DE102013101432A1

DE102013101432A1 - Faseroptischer Beschleunigungssensor mit Hebel

Info

Publication number: DE102013101432A1
Application number: DE201310101432
Authority: DE
Inventors: Mathias Müller; Thorbjörn Buck
Original assignee: fos4X GmbH
Current assignee: Vc Viii Polytech Holding Aps Dk
Priority date: 2013-02-13
Filing date: 2013-02-13
Publication date: 2014-08-14
Anticipated expiration: 2033-02-14
Also published as: DE102013101432B4

Abstract

Eine Vorrichtung zum Detektieren einer Beschleunigung wird beschrieben. Die Vorrichtung beinhaltet eine Masse, eine mit der Masse verbundenen Hebelarm, wobei die Masse an einer ersten Hebelposition zur Verfügung gestellt ist, und die Vorrichtung beinhaltet eine mit dem Hebelarm verbundene optische Faser eines faseroptischen Sensors, wobei die optische Faser an einer zweiten Hebelposition mit dem Hebelarm verbunden ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung betreffen allgemein eine optische Messvorrichtung zur Erfassung von Messgrößen mittels in optischen Fasern eingebetteter Sensoren, und betrifft insbesondere eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Messung einer Beschleunigung mit faseroptischen Messsystemen. Im speziellen beziehen sich Ausführungsformen auf eine Vorrichtung zum Detektieren einer Beschleunigung, eine Vorrichtung zum Detektieren einer Beschleunigung in zumindest zwei Raumrichtungen und ein Verfahren zum Detektieren einer Beschleunigung.
STAND DER TECHNIK
In hochpräzisen Messsystemen gewinnen faseroptische Sensoren zunehmend an Bedeutung. Hierbei werden ein oder mehrere in Lichtwellenleiter eingebettete Sensoren, wie beispielsweise Faser-Bragg-Gitter, herangezogen, um durch mechanische Größen hervorgerufene Dehnungen der optischen Faser zu erfassen, und um damit die Kräfte, Drehmomente, Belastungen, Druckzustände etc. detektieren zu können.
Die in Fasersensoren integrierten Sensorelemente werden mit optischer Strahlung in einem geeigneten Wellenlängenbereich bestrahlt, wobei in Abhängigkeit von der Auslegung des Sensorelements und der auf das Sensorelement einwirkenden mechanischen Größe ein Teil des eingestrahlten Lichts vom Sensor reflektiert oder transmittiert wird und einer Auswerte- und Analyseeinheit zugeführt werden kann. Durch die einwirkende Kraft wird der Lichtwellenleiter gedehnt, und eine Reflexions- bzw. Transmissionswellenlänge des Faser-Bragg-Gitters ändert sich. Diese Wellenlängenänderung kann in der Analyseeinheit untersucht und zur Detektion von mechanischen Einflüssen auf das Sensorelement herangezogen werden.
Die Intensität und/oder der Wellenlängenbereich der am Sensorelement reflektierten optischen Strahlung bzw. der durch das Sensorelement transmittierten optischen Strahlung weisen nun Merkmale auf, die durch die aufgebrachte mechanische Größe beeinflusst werden. Die in die optische Sensorfaser integrierten faseroptischen Sensorelemente sind u.a. empfindlich auf Dehnungen der Sensorfaser, wodurch das von dem von dem Sensorelement reflektierte oder das durch das Sensorelement transmittierte Wellenlängenspektrum beeinflusst wird.
Ferner ist die Erfassung von Beschleunigungen für eine Reihe von Anwendungen in der Mess- und Regelungstechnik von Bedeutung. Hierbei ist eine einfache und dennoch präzise Fertigung von entsprechenden optischen Messsystemen erstrebenswert. Typischerweise werden faseroptische Beschleunigungssensoren durch die mechanische Anbindung einer Lichtleitfaser an eine Masse erstellt. Dabei ist unter anderem auch zu beachten, dass für unterschiedliche Messaufgaben unterschiedliche Empfindlichkeiten bzw. Messbereiche zur Verfügung gestellt werden.
Darüber hinaus ist zu beachten, dass eine Dehnungen der optischen Faser und damit des optischen Sensorelements in der Faser und/oder Veränderungen der Faser-Bragg-Gitter-Struktur nicht nur von der zu messenden mechanischen Größe, wie beispielsweise der Kraft, abhängen, sondern können auch durch unerwünschte Störgrößen, wie beispielsweise Temperaturschwankungen, beeinflusst werden. Es ist somit wünschenswert, Störgrößen, die sich auf die Messgenauigkeit bei der Erfassung der Sollgrößen auswirken, zu eliminieren oder zumindest zu reduzieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Detektieren einer Beschleunigung, eine Vorrichtung zum Detektieren einer Beschleunigung in zumindest zwei Raumrichtungen und ein Verfahren zum Detektieren einer Beschleunigung bereit. Bevorzugte Ausführungen und besondere Aspekte von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung zum Detektieren einer Beschleunigung zur Verfügung gestellt. Die Vorrichtung beinhaltet eine Masse, eine mit der Masse verbundenen Hebelarm, wobei die Masse an einer ersten Hebelposition zur Verfügung gestellt ist, und die Vorrichtung beinhaltet eine mit dem Hebelarm verbundene optische Faser eines faseroptischen Sensors, wobei die optische Faser an einer zweiten Hebelposition mit dem Hebelarm verbunden ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Vorrichtung zum Detektieren einer Beschleunigung in zumindest zwei Raumrichtungen zur Verfügung gestellt. Die Vorrichtung beinhaltet zumindest zwei Vorrichtungen zum Detektieren einer Beschleunigung. Jeder der Vorrichtungen zum Detektieren einer Beschleunigung beinhaltet eine Masse, einen mit der Masse verbundenen Hebelarm, wobei die Masse an einer ersten Hebelposition zur Verfügung gestellt ist, und jeder der Vorrichtungen zum Detektieren einer Beschleunigung beinhaltet eine mit dem Hebelarm verbundene optische Faser eines faseroptischen Sensors, wobei die optische Faser an einer zweiten Hebelposition mit dem Hebelarm verbunden ist.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Detektieren einer Beschleunigung zur Verfügung gestellt. Das Verfahren beinhaltet das Einstrahlen von elektromagnetischer Strahlung in eine Vorrichtung zum Detektieren einer Beschleunigung zur Verfügung gestellt. Die Vorrichtung beinhaltet eine Masse, eine mit der Masse verbundenen Hebelarm, wobei die Masse an einer ersten Hebelposition zur Verfügung gestellt ist, und die Vorrichtung beinhaltet eine mit dem Hebelarm verbundene optische Faser eines faseroptischen Sensors, wobei die optische Faser an einer zweiten Hebelposition mit dem Hebelarm verbunden ist. Das Verfahren behaltet weiterhin erfassen eines optischen Signals, das durch die von der Vorrichtung beeinflusste elektromagnetische Strahlung zur Verfügung gestellt wird, und auswerten des optischen Signals.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Sensorfaser, welche ein als ein Faser-Bragg-Gitter ausgebildetes integriertes Sensorelement zur Messung einer Faserdehnung enthält;
2 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Messung einer Beschleunigung mit einem Hebelarm und einer damit verbunden optischen Faser gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
3 eine schematische Ansicht einer weiteren Vorrichtung zur Messung einer Beschleunigung mit einem Hebelarm und einer damit verbunden optischen Faser, sowie einer Halterung, zum Beispiel in Form eines Rahmens, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
4 eine schematische Ansicht einer weiteren Vorrichtung zur Messung einer Beschleunigung mit einem Hebelarm und einer damit verbunden optischen Faser gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die Einstellung eines Messbereichs und/oder einer Empfindlichkeit gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wird;
5 eine schematische Ansicht einer weiteren Vorrichtung zur Messung einer Beschleunigung mit einem Hebelarm und einer damit verbunden optischen Faser, sowie einer Halterung, zum Beispiel in Form eines Rahmens, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
6 eine schematische Ansicht einer weiteren Vorrichtung zur Messung einer Beschleunigung mit einem Hebelarm und einer damit verbunden optischen Faser, sowie einer Halterung, zum Beispiel in Form eines Rahmens, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
7 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Messung einer Beschleunigung in drei Raumrichtungen, mit jeweils einem Hebelarm und einer damit verbunden optischen Faser gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
8 eine schematische Ansicht einer Messanordnung mit einer Vorrichtung zur Messung einer Beschleunigung mit einem Hebelarm und einer damit verbunden optischen Faser gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
9 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Detektieren einer Beschleunigung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird detaillierter Bezug genommen auf verschiedene Ausführungsformen der Erfindung, wobei ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die hierin beschrieben sind, betreffen u.a. eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion einer Beschleunigung, mit einem faseroptischen Messsystem. In der Vorrichtung, zum Beispiel einem faseroptischen Messsystem, wird zum Beispiel zumindest ein Faser-Bragg-Gitter bereitgestellt, das eine Bragg-Wellenlänge aufweist. Das Faser-Bragg-Gitter wird mit Primärlicht bestrahlt und mit einer mechanischen Größe derart beaufschlagt, dass die Bragg-Wellenlänge des Faser-Bragg-Gitters durch die mechanische Größe verändert wird.
Nach einem Erfassen von durch das Primärlicht hervorgerufenem und durch die Bragg-Wellenlänge des Faser-Bragg-Gitters in Abhängigkeit von der mechanischen Größe modifiziertem Sekundärlicht wird das optische Signal ausgewertet. Die mechanische Größe ist typischerweise eine Dehnung einer optischen Faser, die an einem Hebelarm und einer weiteren Position derart befestigt ist, dass eine auf den Hebelarm ausgeübte Kraft eine Dehnung (positiv oder negativ) der optischen Faser herbeiführt. Die auf den Hebelarm ausgeübte Kraft erfolgt durch die Beschleunigung einer Masse, die ebenfalls am Hebelarm befestigt ist. Der Verwendung eines Hebelarms und das Zusammenwirkungen zwischen Hebelarm, optischer Faser, Masse und einer Halterung oder einem Gehäuse bzw. einem Rahmen erlauben es eine Empfindlichkeit des Sensors festzulegen, einen Messbereich des Sensors festzulegen, und/oder eine temperaturbedingtes Störsignal zu reduzieren oder zu unterdrücken.
1 veranschaulicht einen in einen Lichtwellenleiter integrierten Sensor bzw. eine Sensoreinheit 100, welche ein Faser-Bragg-Gitter 106 aufweist. Obwohl in 1 nur ein einziges Faser-Bragg-Gitter 106 gezeigt ist, ist zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine Datenerfassung aus einem einzelnen Faser-Bragg-Gitter 106 beschränkt ist, sondern dass längs einer Übertragungsfaser, einer Sensorfaser bzw. einer optischen Faser 104 eine Vielzahl von Faser-Bragg-Gittern 106 angeordnet sein können.
1 zeigt somit nur einen Abschnitt eines optischen Wellenleiters, welcher als Sensorfaser oder optischer Faser 104 ausgebildet ist, wobei diese Sensorfaser empfindlich auf eine Faserdehnung (siehe Pfeil 108) ist. Es sei hier darauf hingewiesen, dass der Ausdruck „optisch“ bzw. „Licht“ auf einen Wellenlängenbereich im elektromagnetischen Spektrum hinweisen soll, welcher sich vom ultravioletten Spektralbereich über den sichtbaren Spektralbereich bis hin zu dem infraroten Spektralbereich erstrecken kann. Eine Mittenwellenlänge des Faser-Bragg-Gitters 106, d.h. eine so genannte Bragg-Wellenlänge λ_B, wird durch die folgende Gleichung erhalten: λ_B = 2·n_k·Λ.
Hierbei ist n_k die effektive Brechzahl des Grundmodus des Kerns der optischen Faser 104 und Λ die räumliche Gitterperiode (Modulationsperiode) des Faser-Bragg-Gitters 106.
Eine spektrale Breite, die durch eine Halbwertsbreite der Reflexionsantwort gegeben ist, hängt von der Ausdehnung des Faser-Bragg-Gitters 106 längs der Sensorfaser ab. Die Lichtausbreitung innerhalb der Sensorfaser ist somit durch die Wirkung des Faser-Bragg-Gitters 106 beispielsweise abhängig von Kräften, Momenten und mechanischen Spannungen sowie Temperaturen, mit der die Sensorfaser, d.h. die optische Faser 104 und insbesondere das Faser-Bragg-Gitter 106 innerhalb der Sensorfaser beaufschlagt werden.
Wie in 1 gezeigt, tritt elektromagnetische Strahlung 14 oder Primärlicht von links in die optische Faser 104 ein, wobei ein Teil die elektromagnetische Strahlung 14 als ein transmittiertes Licht 16 mit einem im Vergleich zur elektromagnetische Strahlung 14 veränderten Wellenlängenverlauf austritt. Ferner ist es möglich, reflektiertes Licht 15 am Eingangsende der Faser (d.h. an dem Ende, an welchem auch das elektromagnetische Strahlung 14 eingestrahlt wird) zu empfangen, wobei das reflektierte Licht 15 ebenfalls eine modifizierte Wellenlängenverteilung aufweist. Das optische Signal das zur Detektion und Auswertung verwendet wird kann gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen durch das reflektieret Licht, durch das transmittierte Licht, sowie eine Kombination der beiden zur Verfügung gestellt werden.
In einem Fall, in dem die elektromagnetische Strahlung 14 bzw. das Primärlicht in einem breiten Spektralbereich eingestrahlt wird, ergibt sich in dem transmittierten Licht 16 an der Stelle der Bragg-Wellenlänge ein Transmissionsminimum. In dem reflektierten Licht ergibt sich an dieser Stelle ein Reflexionsmaximum. Eine Erfassung und Auswertung der Intensitäten des Transmissionsminimums bzw. des Reflexionsmaximums, oder von Intensitäten in entsprechenden Wellenlängenbereichen erzeugt eine Signal, das im Hinblick auf die Längenänderung der optischen Faser 104 ausgewertet werden kann und somit auf Kräfte bzw. Beschleunigungen Aufschluss gibt.
2 zeigt eine Vorrichtung 200 zum Detektieren einer Beschleunigung. Die Vorrichtung beinhaltet eine Masse 202, die an einem Hebelarm 206 befestigt ist. Der Hebelarm 206 hat einen Fixpunkt 222, so dass eine Bewegung des Hebelarms und der Masse, die durch Pfeil 223 dargestellt ist, ermöglicht wird. Weiterhin ist eine optische Faser 104 mit einem Faser-Bragg-Gitter 106 an dem Hebelarm 206 befestigt. Hierbei ist die Sensorfaser mit einem Befestigungselement 212 am Hebelarm 206 befestigt. Gemäß typischen Ausführungsformen kann das Befestigungselement eine Klebestelle oder eine Klemmvorrichtung sein. Die Masse 202 ist an einer ersten Hebelposition mit dem Hebelarm 206 verbunden und die optische Faser 104 ist an einer zweiten Hebelposition mit dem Hebelarm 206 verbunden. Eine Bewegung der Masse bzw. des Hebelarms, die durch Pfeil 223 dargestellt ist, führt zu einer Längenänderung der optischen Faser 104, die durch Pfeil 108 dargestellt ist, bzw. Kraftauswirkung auf die optische Faser 104. Hierbei erzeugt das Faser-Bragg-Gitter 106 einen von der Dehnung bzw. Längenänderung abhängigen veränderten Wellenlängenverlauf des optischen Signals wie zum Beispiel des reflektierten Lichts 15, dass durch Reflexion des Primärlichts bzw. der elektromagnetischen Strahlung 14 erzeugt wird.
Bei herkömmlichen Beschleunigungssensoren wird die Masse typischerweise durch einen Federmechanismus an der Auslegung in einer oder mehreren Raumrichtungen eingeschränkt. Im einfachsten Fall kann sich die Masse lediglich in eine Richtung bewegen. In diese Richtung wird eine Sensorfaser an der Masse befestigt, die sich bei einer Beschleunigung der Masse dehnt. Bei einer solchen Anordnung sind die maximale Dehnung und damit die Empfindlichkeit der Faser durch das Gewicht der Masse und die Steifigkeit der Faser gegeben. Hierbei kann, um die Empfindlichkeit eines solchen Sensors zu steigern, lediglich die Masse vergrößert werden. Für empfindliche Sensoren kann dies zu Massen von bis zu mehreren 100 g Gewicht führen. Ein weiterer Nachteil einer solchen Anordnung ist, dass hierbei die Resonanzfrequenz f des Faser-Masse-Systems eine Abhängigkeit f ~ Wurzel(k/m) hat, die folglich mit steigender Masse abnimmt. Hierbei ist k die Federsteifigkeit des Faser-Masse-Systems. Da die minimale Federsteifigkeit durch die Steifigkeit der Faser beschränkt ist, lässt sich somit nur ein eingeschränkter Bereich konfigurieren.
Durch die Verwendung eines Hebelarm kann diese Beschränkung des zu konfigurieren Bereichs aufgehoben bzw. verringert werden. Wie in 4 näher erläutert wird, aber auch bereits in 2 zu erkennen ist, kann durch eine Veränderung der Befestigungsposition der optischen Faser 104 entlang des Hebelarms 206, d.h. einer Veränderung der zweiten Hebelposition, an der die optische Faser 104 befestigt ist, eine Veränderung der Empfindlichkeit der Vorrichtung zum Detektieren einer Beschleunigung bereitgestellt werden. Die Empfindlichkeit kann somit verändert werden ohne hierzu die Masse 202 zu verändern und somit die Resonanzfrequenz zu beeinflussen.
Somit erlauben es Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung den Zusammenhang zwischen Steifigkeit der Faser, Empfindlichkeit, sowie Resonanzfrequenz zu brechen. Durch den Einsatz eines mechanischen Hebels wird das Verhältnis aus Auslenkung der Faser und notwendiger Kraft beliebig konfigurierbar. Ferner erlaubt die Verwendung eines Hebelarms eine vergrößerte Kraft an der Faser auch mit einer kleinen Masse bzw. einer konstanten Masse.
Die durch Pfeil 223 dargestellte Bewegung ist eine Bewegung des Hebelarm 206 bzw. der Masse 202 in der Papierebene von 2. Typischerweise kann der Fixpunkt 222 derart ausgestaltet sein, dass eine Bewegung lediglich in einer Ebene erfolgt. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann eine Bewegung jedoch auch in zwei Ebenen oder sogar drei Ebenen erfolgen. Bei einer solchen Ausführungsform mit mehreren Bewegungsebenen können weitere optische Fasern 104 mit jeweils einem Faser-Bragg-Gitter 106 mit dem Hebelarm 206 verbunden sein, so dass eine Detektion einer Beschleunigung in mehreren Raumrichtungen erfolgen kann. Gemäß typischen Ausführungsformen, wird eine Vorrichtung zum mehrdimensionalen Detektieren einer Beschleunigung jedoch wie in Bezug auf 7 beschrieben ausgeführt.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 200 zum Detektieren einer Beschleunigung. Analog zu 2 ist eine Masse 202 an einer ersten Hebelarmposition mit dem Hebelarm 206 verbunden. Eine optische Faser 104 mit einem Faser-Bragg-Gitter 106 ist an einer zweiten Hebelarmposition am Hebelarm 206 verbunden, so dass eine Bewegung, die durch Pfeil 223 dargestellt ist, zu einer Längenänderung der optischen Faser führt, die durch Pfeil 108 dargestellt ist. Gemäß einigen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann eine Drehung des Hebelarms 206 durch eine Feder 322 zur Verfügung gestellt werden. Die mechanische Feder kann z.B. ein Blech, d.h. ein dünnes Blech, das sich senkrecht zur Papierebene in 3 erstreckt, sein. Hierdurch wird eine freie Drehung des Balkens bzw. Hebelarms ermöglicht. Durch die Verwendung einer Feder 322 wie zum Beispiel einer Blattfeder, ist die freie Drehung auf die Drehrichtung in der Sensorebene beschränkt. Ein entsprechender Fixpunkt liegt typischerweise innerhalb der Feder 322 und wird durch die Eigenschaften der Feder bzw. der Befestigung der Feder vorgegeben. Die Feder 322 ist in einer Halterung 302 eingeklemmt bzw. an der Halterung 302 befestigt.
Gemäß typischen Ausführungsformen kann die Halterung als Rahmen ausgestaltet sein. Hierbei kann der Rahmen eine erste Stirnfläche 302A aufweisen, an der die Feder 322 befestigt ist bzw. in die die Feder 322 eingeklemmt ist. Im Falle des Einklemmens der Feder kann die Stirnfläche 302A zweiteilig ausgestaltet sein. Ferner kann der Rahmen die an die erste Stirnfläche 302A angrenzende Stirnflächen 302B aufweisen. Eine weitere Stirnfläche 302C kann dem Rahmen eine ausreichende Stabilität geben, ist für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung jedoch nicht notwendigerweise erforderlich. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Stirnflächen 302A und 302B eine ausreichende Steifigkeit aufweisen.
Die optische Faser 104 ist mit der Halterung, zum Beispiel den Stirnfläche 302B mit Befestigungselementen 312 verbunden. Die Befestigungselemente 312 können durch eine Klebestelle oder eine Klemmvorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin ist die optische Faser 104 mit dem Hebelarm 206 durch zumindest ein Befestigungselement 212 verbunden, wobei in 3 zwei Befestigungselemente 212, z.B. zwei Klebestellen, dargestellt sind. Gemäß typischen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, wird die Faser vorgespannt bevor sie mit den Befestigungselementen 212 bzw. 312 an der Halterung 302 bzw. dem Hebelarm 206 verbunden wird. Hierbei wird die Faser zwischen der unteren Stirnseite 302B in 3 und dem Hebelarm 206 vorgespannt sowie zwischen der oberen Stirnseite 302B und dem Hebelarm 206 vorgespannt. Durch die Vorspannung erfolgt eine Stabilisierung der Lage des Hebelarm 206 bzw. der Masse 202. Ferner kann eine beliebige Dehnung, d.h. eine positive Dehnung (Streckung) und eine negative Dehnung (Stauchung) verwendet werden, ohne Gefahr zu laufen die optische Faser 104 zu knicken.
Gemäß typischen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, enthalten die Vorrichtungen zur Detektion einer Beschleunigung ein mechanischen Feder, welche die freie Drehung eines Hebelarms oder Balkens um einen festen Punkt ermöglicht, einen Hebelarm oder Balken, einer Masse, sowie einem Rahmen und Faser mit Faser-Bragg-Gitter (FBG). Die Feder dient als Fixpunkt für den Balken. Durch zum Beispiel den Einsatz eines dünnen Bleches als Federelement wird die Bewegung des Balkens auf die Drehrichtung in der Sensorebene beschränkt. Eine Bewegung senkrecht hierzu wird durch die wesentlich höhere Steifigkeit des Bleches eingeschränkt. Dies ermöglicht auch die Messung bei Querlage. Die optische Faser, d.h. die Messfaser, wird im Rahmen vorgespannt und mit dem Balken verbunden z.B. verklebt. Bei Beschleunigung der Masse wird über den Hebel eine Kraft in die Faser eingeleitet, die um den Hebelfaktor verstärkt wird. Dies führt in der Messfaser zu einer Dehnung, die proportional zur Beschleunigung ist. Durch die Einstellung der Hebellänge kann die Empfindlichkeit sowie die Resonanzfrequenz eingestellt werden. Durch Ausführungsformen der Erfindung lässt sich ein zuverlässiger Beschleunigungssensor implementieren, der eine einfache und dennoch präzise Fertigung, und auch eine präzise manuelle Fertigung ermöglicht.
Typische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erlauben eine darüber hinaus vorteilhafte Ausgestaltung. Durch Änderungen der Umgebungstemperatur ändert sich die Ausdehnung der Halterung 302 bzw. des die Halterung formenden Rahmens, wie er beispielhaft in 3 dargestellt ist. Hierdurch kann es zu einer Längenänderung in der optischen Faser 104 kommen, die nicht durch eine Beschleunigung der Masse 202 herbeigeführt ist. Daher wird gemäß typischen Ausführungsformen, die mit den anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, dass Material des Rahmens bzw. das Material des Balkens wie folgt gewählt.
Die Halterung 302 bzw. der Rahmen mit den Stirnflächen 302A und 302C hat in Richtung der Achse der optischen Faser 104 eine vorbestimmte Abmessung bei einer vorgegebenen Temperatur. Ferner hat der Balken 206 in Richtung der Achse der optischen Faser 104 eine vorbestimmte Abmessung. Durch die unterschiedlichen Abmessungen in dieser Richtung führt eine Temperaturänderung zu einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung bei identischen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Daher wird gemäß typischen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, das Material der Halterung 302 derart gewählt, dass es einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat im Vergleich zum Material des Balkens bzw. Hebelarms 206. Zum Beispiel kann die Halterung 302 mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 5 ppm/K bis 10 ppm/K, z.B. 7 ppm/K zur Verfügung gestellt werden und der Balken bzw. Hebelarm mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 20 ppm/K bis 25 ppm/K, zum Beispiel 23 ppm/K zur Verfügung gestellt werden.
Weiterhin ist es in diesem Rahmen vorteilhaft, wenn die Abmessung des Hebelarms 206 in Richtung der Längsachse der optischen Faser 104 zumindest 5 % bzw. zumindest 10 % der Abmessung der Halterung 302 in der entsprechenden Richtung aufweist. Bei der Wahl der Abmessungen des Hebelarms in Richtung der Längsachse der Faser und der Wahl der thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist ferner zu beachten, ob die Befestigungselemente 312 bzw. 212, mit denen die optische Faser 104 an dem Hebelarm 206 bzw. der Halterung 302 verbunden sind, an der jeweiligen Innenseite oder der jeweiligen Außenseite der Halterung bzw. an der Ober- bzw. Unterseite des Hebelarms angebracht sind. Durch entsprechende Anpassung kann hierbei die Wahl der Materialien und Abmessungen entsprechend zur Verfügung gestellt werden.
Durch die oben beschriebene Wahl von Materialien mit entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten kann der Einfluss von Temperaturänderungen signifikant reduziert oder eliminiert werden. Weitere Nebeneffekte, die zum Beispiel durch eine thermische Veränderung der Feder 322 oder einer temperaturbedingten Ausdehnung in einer anderen Raumrichtung entstehen, können experimentell bestimmt werden und im Rahmen der Auswertung berücksichtigt werden.
4 zeigt eine weitere Vorrichtung 200 zur Detektion einer Beschleunigung. 4 zeigt eine Masse 202, die an einem Hebelarm 206 befestigt ist. Der in 4 dargestellte Hebelarm 206 weist eine Mehrzahl von Öffnungen 406A, 406B und 406C, der Öffnung, durch die die optische Faser 104 geführt ist, auf. Die optische Faser wird durch ein Befestigungselement 112, wie zum Beispiel eine Klebeverbindung, mit dem Hebelarm 206 verbunden, nachdem sie durch die Öffnung im Hebelarm geführt wurde. Weiterhin ist die optische Faser 104 mit einem Befestigungselement 312, wie zum Beispiel einer Klebeverbindung an der Halterung 302 befestigt.
4 zeigt weiterhin einen Terminator 440, der am Ende der optischen Faser 104 zur Verfügung gestellt ist. Der Terminator 440 führt zu einer Dämpfung der Reflexion am Faserende der optischen Faser. Hierdurch kann eine Reflexion am Faserende, die das optische Signal negativ beeinflusst, reduziert werden. Neben der Reflexion des Primärlichts bzw. der elektromagnetischen Strahlung 14 am Faser-Bragg-Gitter der optischen Faser 104, die zu einer Spektrallinien Veränderung des optischen Signals wie zum Beispiel des reflektierten Lichts 15 führt, kann auch eine Reflexion am Faserende dem Messsignal bzw. optischen Signal überlagert sein. Durch einen Terminator 440 kann eine solche Überlagerung mit dem Reflexionssignal, die ein Störsignal darstellt, verringert bzw. verhindert werden. Ein Terminator kann auch in anderen hier beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden.
4 dient ferner zur Illustration von Ausführungsformen zur Herstellung von Vorrichtungen 200 zur Detektion einer Beschleunigung bzw. zur Festlegung der Empfindlichkeit und des Messbereich des Beschleunigungssensors. Gemäß typischen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können ist, die Stirnseite des Rahmens, der die Halterung 302 ausbildet, zweiteilig ausgebildet. Die Feder 322 wird zwischen einen ersten Teil 402A1 und einen zweiten Teil 402A2 der Stirnseite geklemmt. Durch Wahl der Dicke der Feder 322 bzw. durch Unterfütterung der Feder 322 mit zusätzlichen Blechen zwischen den jeweiligen Teilen der Stirnflächen und der Feder 322 kann die Vorspannung der optischen Faser 104 auch nach Verklebung durch die Befestigungselemente 312 eingestellt werden. Hierdurch kann auf einfache Weise die Vorspannung der optischen Faser 104 reguliert bzw. verändert werden.
Weiterhin stehen zur Wahl der Empfindlichkeit bzw. des Messbereich zumindest zwei Optionen zur Verfügung. Zum einen kann anstelle der Masse 202 eine kleinere Masse 402 verwendet werden. Zum zweiten kann die optische Faser 104 durch eine beliebige Öffnung der Öffnungen 406A, 406B bzw. 406C geführt werden. Hierdurch ändert sich die zweite Hebelarmposition. Bei einer konstanten ersten Hebelarmposition, an der die Masse an dem Hebelarm 206 befestigt ist (und einem konstanten Fixpunkt des Hebelarms), kann durch die Wahl der zweiten Hebelarmposition die Hebelwirkung für die Kraft, die auf die optische Faser wird, eingestellt werden.
Bei einer typischen Ausführungsform der Herstellung oder Anpassung einer Vorrichtung zum Detektieren einer Beschleunigung gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen, wird im Rahmen einer Bereichsfestlegung bzw. Empfindlichkeitsfestlegung zunächst die Masse verändert. Falls eine entsprechende Änderung nicht ausreicht bzw. zu einer zu kleinen bzw. zu großen Masse führt, kann zusätzlich eine Änderung der zweiten Hebelarmposition durchgeführt werden. Dies kann zum Beispiel durch die Wahl der entsprechenden Öffnung im Hebelarm 206 vorgenommen werden. Gemäß alternativen Ausführungsformen kann anstelle einer Mehrzahl von Öffnungen auch eine längliche Öffnung im Hebelarm verwendet werden, so dass eine kontinuierliche Verschiebung der zweiten Hebelarmposition ermöglicht wird.
5 zeigt eine weitere Vorrichtung 200 zum Detektieren einer Beschleunigung. Im Vergleich zu den oben beschriebenen Ausführungsformen, die in Bezug auf die 1–4 beschrieben sind, stellt 5 zwei weitere Aspekte, Merkmale, bzw. Details dar, die unabhängig voneinander oder in Kombination mit den bisherigen Ausführungsformen kombiniert werden können. Zur Vereinfachung werden die zuvor bereits beschriebenen Aspekte, Merkmale und Details von anderen Ausführungsformen nicht wiederholt.
5 zeigt als erste Modifikation im Gegensatz zu der Feder 322, die zum Beispiel als dünnes Federblech ausgestaltet sein kann, ein Drehgelenkt oder eine Drehachse 522 an der der Hebelarm 206 befestigt ist. Die Drehachse 522 bildet den Fixpunkt für die Bewegung des Hebelarms 206 in der Sensorebene, d.h. der Papierebene in 5. Hierbei kann die Verwendung eines Drehgelenks oder einer Drehachse zu einer erhöhten Steifigkeit in einer von der Sensorebene abweichenden Ebene führen. Dies führt zu einer verbesserten Messgenauigkeit.
Als zweite Modifikation, die zusätzlich oder alternativ implementiert werden kann, ist in der optischen Faser 104 neben dem ersten Faser-Bragg-Gitter 106 ein zweites Faser-Bragg-Gitter 506 zur Verfügung gestellt. Bei einer Bewegung der Masse 202 bzw. des Hebelarm 206 führt eine positive Dehnung im Bereich des Faser-Bragg-Gitters 106, wie sie zum Beispiel durch Pfeil 108 dargestellt ist, im Gegenzug zu einer negativen Dehnung im Faser-Bragg-Gitter 506, wie sie zum Beispiel durch Pfeil 508 dargestellt ist. Im umgekehrten Fall führt eine negative Dehnung im Fase Bragg Gitter 106 zu einer positiven Dehnung im Faser-Bragg-Gitter 506. Eine elektromagnetische Strahlung 14, z.B. ein Primärlicht, wird in einer wie in 5 dargestellten Ausführungsform sowohl am Faser-Bragg-Gitter 106 modifiziert als auch am Faser-Bragg-Gitter 506 modifiziert. Das hieraus resultierende optische Signal wie zum Beispiel des reflektierten Lichts 15 oder auch transmittierten Lichts, das das optische Signal bildet, wird hierdurch mit einem höheren Informationsgehalt zur Verfügung gestellt. Dies ermöglicht eine Messung in einem Wellenlängenbereich des ersten Faser-Bragg-Gitters und des zweiten Faser-Bragg-Gitters. Hierdurch kann die Messgenauigkeit auf einfache Weise erhöht werden.
6 zeigt eine weitere Vorrichtung 200 zum Detektieren einer Beschleunigung. Die Masse 202 ist über den Hebelarm 206 an einer Feder 322 befestigt, die einen festen Drehpunkt in einer Sensorebene ausbildet. Die optische Faser 104 mit dem Faser-Bragg-Gitter 106 führt durch die Befestigung der optischen Faser 104 am Hebelarm 206 zu einer Dehnung der Faser im Falle einer Bewegung des Hebelarms bzw. der Masse. Wie bereits in 4 dargestellt, ist in 6 ebenfalls ein Terminator 440 am Faserende der optischen Faser 104 zur Verfügung gestellt.
6 zeigt weiterhin eine erste Feder 505A und eine zweite Feder 505B. Die Federn 505A und 505B, die zwischen der Masse 202 und entsprechenden Positionen der Halterung 302 zur Verfügung gestellt sind, dämpfen die Bewegung der Masse 202. Nach einer Beschleunigung der Masse 202 führt die Anregung durch diese Beschleunigung bei anschließender konstanter Geschwindigkeit zu einer Schwingung mit der Eigenfrequenz des Systems. Typischerweise klingt diese Schwingung innerhalb kurzer Zeit ab. Um die Dämpfung zu verstärken bzw. das Abklingen zu beschleunigen kann ein Dämpfungselement eingefügt werden.
Gemäß typischen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann das Dämpfungselement eine oder mehrere Federn oder ein anderes elastisches Element, wie zum Beispiel eine Befestigung aus Gummi, sein. 6 zeigt eine erste Feder 505A und eine zweite Feder 505B, die mit dem Rahmen der Halterung 302 verbunden sind. Alternativ oder zusätzlich kann ein entsprechendes Dämpfungselement auch zwischen dem Hebelarm 206 und dem Rahmen bzw. der Halterung 302 zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin ist es zusätzlich oder alternativ möglich ein entsprechendes Dämpfungselement wie eine Feder oder eine Gummiverbindung zwischen der Masse und der Stirnseite 302C des Rahmens zur Verfügung zu stellen.
Durch ein Dämpfungselement, wie es beispielhaft in 6 dargestellt ist, kann eine stärkere Dämpfung der Schwingung der Masse und somit ein schnelleres Abklingen der Schwingung herbeigeführt werden. Ferner ist es möglich, wie in 6 dargestellt, dass die optische Faser 104 lediglich auf einer Seite der Halterung 302 befestigt ist, da die optische Faser 104 nicht oder nicht ausschließlich zur räumlichen Fixierung der Masse 202 bzw. des Hebelarms 206 verwendet werden muss.
7 zeigt eine weitere Vorrichtung zum Detektieren einer Beschleunigung, wobei insbesondere eine Beschleunigung in mehreren Raumrichtungen detektiert werden kann. 7 zeigt eine Vorrichtung zur Detektion einer Beschleunigung in allen drei Raumrichtungen. Die Vorrichtung in 7 zeigt einen ersten Beschleunigungssensor 200A, einen zweiten Beschleunigungssensor 200B und einen dritten Beschleunigungssensor 200C, wobei jeder der Beschleunigungssensoren gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen zur Detektion einer Beschleunigung ausgebildet ist. Jede der Beschleunigungssensoren beinhaltet eine optische Faser 104A, 104B bzw. 104C mit einem entsprechenden Faser-Bragg-Gitter, eine Masse 202A, 202B, bzw. 202C, einen Hebelarm 206A, 206B, bzw. 206C, sowie einen Rahmen 702A, 702B, 702C. Durch die Ausführung der Halterung 302 als Rahmen, wie sie in den 3–6 dargestellt sind, kann eine Kombination von mindestens zwei Beschleunigungssensoren oder wie in 7 dargestellt drei Beschleunigungssensoren besonders einfach zur Verfügung gestellt werden. Daher können die zuvor beschriebenen Beschleunigungssensoren besonders einfach zu einem mehrdimensionalen Sensor zusammengefügt werden.
8 zeigt ein typisches Messsystem zur Detektion einer Beschleunigung mit einer Vorrichtung zur Detektion einer Beschleunigung gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen. Das System enthält einen oder mehrere Vorrichtungen 200. Das System weist eine Quelle 802 für elektromagnetische Strahlung, zum Beispiel eine Primärlichtquelle, auf. Die Quelle dient zur Bereitstellung von optischer Strahlung mit welcher mindestens ein optisches Sensorelement einer Vorrichtung 200 bestrahlt werden kann. Zu diesem Zweck ist eine optische Übertragungsfaser 803 zwischen der Primärlichtquelle 802 und einem ersten Faserkoppler 804 bereitgestellt. Der Faserkoppler koppelt das Primärlicht in die optische Faser 104. Die Quelle 802 kann zum Beispiel eine Breitbandlichtquelle, einen Laser, eine LED (light emitting diode), eine SLD (Superluminizenzdiode), eine ASE-Lichtquelle (Amplified Spontaneous Emission-Lichtquelle) oder ein SOA (Semiconductor Optical Amplifier) sein. Es können für hier beschriebene Ausführungsformen auch mehrere Quellen gleichen oder unterschiedlichen Typs (s.o.) verwendet werden.
Das optische Sensorelement, typischerweise ein Faser-Bragg-Gitter, ist in eine Sensorfaser 104 integriert. Das von den optischen Sensorelementen zurückgeworfene Licht wird wiederum über den Faserkoppler 804 geleitet, welcher das Licht über die Übertragungsfaser 805 auf einem Detektor 806 leitet. Insbesondere bei der Verwendung von mehreren FBGs, wie zum Beispiel in 5, dargestellt, kein zusätzliche eine optische Filtereinrichtung (nicht dargestellt) für die Filterung des optischen Signales bzw. Sekundärlichts verwendet werden. Eine optische Filtereinrichtung kann einen optischen Filter umfassen, der gewählt ist aus der Gruppe, welche besteht aus einem Dünnschichtfilter, einem Faser-Bragg-Gitter, einem LPG, einem Arrayed-Waveguide-Grating (AWG), einem Echelle-Gitter, einer Gitteranordnung, einem Prisma, einem Interferometer, und jedweder Kombination davon.
Der Detektor oder falls für die Applikation erforderlich die Detektoren, detektieren das optische Signal, d.h. das Messsignal und führen es einer Auswerteeinheit zu, um ein zur Beschleunigung korrespondierendes Signal zu erzeugen. Typischerweise detektiert der Detektor eine Intensität elektromagnetischer Strahlung, wobei ausschließlich eine Intensitätsmessung durchgeführt werden kann oder alternative auch eine spektral aufgelöste Intensitätsmessung durch geführt werden kann.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Messverfahrens zur Detektion einer Beschleunigung gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen. In Schritt 902 wird elektromagnetische Strahlung in eine Vorrichtung zum Detektieren einer Beschleunigung gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen eingestrahlt. In Schritt 904 wird das optische Signal, d.h. das Sekundärlicht bzw. Messlicht) erfasst, das durch die von der Vorrichtung beeinflusste elektromagnetische Strahlung zur Verfügung gestellt wird. In Schritt 906 wird das optische Signal ausgewertet um zu einem zur Beschleunigung korrespondierenden Signal zu gelangen.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand typischer Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Auch ist die Erfindung nicht auf die genannten Anwendungsmöglichkeiten beschränkt.

Claims

Eine Vorrichtung zum Detektieren einer Beschleunigung, umfassend: eine Masse; eine mit der Masse verbundenen Hebelarm, wobei die Masse an einer ersten Hebelposition zur Verfügung gestellt ist; und eine mit dem Hebelarm verbundene optische Faser eines faseroptischen Sensors, wobei die optische Faser an einer zweiten Hebelposition mit dem Hebelarm verbunden ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Hebelarm an einem Fixpunkt derart befestigt ist, dass eine Drehung um eine Drehachse erfolgt.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Drehung um eine raumfeste Drehachse erfolgt.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Hebelarm und die optische Faser mit einer Halterung verbunden sind, insbesondere wobei die Halterung ein Rahmen ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die optische Faser an zwei Positionen mit der Halterung verbunden ist.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei die optische Faser zwischen dem Hebelarm und einer ersten Position der zwei Positionen in einem vorgespannten Zustand verbunden ist und wobei die optische Faser zwischen dem Hebelarm und einer zweiten Position der zwei Positionen in einem vorgespannten Zustand verbunden ist.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient der Halterung kleiner ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Hebelarms.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, weiterhin umfassend: ein Dämpfungselement, das mit der Masse und der Halterung verbunden ist, insbesondere wobei das Dämpfungselement eine elastische Verbindung zwischen der Halterung und der Masse oder dem Hebelarm ist.
Eine Vorrichtung zum Detektieren einer Beschleunigung in zumindest zwei Raumrichtungen, umfassend: zumindest zwei Vorrichtungen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, insbesondere drei Vorrichtungen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die jeweiligen Halterungen der zumindest zwei Vorrichtungen miteinander verbunden sind.
Ein Verfahren zum Detektieren einer Beschleunigung, umfassend: einstrahlen von elektromagnetischer Strahlung in eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9; erfassen eines optischen Signals, das durch die von der Vorrichtung beeinflusste elektromagnetische Strahlung zur Verfügung gestellt wird; und auswerten des optischen Signals.