DE102013109728A1 - Sensor umfassend einen Lichtleiter mit einem Faser-Bragg-Gitter - Google Patents

Sensor umfassend einen Lichtleiter mit einem Faser-Bragg-Gitter Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (100) umfassend einen Lichtleiter (102) aus Glas mit einem intrinsischen Faser-Bragg-Gitter und einen Träger (104), der den Lichtleiter (102) entlang eines Abschnitts (101) in Längsrichtung des Lichtleiters (102) teilweise oder vollständig umschließt, wobei der Lichtleiter (102) in dem Abschnitt (101) mechanisch starr mit dem Träger (104) verbunden ist, der Träger (104) aus einer Legierung aus Platin Pt und Eisen Fe besteht, die 50 bis 75 oder 54 bis 60 Massenprozent Platin enthält, und die Legierung überwiegend oder vollständig in einer Gamma-Phase mit einem kubisch flächenzentriertem Gitter vorliegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere einen Kraft- und/oder Momentensensor, der einen Lichtleiter aus Glas mit einem intrinsischen, d.h. eingeschriebenen Faser-Bragg-Gitter (FBG), sowie einen Träger umfasst, der den Lichtleiter entlang eines Abschnitts mit dem Faser-Bragg-Gitter in Längsrichtung des Lichtleiters teilweise oder vollständig umschließt. Der Träger ist mit diesem Abschnitt des Lichtleiters fest, d.h. starr verbunden. Der Träger dient dazu, den Abschnitt des Lichtleiters mit dem Faser-Bragg-Gitter zu haltern, weiterhin dient der Träger dazu, von dem Sensor zu erfassende mechanische Kräfte und/oder Momente aufzunehmen und an den gehalterten Abschnitt des Lichtleiters zu übertragen. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kraft-Moment-Sensor zum Messen von mindestens drei orthogonalen Belastungen.
  • Gattungsgemäße Sensoren, so genannte „FBG-Sensoren“, sind im Stand der Technik bekannt. Dabei stellt der Lichtleiter mit dem eingeschriebenen Bragg-Gitter den eigentlichen Messsensor dar. Der Lichtleiter ist typischerweise eine Glasfaser mit einem Kern und einem Mantel. Durch einen Brechungsindexunterschied vom Kern gegenüber dem Mantel wird das Licht entlang der Faserachse geführt. Eine zusätzliche äußere Schutzschicht kann als Abschirmung gegenüber Einflüssen von außen und Beschädigungen auf dem Mantel angeordnet sein.
  • FBG-Sensoren sind Sensoren, bei denen bspw. mit Hilfe eines Lasers ein Gitter (Interferenzfilter) in einen Lichtleiterabschnitt eingeschrieben wurde, beispielsweise indem ein Abschnitt eines lichtempfindlichen Lichtleiters mithilfe holografischer Interferenz oder einer Phasenmaske periodisch verteilter Lichtintensität ausgesetzt wird. Der Brechungsindex des Lichtleiters wird dabei entsprechend der Lichtintensität beeinflusst. Die dadurch entstehende periodische Änderung des Brechungsindexes in dem Lichtleiter wird als Faser-Bragg-Gitter bezeichnet.
  • Werden diese Lichtleiterabschnitte gedehnt oder gestaucht, so verändert sich die reflektierte Wellenlänge innerhalb des Lichtleiters, da die Gitterabstände sich entsprechend vergrößern oder verkleinern und da sich der Brechungsindex des Glases aufgrund äußerer Beeinflussung ändert. Der Effekt kann auch durch eine Änderung der Temperatur hervorgerufen werden. Die kleinen Dehnungsunterschiede können mit optoelektrischen Messgeräten, sog. Interrogatoren, erfasst und ausgewertet werden. Der Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass die zu messenden Größen, wie Dehnung und Temperatur zunächst nichtelektrisch, d.h. optisch erfasst werden.
  • Wird durch einen Lichtleiter mit Faser-Bragg-Gitter ein Lichtstrahl mit einem breiten Wellelängenspektrum geschickt, wirken sich die Reflexionen jedes Abschnitts des sich ändernden Brechungsindexes nur auf eine spezielle Wellenlänge des Lichts entscheidend aus. Somit reflektiert das FBG wirksam eine spezielle Lichtfrequenz, während alle übrigen unverändert übertragen werden. Da die Bragg-Wellenlänge eine Funktion des Abstands zwischen den Gittern ist, können FBGs mit verschiedenen Bragg-Wellenlängen hergestellt werden, die es ermöglichen, verschiedene Wellenlängen des Lichts zu reflektieren. Änderungen bei Temperatur und Dehnung wirken sich sowohl auf den effektiven Brechungsindex als auch auf die Gitterperiode eines FBG aus und führen zu einer Veränderung der reflektierten Wellenlänge. Da ein FBG sowohl auf Dehnung als auch auf Temperatur reagiert, müssen beide Einflussfaktoren berücksichtigt und vor allem muss zwischen ihnen unterschieden werden. Für eine Temperaturmessung mit dem Sensor darf das FBG nicht mechanisch gedehnt werden. Ummantelte FBG-Temperatursensoren können eingesetzt werden, um sicherzustellen, dass das FBG in dieser Schutzhülle keinen Biege-, Spannungs-, Druck- oder Torsionskräften ausgesetzt ist.
  • Bei der Messung von Kräften und/oder Momenten müssen die temperaturinduzierten Änderungen im FBG-Lichtleiter kompensiert werden. Für diese Kompensation ist neben der Struktur (Geometrie) des Trägers, das Träger-Material ausschlaggebend. Je besser die Kompensation gelingt, desto besser sind die mit FBG-Sensor erzielbaren Messergebnisse. Dabei beeinflusst die Bearbeitbarkeit des Materials die mögliche Struktur und letztlich die Realisierbarkeit des FBG-Sensors.
  • Bekannt sind Träger für FBG-Sensoren aus einem Keramikmaterial. Diese Keramikmaterialien passen hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften an sich gut zu Faser-Bragg-Gittern in Standard Singlemode Glasfasern der Telekommunikationsindustrie. Sie kompensieren die temperaturinduzierten Änderungen des Glasfasermaterials hinreichend gut. Allerdings stehen die hohe Festigkeit, die hohe Sprödigkeit und die schlechte Bearbeitbarkeit des Keramikmaterials einer wirtschaftlichen Verwendung entgegen.
  • Im Stand der Technik bekannte Kraft-Momenten-FBG-Sensoren verwenden daher vielfach andere Trägermaterialien, die hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften nicht ideal Temperaturkompensation der FBG-Lichtleiter aus Glas angepasst sind und/oder sich vergleichsweise schwer mechanisch bearbeiten lassen. Die mit den bekannten FBG-Sensoren erfassbaren Messdaten weisen daher Ungenauigkeiten auf, die auf einer nicht optimalen Anpassung von Träger(material) und FBG-Lichtleiter beruhen.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen FBG-Sensor anzugeben, bei dem die vorstehend genannten Nachteile behoben, oder zumindest deutlich reduziert sind.
  • Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
  • Die Aufgabe ist mit einem Sensor gelöst, der einen Lichtleiter aus Glas mit einem intrinsischen Faser-Bragg-Gitter, und einen Träger, der den Lichtleiter entlang eines Abschnitts in Längsrichtung des Lichtleiters teilweise oder vollständig umschließt aufweist, wobei der Lichtleiter in dem genannten Abschnitt mechanisch starr mit dem Träger verbunden ist, der Träger aus einer Legierung aus Platin Pt und Eisen Fe besteht, die 50 bis 75 oder 54 bis 60 Massenprozent Platin enthält, und wobei die Legierung überwiegend (d.h. größer als 50%) oder vollständig in einer Gamma-Phase mit einem kubisch flächenzentriertem Gitter vorliegt. Bevorzugt ist das Trägermaterial durch Warmauslagern vollständig in die Gamma-Phase überführt.
  • Es hat sich gezeigt, dass ein Sensor mit einem Träger, der aus der angegebenen Metalllegierung besteht, im Zusammenwirken mit dem Glasmaterial des FBG-Lichtleiters besonders vorteilhafte Materialeigenschaften besitzt, wobei temperaturabhängige Materialänderungen im Lichtleiter optimal kompensiert werden und damit die Messgenauigkeit des FBG-Sensors deutlich verbessert wird. Zu den vorteilhaften Materialeigenschaften der vorgeschlagenen Legierung gehören neben der mechanischen Festigkeit, die auf das Glasmaterial optimal abgestimmte thermische Leitfähigkeit, der optimal angepasste Längenausdehnungskoeffizient, die gute strukturelle Anbindbarkeit (gute Adhäsion von Klebstoffen beispielsweise), das gut zusammenpassende Materialgefüge, die thermische Stabilität und die Biokompatibilität.
  • Vorteilhaft ist der Lichtleiter in dem genannten Abschnitt mit dem Träger mittels eines Metalllots oder eines Glaslots oder eines Klebstoffs mechanisch starr verbunden. Dabei ist der Ausdehnungskoeffizient des Metalllots/ des Glaslots bevorzugt zumindest annähernd gleich oder gleich dem Ausdehnungskoeffizienten des Lichtleitermaterials (Glas). Die Menge des Metalllots, des Glaslots bzw. des Klebstoffes für die Verbindung von Träger und dem Abschnitt des FBG-Lichtleiters aus Glas sollte bevorzugt möglichst gering, aber ausreichend sein, um eine dauerhafte starre Verbindung zwischen Träger und FBG-Lichtleiter zu ermöglichen. Dadurch wird eine feste Verbindung hergestellt und zudem kommt das vorgeschlagene Materialsystems des Trägers und seine optimale Abstimmung auf das Glas des Lichtleiters optimal zur Wirkung, so dass damit eine wirksame Verbesserung der Messergebnisse erzielt wird.
  • Eine Weiterbildung des Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass die den Träger bildende Legierung in dem genannten Abschnitt des (FBG-)Lichtleiters direkt auf den Lichtleiter abgeschieden ist. Dadurch wird insbesondere die Fertigung miniaturisierter FBG-Sensoren möglich. Weiterhin wird dadurch der FBG-Abschnitt des Lichtleiters vollständig von dem Trägermaterial ummantelt, was vorteilhaft gegenüber einer Teilummantelung / Teilumschließung des FBG-Abschnitts ist.
  • Vorzugsweise weist der Abschnitt des Lichtleiters mit dem Bragg-Gitter eine Länge im Bereich von 1 bis 10 mm oder 2 bis 5 mm auf. Bevorzugt weist der den Lichtleiter entlang des Abschnitts zumindest teilweise umschließende Träger einen Außendurchmesser im Bereich von 0,1 bis 1 mm oder 0,4 bis 0,75 mm auf. Weiterhin bevorzugt liegt in dem Abschnitt ein Verhältnis V eines Außendurchmessers DL des Lichtleiters zu einem Außendurchmesser DT des Trägers V = DL / DT im Bereich von 0,01 bis 0,4 oder von 0,05 bis 0,1. Weiterhin bevorzugt weist der den Lichtleiter entlang des Abschnitts zumindest teilweise umschließende Träger einen Außendurchmesser im Bereich von 0,1 bis 1 mm auf. In den genannten Fallen wird unterstellt, dass der Träger den Lichtleiter als Zylinder oder zumindest als Teilzylinder umschließt.
  • Vorteilhaft wird der vorgeschlagene und vorstehend beschriebene Sensor bei Kraft- und/oder Momentensensoren eingesetzt. Diese können verschiedenartig ausgeführt sein, um bspw. eine Kraft bzw- ein Moment in einer, zwei oder drei Raumdimensionen zu erfassen.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kraft-Moment-Sensor zum Messen von mindestens drei orthogonalen Belastungen(Kräften/Momenten), aufweisend zwei Plattformen und mindestens drei gleichartige, zwischen den beiden Plattformen vorgesehene, stabartige Elemente, wobei auf jeder Plattform mindestens drei Lagerpunktelemente gebildet sind und jedes der stabartigen Elemente mit mindestens einem auf eine einwirkende Kraft reagierenden Teil versehen ist. Der vorgeschlagene Kraft-Moment-Sensor zeichnet sich dadurch aus, dass die stabartigen Elemente Sensoren sind, wie sie vorstehend beschrieben sind. Das heißt insbesondere, dass die stabartigen Elemente Sensoren sind, die jeweils einen Lichtleiter aus Glas mit einem intrinsischen Faser-Bragg-Gitter und einen Träger, der den Lichtleiter entlang eines Abschnitts in Längsrichtung des Lichtleiters teilweise oder vollständig umschließt, aufweisen, wobei der Lichtleiter in dem Abschnitt mechanisch starr mit dem Träger verbunden ist, der Träger aus einer Legierung aus Platin Pt und Eisen Fe besteht, die 50 bis 75 oder 54 bis 60 Massenprozent Platin enthält, und die Legierung überwiegend oder vollständig in einer Gamma-Phase mit einem kubisch flächenzentriertem Gitter vorliegt.
  • Der vorgeschlagene Kraft-Moment-Sensor findet insbesondere Verwendung in zur Medizintechnik eingesetzten Greifeinrichtungen, oder in zur minimalinvasiven Chirurge eingesetzten Instrumenten, oder in Fingerspitzen einer Roboterhand, oder in einem kraftreflektierenden Eingabemittel.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Es zeigen:
  • 1 einen schematisierten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor, und
  • 2 einen erfindungsgemäßen Kraft-Moment-Sensor in einer Ausführungsform.
  • 1 zeigt einen schematisierten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor, 100 umfassend einen Lichtleiter 102 aus Glas mit einem intrinsischen Faser-Bragg-Gitter und einen Träger 104, der den Lichtleiter 102 entlang eines Abschnitts 101 in Längsrichtung des Lichtleiters 102 teilweise oder vollständig umschließt. Der Lichtleiter 102 in dem Abschnitt 101 ist mechanisch starr mit dem Träger 104 verbunden, der Träger 104 aus einer Legierung aus Platin Pt und Eisen Fe besteht, die 50 bis 75 oder 54 bis 60 Massenprozent Platin enthält, und die Legierung überwiegend oder vollständig in einer Gamma-Phase mit einem kubisch flächenzentriertem Gitter vorliegt. Der zu dem Abschnitt 101 führenden Teil des Lichtleiters 102 ist mit einer Schutzschicht 105 überzogen.
  • Durch den Einsatz der Legierung aus Platin und Eisen bei dem Verhältnis von 53% bis ca. 70% Massenprozent Platin vorzugsweise im Bereich von 54% bis 60% Massenprozent Platin, kann ein Träger 104 oder einzelne Elemente eines Träger 104 gefertigt werden, der in Verbindung mit FBG-Lichtleiter / FBG-Glasfaser 102 eine Verbesserung der Messergebnisse mit sich bringt. Dies bezieht sich im Besonderen auf die Herstellbarkeit kleiner stabförmiger Strukturteile mittels Drahterodieren, da die elektrische Leitfähigkeit der vorgeschlagenen Legierung ausreichend hoch ist (im Gegensatz zu Keramik), weiterhin auf die Adhäsion von Epoxidharzen an der Legierung, mit denen die Glasfaser 102 und der Träger 104 starr verbunden werden, und auf dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Legierung, der in vorteilhafter Weise zu FBG- Glasfasern passt. Die Bestandteile der vorgeschlagenen Metalllegierung Pt/Fe sind ungiftig. Vorteilhaft ist der Träger 104 auf seiner nach außen wirksamen Oberfläche mit einer biokompatiblen Schicht versehen.
  • In dem angegebenen Mischungsbereich der Legierung (50 bis 75 oder 54 bis 60 Massenprozent Platin) sind die Eigenschaften des Trägermaterials besonders positiv für die Erhöhung der Messgenauigkeit. Weiterhin zeigt das Trägermaterial ein stabiles Verhalten in dem Temperaturbereich, der bei Operationen im menschlichen Körper auftritt (0°C bis 50°C), was die erfindungsgemäßen Sensoren insbesondere für chirurgische/ minimalinvasive Einsätze qualifiziert.
  • Der vorgeschlagenen Sensor 100 zeigt gegenüber gattungsgemäßen Sensoren aus dem Stand der Technik ein überlegenes Verhalten bei Messungen. Dies beruht im Wesentlichen auf der Kompensation des thermooptischen Koeffizienten der Glasfaser 102 durch Kontraktion des Trägers 104 bei steigender Temperatur aufgrund magnetostriktiver Effekte in der Eisen-Platin-Legierung.
  • 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Kraft-Moment-Sensor 200 zum Messen von mindestens drei orthogonalen Belastungen, aufweisend zwei Plattformen 201, 202 und mindestens drei gleichartige, zwischen den beiden Plattformen vorgesehene, stabartige Elemente 203, wobei auf jeder Plattform 201, 202 mindestens drei Lagerpunktelemente 204, 205 gebildet sind und jedes der stabartigen Elemente 203 mit mindestens einem auf eine einwirkende Kraft reagierenden Teil versehen ist. Die stabartigen Elemente 203 sind dabei jeweils als Sensoren 100 ausgebildet.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    FBG-Sensor
    101
    Abschnitt
    102
    Lichtleiter, Glasfaser
    103
    Metalllot oder Glaslot oder Klebstoff
    104
    Träger
    105
    Schutzschicht
    200
    Kraft-Moment-Sensor
    201
    Plattform
    202
    Plattform
    203
    stabartige Elemente
    204
    Lagerpunktelemente
    205
    Lagerpunktelemente

Claims (10)

  1. Sensor (100) umfassend einen Lichtleiter (102) aus Glas mit einem intrinsischen Faser-Bragg-Gitter und einen Träger (104), der den Lichtleiter (102) entlang eines Abschnitts (101) in Längsrichtung des Lichtleiters (102) teilweise oder vollständig umschließt, wobei – der Lichtleiter (102) in dem Abschnitt (101) mechanisch starr mit dem Träger (104) verbunden ist, – der Träger (104) aus einer Legierung aus Platin Pt und Eisen Fe besteht, die 50 bis 75 oder 54 bis 60 Massenprozent Platin enthält, und – die Legierung überwiegend oder vollständig in einer Gamma-Phase mit einem kubisch flächenzentriertem Gitter vorliegt.
  2. Sensor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (102) in dem Abschnitt (101) mit dem Träger (104) mittels eines Metalllots oder eines Glaslots oder eines Klebstoffs mechanisch starr verbunden ist.
  3. Sensor (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnungskoeffizienten des Metalllots/ des Glaslots zumindest annähernd gleich dem Ausdehnungskoeffizienten des Glases sind, aus dem der Lichtleiter (102) besteht.
  4. Sensor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Träger (104) bildende Legierung in dem Abschnitt (101) direkt auf den Lichtleiter (102) abgeschieden ist.
  5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt des Lichtleiters eine Länge im Bereich von 1 bis 10 mm oder 2 bis 5 mm aufweist.
  6. Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Lichtleiter (102) entlang des Abschnitts (101) zumindest teilweise umschließende Träger (104) einen Außendurchmesser im Bereich von 0,1 bis 1 mm oder 0,4 bis 0,75 mm aufweist.
  7. Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abschnitt (101) ein Verhältnis V eines Außendurchmessers DL des Lichtleiters (102) zu einem Außendurchmesser DT des Trägers (104) V = DL / DT im Bereich von 0,01 bis 0,4 oder von 0,05 bis 0,1 liegt.
  8. Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Lichtleiter (102) entlang des Abschnitts (101) zumindest teilweise umschließende Träger (104) einen Außendurchmesser im Bereich von 0,1 bis 1 mm aufweist.
  9. Kraft-Moment-Sensor (200) zum Messen von mindestens drei orthogonalen Belastungen, aufweisend zwei Plattformen (201, 202) und mindestens drei gleichartige, zwischen den beiden Plattformen vorgesehene, stabartige Elemente (203), wobei auf jeder Plattform (201, 202) mindestens drei Lagerpunktelemente (204, 205) gebildet sind und jedes der stabartigen Elemente (203) mit mindestens einem auf eine einwirkende Kraft reagierenden Teil versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die stabartigen Elemente (203) Sensoren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche sind.
  10. Kraft-Moment-Sensor (200) nach Anspruch 9 zur Verwendung in in der Medizintechnik eingesetzten Greifeinrichtungen, oder zur Verwendung in zur minimalinvasiven Chirurge eingesetzten Instrumenten, oder zur Verwendung in Fingerspitzen einer Roboterhand, oder zur Verwendung in einem kraftreflektierenden Eingabemittel.
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