung überkoppelt und die übrigen N – 1 ersten und zweiten Übertragungsvorrichtungen derart relativ zueinander angeordnet sind, dass ein Überkoppeln des Signals im Wesentlichen blockiert ist.
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Eine einfache Detektion von 2N verschiedenen Relativpositionen der Sensorelemente des Sensors erzielt man dadurch, dass N erste und N zweite Übertragungsvorrichtungen derart angeordnet sind, dass bei einer n-ten Relativposition, mit n = 1 bis 2N und n eine ganze Zahl, das Signal von mindestens einer k-ten ersten Übertragungsvorrichtung auf mindestens eine k-te zweite Übertragungsvorrichtung, mit k = 1 bis N und k eine ganze Zahl, überkoppelt.
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Einen besonders funktionssicheren Sensor ohne die Gefahr von Störungen durch Hochfrequenzeinstreuungen sowie ohne die Notwendigkeit einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes am Ort des Sensors selbst, so dass der Sensor explosionsgeschützt ausgebildet ist, erzielt man dadurch, dass das Signal eine elektromagnetische Welle im Wellenlängenbereich von Licht, insbesondere mit einer Wellenlänge von 300 nm bis 800 nm, ist und die erste und die zweite Übertragungsvorrichtung jeweils ein Lichtwellenleiter ist, wobei freie Enden der ersten Lichtwellenleiter auf der ersten Fläche des ersten Sensorelementes und freie Enden der zweiten Lichtwellenleiter auf der zweiten Fläche des zweiten Sensorelementes angeordnet sind, wobei die Enden der ersten Lichtwellenleiter derart ausgebildet sind, dass das Licht aus den ersten Lichtwellenleitern an deren Enden in Richtung der zweiten Fläche austritt und die Enden der zweiten Lichtwellenleitern derart ausgebildet sind, dass Licht, welches aus Richtung der ersten Fläche auf das Ende eines zweiten Lichtwellenleiters auftrifft, in diesen zweiten Lichtwellenleiter eintritt.
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Eine Vergrößerung der Anzahl der detektierbaren Relativstellungen der beiden Sensorelemente zueinander erzielt man dadurch, dass die zweiten Lichtwellenleiter im Bereich von deren auf der zweiten Fläche angeordneten Enden und beabstandet von diesen wenigstens eine weitere Stelle aufweisen, welche derart ausgebildet ist, dass Licht, welches aus Richtung der ersten Fläche auf diese weitere Stelle auftrifft, in diesen zweiten Lichtwellenleiter eintritt.
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Eine besonders funktionssichere Anordnung der Übertragungsvorrichtungen mit eineindeutiger Zuordnung von jeweils einer ersten Übertragungsvorrichtung zu einer zweiten Übertragungsvorrichtung erzielt man dadurch, dass die Enden der ersten Lichtwellenleiter auf einer ersten Geraden und die Enden der zweiten Lichtwellenleiter auf einer zweiten Geraden angeordnet sind, wobei die erste Gerade relativ zur zweiten Geraden um einen vorbestimmten Winkel verkippt ist.
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Einen besonders einfach herzustellenden Sensor erzielt man dadurch, dass die erste oder die zweite Gerade senkrecht zu einer Richtung der Relativbewegung der beiden Sensorelemente zueinander ausgerichtet ist.
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Eine einfache Aus- und Einkoppelstelle aus den ersten Lichtwellenleitern heraus bzw. in die zweiten Lichtwellenleiter hinein erzielt man dadurch, dass erste und zweite Lichtwellenleiter einen Kern und einen Mantel aufweisen, wobei an den auf der ersten und zweiten Fläche angeordneten Enden der ersten und zweiten Lichtwellenleiter der Kern eines jeweiligen Lichtwellenleiters den Mantel in axialer Richtung überragt, wobei eine Endfläche des Kerns relativ zur Längsachse des jeweiligen Lichtwellenleiters um einen vorbestimmten Winkel, insbesondere um 45°, abgeschrägt ausgebildet ist.
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Eine alternative einfache Aus- und Einkoppelstelle aus den ersten Lichtwellenleitern heraus bzw. in die zweiten Lichtwellenleiter hinein erzielt man dadurch, dass erste und zweite Lichtwellenleiter einen Kern und einen Mantel aufweisen, wobei an den auf der ersten und zweiten Fläche angeordneten Enden der ersten und zweiten Lichtwellenleiter der Kern eines jeweiligen Lichtwellenleiters den Mantel in axialer Richtung überragt, wobei an einer Endfläche des Kerns ein zusätzliches optisches Element angeordnet ist, welches das in dem Lichtwellenleiter geführte Licht aus dem Lichtwellenleiter auskoppelt und um einen vorbestimmten Winkel, insbesondere um 45°, abgibt bzw. welches das auf das zusätzliche optisches Element einfallende Licht um einen vorbestimmten Winkel, insbesondere um 45°, ablenkt und in den Lichtwellenleiter einkoppelt.
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Einen besonders einfachen Aufbau des Sensors ohne die Gefahr von Störungen durch Hochfrequenzeinstreuungen sowie ohne die Notwendigkeit einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes am Ort des Sensors selbst, so dass der Sensor explosionsgeschützt ausgebildet ist, erzielt man dadurch, dass das Signal eine elektromagnetische Welle im Wellenlängenbereich von Licht, insbesondere mit einer Wellenlänge von 300 nm bis 800 nm, ist und die mindestens eine erste Übertragungsvorrichtung ein erster Lichtwellenleiter ist, wobei mindestens ein freies Ende des mindestens einen ersten Lichtwellenleiters auf der ersten Fläche des ersten Sensorelementes angeordnet ist, wobei die mindestens eine zweite Übertragungsvorrichtung ein optischer Reflektor, insbesondere ein Retroreflektor, ist, welcher auf der zweiten Fläche des zweiten Sensorelementes angeordnet ist, wobei die Enden der ersten Lichtwellenleiter derart ausgebildet sind, dass das Licht aus den ersten Lichtwellenleitern an deren Enden in Richtung der zweiten Fläche austritt und die optischen Reflektoren derart ausgebildet sind, dass diese Licht, welches aus Richtung der ersten Fläche auf diese auftrifft in Richtung der ersten Fläche derart zurück reflektieren, dass das reflektierte Licht wieder in den jeweiligen ersten Lichtwellenleiter eintritt. Der erste Lichtwellenleiter dient somit zusammenwirkend mit dem optischen Reflexionselement zum Wegleiten des Signals von dem Sensor, so dass weniger Übertragungsvorrichtungen erforderlich sind.
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Eine besonders einfache Auswertung der weggeleiteten Signale mit Zuordnung zu einer bestimmen Relativposition der Sensorelemente erzielt man dadurch, dass jede als optischer Reflektor ausgebildete zweite Übertragungsvorrichtung mindestens einen, insbesondere mehrere, Reflexionselemente aufweist, die derart auf der zweiten Fläche angeordnet sind, dass bei einer Relativbewegung der beiden Sensorelemente zueinander ein Ende eines vorbestimmten ersten Lichtwellenleiters den aus diesem austretenden Lichtstrahl in Abhängigkeit von der Relativposition der Sensorelemente zueinander immer nur auf jeweils eines der Reflexionselemente von einer vorbestimmten zweiten Übertragungsvorrichtung richtet.
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Zum funktionssicheren Unterscheiden von verschiedenen Relativpositionen der Sensorelemente zueinander sind die Reflexionselemente der zweiten Übertragungsvorrichtung als Bitmuster auf der zweiten Fläche angeordnet.
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Zum Einkoppeln der optischen Signale in die ersten Lichtwellenleiter und zum Auswerten der über die ersten Lichtwellenleiter rückgeführten Signale sind die ersten Lichtwellenleiter an einem dem ersten Sensorelement abgewandten Ende mit einem optischen Sender, insbesondere mit mindestens einer LED, und einem optischen Empfänger, insbesondere mit mindestens einer Photodiode, mit Auswerteinheit verbunden.
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Eine besonders funktionssichere Anordnung der Übertragungsvorrichtungen mit eineindeutiger Zuordnung von jeweils einer ersten Übertragungsvorrichtung zu einer zweiten Übertragungsvorrichtung erzielt man dadurch, dass die Enden der ersten Lichtwellenleiter auf einer ersten Geraden und optische Reflektoren auf einer zweiten Geraden angeordnet sind, wobei die erste Gerade relativ zur zweiten Geraden um einen vorbestimmten Winkel verkippt ist.
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Einen besonders einfach herzustellenden Sensor erzielt man dadurch, dass die erste oder die zweite Gerade senkrecht zu einer Richtung der Relativbewegung der beiden Sensorelemente zueinander ausgerichtet ist.
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Eine einfache Aus- und Einkoppelstelle aus den ersten Lichtwellenleitern heraus bzw. in die zweiten Lichtwellenleiter hinein erzielt man dadurch, dass der mindestens eine erste Lichtwellenleiter einen Kern und einen Mantel aufweist, wobei an dem auf der ersten Fläche angeordneten Ende des ersten Lichtwellenleiters der Kern den Mantel in axialer Richtung überragt, wobei eine Endfläche des Kerns relativ zur Längsachse des Lichtwellenleiters um einen vorbestimmten Winkel, insbesondere um 45°, abgeschrägt ausgebildet ist.
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Eine alternative einfache Aus- und Einkoppelstelle bei den ersten Lichtwellenleitern erzielt man dadurch, dass der mindestens eine erste Lichtwellenleiter einen Kern und einen Mantel aufweist, wobei an dem auf der ersten Fläche angeordneten Ende des ersten Lichtwellenleiters der Kern den Mantel in axialer Richtung überragt, wobei an einer Endfläche des Kerns ein zusätzliches optisches Element angeordnet ist, welches das in dem ersten Lichtwellenleiter geführte Licht aus dem Lichtwellenleiter auskoppelt und um einen vorbestimmten Winkel, insbesondere um 45°, abgibt.
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Eine besonders einfache Zuordnung von weggeleitetem Licht zu einer bestimmten Relativposition der beiden Sensorelemente zueinander erzielt man dadurch, dass wenigstens zwei, insbesondere alle ersten Lichtwellenleiter jeweils eine von den anderen ersten Lichtwellenleitern unterschiedliche Lichtwellenlänge übertragen.
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Die Lichtwellenleiter sind beispielsweise als Glasfaserkabel ausgebildet. Besonders funktionssichere, einfach in Herstellung und Verarbeitung zu handhabende sowie mechanisch robuste und gegen mechanische Krafteinwirkung unempfindliche Lichtwellenleiter erzielt man dadurch, dass diese als Kunststofffaserkabel ausgebildet sind.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:
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1 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors in schematischer Darstellung,
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2 die erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors gemäß 1 nach einer Relativbewegung von Sensorelementen,
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3 eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors in schematischer Darstellung,
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4 eine dritte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors in schematischer Darstellung,
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5 eine schematische Detailansicht von zwei Lichtwellenleitern der ersten bevorzugen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors und
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6 eine schematische Detailansicht von einem Lichtwellenleiter und einem Retroreflektor der zweiten bzw. dritten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors.
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Die in 1 und 2 dargestellte, erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors umfasst ein erstes Sensorelement 10, welches zum Befestigen an einem ersten Objekt ausgebildet ist, und ein zweites Sensorelement 12, welches zum Befestigen an einem zweiten Objekt ausgebildet ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind das erste und zweite Objekt Teile einer Wand eines Bauwerkes beidseits eines die Wand aufweisenden Risses 14.
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Der erfindungsgemäße Sensor dient zum Überwachen des Risses 14, d. h. zum Detektieren von Relativbewegungen der beiden Teile der Wand benachbart zu dem Riss 14, die zu einer Veränderung des Risses 14 führen, wobei im Wesentlichen eine Vergrößerung des Risses 14 von Interesse ist, da dies Rückschlüsse auf die strukturelle Integrität sowie Tragfähigkeit der Wand und ggf. die strukturelle Integrität des gesamten Bauwerkes ermöglicht. Obwohl die Erfindung nachfolgend in Bezug auf eine Rissüberwachung beschrieben wird, ist die Erfindung nicht auf einen Riss in einer Wand eines Bauwerkes beschränkt. Der erfindungsgemäße Sensor ist bei allen Situationen anwendbar, bei denen sich zwei Objekte relativ zueinander Bewegen und zwischen diesen Objekten ein Spalt bzw. Abstand ausgebildet ist, welcher sich durch die Relativbewegung der beiden Objekte in seinen Abmessungen bzw. Dimensionen ändert. Andere Beispiele für derartige Anwendungsbereiche des erfindungsgemäßen Sensors sind Verwerfungen in Böden, Gesteinen oder Felsen von Landschaftsformationen, zwei an sich getrennte Bauteile eines Bauwerkes, wie Träger und Wände, sowie Bruchteile eines bereits teilweise eingestürzten Bauwerkes.
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Die beiden Sensorelemente 10, 12 sind derart angeordnet und ausgebildet, dass sich diese bei einer Relativbewegung der Objekte ebenfalls relativ zueinander mit den Objekten mitbewegen, wobei eine erste Fläche 16 des ersten Sensorelementes 10 einer zweiten Fläche 18 des zweiten Sensorelementes 12 zugewandt ist (vgl. 5 und 6). Bei der Relativbewegung der Sensorelemente 10, 12 in eine Richtung 20 bewegen sich die beiden Flächen 16, 18 relativ zueinander mit konstantem Abstand 22. Dieser konstante Abstand 22 ist aus 5 und 6 für zwei verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensors ersichtlich.
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Der erfindungsgemäße Sensor der ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß 1, 2 und 5 weist erste Übertragungsvorrichtungen 24 in Form von ersten Lichtwellenleitern auf, die mit ihren freien Enden 26 auf der ersten Fläche 16 des ersten Sensorelementes 10 entlang einer ersten Geraden 28 angeordnet sind.
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Weiterhin sind zweite Übertragungsvorrichtungen 30 vorgesehen, die mit ihren freien Enden 32 auf der zweiten Fläche 18 des zweiten Sensorelementes 12 entlang einer zweiten Geraden 34 angeordnet sind. Die beiden Geraden 28 und 34 befinden sich in einer Ebene parallel zu der ersten und zweiten Fläche 16, 18 und sind zueinander um einen vorbestimmten Winkel verkippt. Hierdurch stehen sich bei verschiedenen Relativpositionen der beiden Sensorelemente 10, 12 zueinander jeweils unterschiedliche Paare von Enden 26, 32 gegenüber, wie in 5 dargestellt. Dies bedeutet, dass sich die Enden 26, 32 von einem Paar Lichtwellenleiter 24, 30 auf einer dritten Geraden 36 befinden, die senkrecht zur relativen Bewegungsrichtung 20 bzw. senkrecht zu den Flächen 16, 18 bzw. senkrecht zu einer von den Geraden 28, 34 aufgespannten Ebene ausgerichtet und angeordnet ist. Hierdurch kann ein von dem ersten Lichtwellenleiter 24 zum ersten Sensorelement 10 übertragenes Signal an den zweiten Lichtwellenleiter 30 überkoppeln, wie nachfolgend näher beschrieben wird. Die ersten Lichtwellenleiter 24 sind an deren von dem ersten Sensorelement 10 abgewandten Ende mit einem optischen Sender 40 verbunden, der ein optisches Signal aussendet, welches dementsprechend von den ersten Lichtwellenleiter 24 zum ersten Sensorelement übertragen wird. Die zweiten Lichtwellenleiter 30 sind an deren von dem zweiten Sensorelement 12 abgewandten Enden mit einem optischen Empfänger 42 verbunden, welcher ein von den zweiten Lichtwellenleitern 30 von dem zweiten Sensorelement 12 weggeleitetes optisches Signal detektieren, wobei der optische Empfänger 42 derart ausgebildet ist, dass dieser feststellen kann, von welchem oder welchen der zweiten Lichtwellenleiter 30 das optische Signal übertragen wird.
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In 1 ist eine erste Relativposition der beiden Sensorelemente 10, 12 zueinander dargestellt, wobei in einem Bereich 38 die Enden 26, 32 von einem Paar Lichtwellenleiter 24, 30 auf einer dritten Geraden 36 liegen und sich somit in einer Überkoppelposition befinden, d. h. in einer Position, in der ein Signal aus einem der ersten Lichtwellenleiter 24 in einen der zweiten Lichtwellenleiter überkoppelt. Alle übrigen Enden 26, 32 der Lichtwellenleiter 24, 30 befinden sich keiner derartigen Überkoppelposition, so dass bei allen übrigen Lichtwellenleitern 24, 30 ein Überkoppeln des Signals blockiert bzw. nicht möglich ist. In 2 ist eine zweite Relativposition der beiden Sensorelemente 10, 12 zueinander dargestellt, wobei der Bereich 38, bei dem sich zwei Enden 26, 32 von einem Paar Lichtwellenleiter 24, 30 auf einer dritten Geraden 36 in einer Überkoppelposition befinden, nun ein anderes Paar von Lichtwellenleitern 24, 30 betrifft. Bei dem zuvor gemäß 1 in Überkoppelposition befindliche Paar von Lichtwellenleitern 24, 30 ist ein Überkoppeln von dem ersten Lichtwellenleiter 24 auf den zweiten Lichtwellenleiter 30 nicht mehr möglich bzw. blockiert, da sich diese aufgrund der Relativbewegung zwischen den beiden Sensorelementen 10, 12 nicht mehr auf einer dritten Geraden 36 befinden. Somit können durch Bestimmen in dem optischen Empfänger 42 desjenigen zweiten Lichtwellenleiters 30, welcher das optische Signal überträgt, vier verschiedene Relativpositionen der Sensorelemente 10, 12 zueinander eindeutig detektiert werden. Da das Überkoppeln des optischen Signals zwischen zwei Enden 26, 32 nicht abrupt beginnt und endet, sondern mit zunehmender Annäherung von zwei Enden 26, 32 an eine Gerade 36 kontinuierlich zunimmt und mit zunehmender Entfernung von einer dritten Geraden 36 wieder kontinuierlich abnimmt, können von dem optischen Empfänger 42 auch Relativpositionen der Sensorelemente 10, 12 zwischen denjenigen Relativpositionen, an denen zwei Enden 26, 32 genau auf einer dritten Geraden 36 liegen, d. h. bei maximaler Überkopplung des Signals von dem ersten Ende 26 eines ersten Lichtwellenleiters 24 auf das zweite Ende 32 eines zweiten Lichtwellenleiters 30, detektiert werden.
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In der beispielhaften Ausführungsform gemäß 1 und 2 ist die Anordnung der Enden 26, 32 derart getroffen, dass je nach Relativpositon der Sensorelemente 10, 12 immer nur bei einem Paar von ersten und zweiten Lichtwellenleitern 24, 30 ein maximales Überkoppeln des Signals stattfindet bzw. bei jeder Relativposition der Sensorelemente 10, 12 zueinander immer nur maximal ein Paar von Enden 26, 32 auf einer dritten Geraden 36 mit maximalem Überkoppeln liegt. Dies ist jedoch lediglich beispielhaft. Die Anordnung kann alternativ auch derart getroffen werden, dass an verschiedenen Relativpositionen der Sensorelemente 10, 12 zueinander, zwei, mehrere oder alle Paare von Enden 24, 30 auf einer dritten Geraden 36 mit maximalem Überkoppeln liegen. Hierzu könnten die ersten und/oder zweiten Lichtwellenleiter 24, 30 beispielsweise mit jeweils mehreren freien Enden 26, 32 ausgebildet sein oder es könnte jeder einzelne erste und/oder zweite Lichtwellenleiter 24, 30 an zusätzlichen Stellen beabstandet von dem jeweiligen Ende 26 bzw. 32 derart ausgebildet sein, dass auch dort ein Auskoppeln des Signals aus dem ersten Lichtwellenleiter 24 bzw. ein Einkoppeln des Signals in den zweiten Lichtwellenleiter 30, möglich ist. Ein Beispiel für eine derartige Anordnung ist später anhand von einer dritten bevorzugten Ausführungsform dargestellt.
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Das Überkoppeln des Signals von einem ersten Ende 26 eines ersten Lichtwellenleiters 24 in bzw. auf ein zweites Ende 32 eines zweiten Lichtwellenleiters 30 ist für die erste bevorzugte Ausführungsform gemäß 1 und 2 schematisch in 5 veranschaulicht. Die Lichtwellenleiter 24, 30 weisen jeweils einen Mantel 44 und einen Kern 46 auf. An den Enden 26, 32 überragt der Kern 46 den Mantel 44, so dass sich über einen vorbestimmten Endbereich des jeweiligen Lichtwellenleiters 24, 30 ein freiliegender Abschnitt des Kerns 46 ergibt. Eine Endfläche 48 des Kerns 46 ist relativ zur dritten Geraden 36 um einen vorbestimmten ersten Winkel bzw. relativ zu einer Längsachse des Lichtwellenleiters 50 um einen vorbestimmten zweiten Winkel abgeschrägt ausgebildet. Dieser vorbestimmte erste und zweite Winkel beträgt in der dargestellten Ausführungsform beispielhaft 45°. Dies führt dazu, dass an den Enden 26 der ersten Lichtwellenleiter 24 das von diesen übertragene, optische Signal an der Endfläche 48 im Wesentlichen total reflektiert wird und in Richtung bzw. parallel zur dritten Geraden 36 bzw. senkrecht zur Längsachse 50 bzw. senkrecht zur Bewegungsrichtung 20 aus dem Ende 26 des ersten Lichtwellenleiters 24 austritt. Durch die im Wesentlichen identische Ausbildung des zweiten Endes 32 des zweiten Lichtwellenleiters 30 koppelt dieses optische Signal durch eine Totalreflexion an der Endfläche 48 in den zweiten Lichtwellenleiter 30 ein. Es ist aus 5 unmittelbar ersichtlich, dass das Überkoppeln des optischen Signals nur dann erfolgt, wenn die beiden Enden 26, 32 von zwei Lichtwellenleitern 24, 30 entsprechend zueinander ausgerichtet sind. Dieses Überkoppeln erfolgt dann maximal, wenn sich die beiden Enden in der zuvor beschriebenen Überkoppelposition, d. h. beide auf der dritten Geraden 36, befinden. Jedoch auch benachbart zur Überkoppelposition, d. h. wenn sich beide Enden 26, 32 nahe einer gemeinsamen dritten Geraden 36 befinden, erfolgt bereits ein Überkoppeln mit entsprechend verringerter Amplitude im Vergleich zum maximalen Überkoppeln an der Überkoppelposition. Die Totalreflexion an den Endflächen 48 kann noch dadurch unterstützt werden, dass die Endflächen mit einer entsprechend optisch wirksamen Schicht beschichtet bzw. verspiegelt sind, oder ein zusätzliches optisches Element zur Ablenkung des ausgekoppelten optischen Signals in Richtung der dritten Geraden 36 vorgesehen ist. In letzterem Fall kann dann ggf. auf die abgeschrägt Ausbildung der Endfläche 48 verzicht werden und die Fläche für die Totalreflexion in dem zusätzlichen optischen Element, wie beispielsweise einem Prisma, ausgebildet sein.
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3 und 6 zeigen eine zweite, alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors. In 3 sind funktionsgleich Teile mit gleichen Bezugszeichen, wie in 1, 2 und 5 bezeichnet, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1, 2 und 5 verwiesen wird. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß 1 und 2 sind bei der zweiten Ausführungsform gemäß 3 die zweiten Übertragungsvorrichtungen 30 nicht als Lichtwellenleiter, sondern als Reflektoren, insbesondere als Retroreflektoren, ausgebildet, so dass die zweiten Übertragungsvorrichtungen 30 ein aus einem ersten Ende 26 eines ersten Lichtwellenleiters 24 austretendes optisches Signal im Wesentlichen in diejenige Richtung zurück reflektieren, aus der das optische Signal auf die zweite Übertragungsvorrichtung 30 aufgetroffen ist, wie in 6 dargestellt. Das Überkoppeln des optischen Signals auf eine jeweilige zweite Übertragungsvorrichtung 30 führt somit dazu, dass das optische Signal zurück in den ersten Lichtwellenleiter 24 eingekoppelt wird. Anstatt eines zweiten Lichtwellenleiters, wie in der ersten Ausführungsform gemäß 1 und 2, benutzt die zweite Übertragungsvorrichtung 30 somit den ersten Lichtwellenleiter 24 zum Wegführen des optischen Signals von dem Sensor. Auf diese Weise kann ein vollständiger zweiter Satz von Lichtwellenleitern eingespart werden. Der gesamte Aufbau wird einfacher zu handhaben und zu montieren. Der optische Empfänger ist hierbei mit den von dem ersten Sensorelement 10 abgewandten Enden der ersten Lichtwellenleiter 24 verbunden. Hierzu weisen die ersten Lichtwellenleiter 24 eine entsprechende Y-Weiche 52 an den vom ersten Sensorelement 10 abgewandten Ende auf, wie in 3 dargestellt. Alternativ sind optischer Sender und Empfänger 40, 42 in einem einzigen Gerät integriert, so dass auf die Y-Weiche 52 verzichtet werden kann.
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4 zeigen eine dritte, alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors. In 4 sind funktionsgleich Teile mit gleichen Bezugszeichen, wie in 1, 2, 3, 5 und 6 bezeichnet, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1, 2, 3, 5 und 6 verwiesen wird. Im Unterschied zur zweiten Ausführungsform gemäß 3 sind auf der zweiten Fläche des zweiten Sensorelementes 12 mehrere zweite Übertragungsvorrichtungen 30 in Form von Reflektoren in der Art eines Bitmusters vorgesehen. Diese dritte Ausführungsform wird beispielsweise dadurch realisiert, dass die zweite Fläche des zweiten Sensorelementes vollflächig mit einem Reflektor beschichtet ist und auf diese Reflektorschicht eine Maske mit Ausnehmungen in Form des gewünschten Musters aufgelegt ist. Bei dieser Ausführungsform gibt es vorbestimmte Relativpositionen der Sensorelemente 10, 12 zueinander, bei denen das optische Signal nicht nur bei einem, sondern auch bei zwei, mehreren oder allen ersten Lichtwellenleiter 24 auf die zweiten Übertragungsvorrichtungen 30 überkoppelt und über dementsprechend zwei, mehreren oder allen ersten Lichtwellenleitern 24 zurück zum optischen Empfänger geleitet wird. Auf diese Weise kann der optische Empfänger mehrere, fein abgestufte Relativpositionen der Sensorelemente 10, 12 zueinander eineindeutig detektieren. Bei der beispielhaften Darstellung in 4 liegt eine Relativposition der beiden Sensorelemente 10, 12 vor, bei der bei drei der vier ersten Lichtwellenleiter 24 ein Überkoppeln auf jeweils eine zweite Übertragungsvorrichtung 30 erfolgt, bzw. bei drei Paaren von ersten Lichtwellenleitern 24 und zweiten Übertragungsvorrichtungen 30 jeweils ein Ende 26 und ein Reflektor 30 auf einer dritten Geraden 36 angeordnet sind.
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Der erfindungsgemäße Sensor ermittelt die mechanische Verschiebung zweier Bezugspunkte, welche durch die Dynamik einer Schadstruktur, wie beispielsweise eine Rissöffnung ausgehend von einer vorbestimmten, initialen Referenzposition heraus, hervorgerufen wird. Die zu messende Verschiebung wird nicht, wie beispielsweise beim Dehnungsmessstreifen, durch einen analogen elektrischen Messwert wiedergegeben. Stattdessen überstreichen die Enden 26, 32 eines oder mehrerer Lichtwellenleiter 24, 30 in definierten Positionen angebrachte Koppelstellen 38, die entweder das von einem ersten Lichtwellenleiter 24 ausgesandte Licht bzw. optische Signal weiterleiten (Transmissionsanordnung, vgl. 1, 2 und 5) oder reflektieren (vgl. 3, 4 und 6). Der Zustand der Wirksamkeit einer solchen optischen Kopplung entspricht der binären EINS, während das Nichtvorhandensein einer optischen Kopplung einer binären NULL entspricht. Dieses Messverfahren ist sehr unempfindlich gegenüber Pegelschwankungen aller Art, so lange der analoge Schwellwert für die Zuordnung der binären Zustände Null und Eins nicht im Bereich möglicher Störsignale liegt. Im Gegensatz zu bekannten Sensoren ist keine aufwändige Kalibrierung des Systems auf eine analoge Signalpegelhöhe nötig. Durch Parallelisierung n solcher Koppelelemente in verschiedenen Positionen auf der Messachse können bis zu n, mit speziellen binären Kodierverfahren bis zu 2n verschiedene binär kodierte Messwerte ausgegeben werden.
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Bei der ersten beispielhaften Ausführungsform gemäß der 1 und 2 treten zwei auf gegeneinander verschiebbaren Schlitten (Sensorelemente 10, 12) angeordnete Lichtwellenleiterbündel (24, 30) miteinander in Funktion.
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Die beiden Schlitten (Sensorelemente 10, 12) sind jeweils auf den beiden Seiten des zu untersuchenden Risses 14 außerhalb der Schadzone befestigt. Die Enden 26, 32 der Lichtwellenleiter 24, 30 sind so geformt, dass sie als Umlenkspiegel (Fläche 48) dienen und das Licht von einem in den anderen Lichtwellenleiter koppeln sobald sie in der richtigen Position relativ zueinander angeordnet sind, wie aus 5 und 6 ersichtlich. Das übergekoppelte Licht wird dann an einem vom Sensor abgewandten Ende eines jeweiligen zweiten Lichtwellenleiters 30 (1 und 2) oder ersten Lichtwellenleiters 24 (3 und 4) detektiert.
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Bei der zweiten und dritten Ausführungsform gemäß der 3 und 4 ist auf einem der beiden gegeneinander verschiebbaren Schlitten (Sensorelement 10 oder 12) ein Lichtleiterbündel aus Lichtwellenleitern 24 angeordnet, wobei die Enden 24 der Lichtwellenleiter 24 derart ausgebildet sind, dass sie als Umlenkspiegel (Fläche 48) dienen. Auf der zweiten Fläche 18 des anderen Schlittens (zweites Sensorelement 12 oder 10) sind reflektierende Elemente 30 in der Weise positioniert, dass sie, sobald sie in der geeigneten Position zum liegen kommen, das aus dem darunter liegenden Faserende 26 des ersten Schlittens 10 austretende Licht wieder dorthin reflektiert wird. Dieser Zustand entspricht der binären EINS. Trifft das austretende Licht nicht auf eine Licht reflektierende Position 30 des zweiten Schlittens 12, entspricht dies der binären NULL.
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Das reflektierte Signal (licht bzw. optisches Signal) wird beispielsweise über einen 50:50-Leistungsteiler 52 (3) zum Empfänger geführt. Ein nachgeschalteter Komparator entscheidet, ob die Höhe des Signalpegels eine binäre EINS oder binäre NULL darstellt. Alle zusammenlaufenden binäre Informationen werden anschließend in einem Mikrocontroller-System zur Auswertung gebracht. Beim Aufbau von n Fasern können n verschiedene Messwerte aufgelöst werden.
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Die Positionierung der einzelnen reflektierenden Zonen 30 wird beispielsweise durch eine vollständig reflektierende Oberfläche der Schlittenunterseite 18 in Kombination mit einer austauschbaren Lochblende realisiert. Eine aufwändigere, aber genauer auflösende und mit einem größeren Messbereich versehene Realisierung der Erfindung ist die Anordnung der reflektierenden Flächen 30 in einem binär kodierten Muster, wie in 4 dargestellt. Mit der in 4 dargestellten Anordnung der reflektierenden Flächen 30 kann man bei n Fasern 2n verschiedene Messwerte als Bitmuster darstellen
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Um die Nutzbarkeit der Erfindung für den Anwender zu unterstützen, wird das den Messwert repräsentierende Bitmuster zur Auswertung und Abspeicherung von einem in der Steuereinheit befindlichen Mikrocontroller verarbeitet.
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Die Steuereinheit kann entweder direkt mit dem Sensor zusammengebaut sein oder räumlich von den Sensorelementen 10, 12 getrennt und über eine Lichtwellenleiter-Verbindung mit dem Sensor verbunden sein. Diese Verbindung ist beispielsweise steckbar ausgeführt. Durch Programmierung des Mikrocontrollers legt der Anwender fest, bei welchen Schwellwerten der Verschiebungen der beiden Schlitten 10, 12 gegeneinander eine Warn- oder Alarmmeldung ausgelöst wird. Gleichzeitig wird jeder Messwert mit einem Zeitstempel versehen. Eine sinnvolle Erweiterung der Steuereinheit stellt die Integration einer I/O-Schnittstelle zur Außenwelt dar, über die Messdaten ausgelesen und der weiteren externen Verarbeitung zugeführt werden.
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Eine vereinfachte, kostengünstigere Variante ist die Verwendung verschiedenfarbiger Lichtquellen an jedem individuellen ersten Lichtwellenleiterstrang 24. In dieser Konfiguration kann auf eine opto-elektrische Wandlung und computergestützte Auswertung verzichtet werden. In diesem Fall umfasst der optische Empfänger 42 eine Mattscheibe, auf mit bloßem Auge eine entsprechende Leuchtfarbe ablesbar ist. Aus der Farbe des vom Sensor weggeführten Lichtes schließt der Beobachter dann auf die eingetretene Verschiebung der Schlitten 10, 12 relativ zueinander und damit auf eine Veränderung des Risses.
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Ein besonderer Vorteil der Verwendung eines optischen Signals liegt auch darin, dass am Ort der Messung, also beispielsweise am Ort des überwachenden Risses in einer Wand, keine elektrischen Ströme oder Spannungen vorhanden sind. Somit kann der erfindungsgemäße Sensor auch in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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