DE102016100432B4

DE102016100432B4 - Automatisch vorgespannte und vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Sensorstruktur

Info

Publication number: DE102016100432B4
Application number: DE102016100432.4A
Authority: DE
Inventors: Chun-Chu Yang; Yung-Yu Tsai
Original assignee: JINN HER ENTERPRISE CO Ltd; JINN HER ENTPR CO Ltd
Current assignee: JINN HER ENTERPRISE CO Ltd; JINN HER ENTPR CO Ltd
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2018-07-05
Anticipated expiration: 2036-01-13
Also published as: US9513111B2; JP2016133512A; TW201627637A; CN105806241A; JP6105763B2; US20160209208A1; DE102016100432A1; TWI529374B; CN105806241B

Abstract

Automatisch vorgespannte und vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Sensorstruktur, umfassend:einen Einmoden-Lichtleiter, der ein darin angeordnetes und sich in Längsrichtung erstreckendes Fasergitter aufweist;eine zylindrische Schraubenfeder, die eine feste Länge hat und den darin angeordneten Einmoden-Lichtleiter ummantelt und schützt, mit einer längeren zylindrischen Schraubenzugfeder (301), einer kürzeren zylindrischen Schraubendruckfeder (302) in Reihe mit der zylindrischen Schraubenzugfeder (301) und einer längeren zylindrischen Schraubenzugfeder (303) in Reihe mit der zylindrischen Schraubendruckfeder (302), wobei die kürzere zylindrische Schraubendruckfeder (302) zwischen den beiden längeren zylindrischen Schraubenzugfedern (301 und 303) angeordnet ist;einen vorspannenden, an einem vorderen Ende vorgesehenen Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder, der auf der Außenseite mit der Feder verbunden ist und auf der Innenseite mit dem Lichtleiter verbunden ist; undeinen vorspannenden, an einem hinteren Ende vorgesehenen Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder, der auf der Außenseite mit der Feder verbunden ist und auf der Innenseite mit dem Lichtleiter verbunden ist;wobei die Lichtleiter-Sensorstruktur dadurch gekennzeichnet ist, dass eine vorbestimmte Messlänge zwischen dem vorspannenden, an dem vorderen Ende vorgesehenen Verbindungsring und dem vorspannenden, an dem hinteren Ende vorgesehenen Verbindungsring ausgebildet ist; wobeidie Messlänge zunächst durch Fixieren der an dem vorderen und hinteren Ende vorgesehenen Verbindungsringe, wenn eine maximal zulässige Stauchung durch das Komprimieren der beiden Enden der zylindrischen Schraubendruckfeder (302), die das Fasergitter umgibt und schützt, bis zu dem vorbestimmten Fasergitter, das darin angeordnet ist, und durch die anschließende Freigabe der ausgeübten Kraft erhalten wird, und somit durch einen vorspannenden Effekt festgelegt ist, den man durch elastische Dehnung des Fasergitters innerhalb eines elastischen Bereichs erreicht;die zylindrischen Schraubenzugfedern (301 und 303), die sich ausgehend von den beiden Enden der zylindrischen Schraubendruckfeder (302) erstrecken, die das Fasergitter ummantelt und schützt und den gleichen Außendurchmesser hat, eine Schutzfunktion durch ein vollständig ummantelndes Federmaterial bereitstellen, um den darin angeordneten Lichtleiter zu schützen, um so die automatisch vorgespannte und vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Sensorstruktur auszubilden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Technologie einer Dehnungs- bzw. Spannungsbestimmungs- und Messeinrichtung, die auf den physikalischen Eigenschaften einer Lichtleiter-Sensorfeder beruht, und betrifft insbesondere eine Technologie, die einen Dehnungs- bzw. Spannungserfassungsbereich innerhalb eines wirkungsvollen Axialdehnngs-Sensorbereichs eines Sensorelements vorgibt und eine Dehnung genau misst.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Stand der Technik wird ein Fasergitter durch einen Lichtleiter ausgebildet, um eine Lichtleiter-Sensorfunktion auszuüben. Je nach den Eigenschaften, Formen, Verwendungen und Zwecken der Messpunkte kann ein Fasergitter in verschiedenen Strukturen eingesetzt werden, um ausgezeichnete Dehnungserfassungselemente zu bilden, die Dehnungswerte mittels einer extern damit verbundenen optischen Wellenlängen-Scanvorrichtung genau messen. Ein Fasergitter wird auch als Faser-Bragg-Gitter bezeichnet (im Folgenden als FBG bezeichnet), das als Faser-Gitter-Sensor dienen kann. In einem FBG wird der Lichtleiter dem Licht eines kohärenten Lasers ausgesetzt, so dass der Brechungsindex des Kerns des beleuchteten Abschnitts des Lichtleiters sich permanent ändert und dass der Abschnitt des Brechungsindex des Lichtleiters, auch bezeichnet als Fasergitter oder FBG, helle und dunkle Streifen in periodischen Abständen A hat. Das Herstellungsverfahren eines FBG ist so, wie in 1A, 1B, 1C und 1D gezeigt. Bezugnehmend auf die 1A, die eine Schnittansicht eines üblichen Einmoden-Lichtleiters zeigt, wird ein blanker bzw. nicht ummantelter Lichtleiter mit einem Außendurchmesser von 125µm mit einem Kunststoff oder Kunstharz beschichtet, um einen Lichtleiter mit einem Außendurchmesser von 250µm zu bilden, und 101 bezeichnet einen nicht ummantelten Lichtleiter mit 125µm, der von dem Kunstharzbereich umgeben ist. In der 1B ist der die Außenseite beschichtende Kunstharz um den nicht ummantelten Lichtleiter mit einem Durchmesser von 125µm entfernt, zur Vorbereitung der Herstellung des Fasergitters. Die 1C zeigt die Herstellung eines Fasergitters aus dem nicht ummantelten Lichtleiter mit 125µm, der nicht durch einen Kunstharz beschichtet ist. In der 1C bezeichnet 102 den Lichtleiterkern und 103 den Abschnitt des Fasergitters mit einem Brechungsindex mit hellen und dunklen periodischen Streifen unter dem Abstand A. In der 1D wird der nicht ummantelte Glasfaserbereich des Fasergitters mit 125µm erneut durch das Kunstharz beschichtet, um ein Fasergitter mit einem Außendurchmesser von 250µm auszubilden, und 104 bezeichnet dabei den erneut aufbeschichteten Kunstharz mit einem Außendurchmesser von 250µm.
In einem FBG wird aufgrund eines Rückkopplungseffekts, die durch Bragg-Beugung erzeugt wird, eine vorbestimmte Wellenlänge, die eine Bragg'sche Bedingung erfüllt und die als Rückkopplungs-Bragg-Wellenlänge λ_B bezeichnet wird, für eine weitere Analyse in eine Richtung entgegengesetzt zu der Einfallsrichtung zurück zu einer Scanvorrichtung reflektiert, die Lichtwellen emittiert, um zu messen, ob eine empfangene Wellenlänge erhöht/verringert wird. Das Rückkopplungs-Bragg-Wellenlänge λ_B wird durch eine Gleichung dargestellt: $λ_{B} = 2 n Λ$
In Gleichung (1) bezeichnet A die Periode des FBG, und n ist der tatsächliche Brechungsindex des Lichtleiters. Wenn durch eine aufgenommene externe Kraft in dem Fasergitter eine Dehnung erzeugt wird, ist eine Veränderung in dem ursprünglichen Intervall Λ ΔΛ, was man in Gleichung (1) ersetzen kann, um zu erhalten: $λ_{B} = 2 n ΔΛ$
Entsprechend der Definition der Dehnung ε wird die Messlänge des Kraftaufnahmeobjekts auf 1 gesetzt, und Δ1 ist die Längenänderung aufgrund der aufgenommenen Kraft. $ε=Δ 1/1 = ΔΛ / Λ$
Man erhält dann: $Δ 1 = (ΔΛ / Λ) /1 = (Δ λ_{B} /2n) / (λ_{B} /2n) 1$
Deshalb gilt: $ε=Δ 1/1 = Δ λ_{B} / λ_{B}$
Daher beträgt die Änderung der reflektierten Bragg-Wellenlänge λ_B, die durch die geringfügig größere Länge Δ1 hervorgerufen wird, die durch Anlegen einer Spannung an dem Lichtleiter mit der Meßlänge 1 erzeugt wird, Δλ_B. An dem Lichtabstrahlungsende, d.h. dem reflektierenden Rückkopplungsende, wird eine Wellenlängenverschiebung Δλ_B in λ_B wahrgenommen. Mit anderen Worten, wenn die Wellenlängenänderung Δλ_B als Maß für eine Kraft, die auf ein Lichtleiter-Sensorelement ausgeübt wird, wahrgenommen wird, bedeutet dies, dass die Änderung in der Länge des Lichtleiter-Sensorelements eine Zunahme um Δl beträgt. Diese kann dazu verwendet werden um zu messen, ob die Kraft, die von einem parallel zu einem Messobjekt fixierten Lichtleiter-Sensorelement mit einer Messlänge l aufgenommen wird, bewirkt, dass eine Veränderung ε, die während des Anlegens der Spannung gemessen wird, einen Grenzwert übersteigt. Ein Bruch-Warnsignal kann ausgegeben werden, wenn der Grenzwert überschritten wird. Weil jedoch die physikalischen Eigenschaften eines FBG durch Temperaturänderungen beeinflusst werden, wird auch die Wellenlängenverschiebung Δλ_B beeinflusst. Wenn somit ein FBG als Sensoreinrichtung eingesetzt wird, werden mehrere Sensoreinrichtungen, die nahe beieinander oder unmittelbar in Reihe angeordnet sind, verwendet, um Referenzwerte für die Temperaturänderungen zu erhalten, um weiterhin eine Temperaturkompensation durchzuführen, um die Genauigkeit zu korrigieren. Alternativ wird ein Fasergitter, das in einem Lichtleiter-Sensorelement vorgesehen ist, durch ein Chirp-Fasergitter (CFG)-Struktur realisiert. Dabei wird ein Dispersionseffekt mit Hilfe von zwei Wellenlängen (lang und kurz) eliminiert, um das Problem der Genauigkeit eines einzelnen Sensorelements zu überwinden und um von der Temperatur unbeeinflusst zu bleiben.
Wie zuvor beschrieben, kann je nach den unterschiedlichen Eigenschaften, Formen Verwendungen und Zwecken der Messpunkte ein Fasergitter mit verschiedenen Strukturen als Lichtleiter-Sensorelement hergestellt werden. Diese Strukturen sind parallel auf einem Messobjekt befestigt, um eine Änderung ε zu messen, die durch eine Kraft verursacht wird, die im tatsächlichen Einsatz aufgenommen wird. Ein gemeinsames Merkmal aller herkömmlichen Strukturen ist, dass eine vorbestimmte Mikrodehnung von beispielsweise - 2500µs vorgespannt werden muss, die als zukünftige tolerierbare Kompressionsgröße dient, nachdem die Sensorelemente an festen Erfassungspositionen angeordnet worden sind, da ein FBG ohne Vorspannung ansonsten ohne weiteres eine Dehnungs-Hysterese erzeugen und seine Genauigkeit verlieren kann. Somit muss ein Fasergitter idealerweise auf eine Ausgangswellenlänge für die Messung gezogen bzw. gestreckt werden, und ferner muss ein minimal tolerierbarer Dehnungswert erzielt werden, mit dem das Fasergitter gemessen werden kann. Aus den Anforderungen der tatsächlichen technischen Anwendungen ist es jedoch unmöglich Bedingungen zu simulieren, bei denen ein riesiges Testobjekt im normalen Gebrauch zuerst zusammengedrückt wird, das Fasergitter dann fixiert wird und die Messung dann ausgeführt wird, nachdem eine solche Kompression freigegeben bzw. entspannt worden ist, um in einen normalen Zustand zurückzukehren. Daher ist es ein gemeinsames Merkmal von sämtlichen herkömmlichen Strukturen, dass ein Fasergitter zunächst auf einen tolerierbaren Druckwert eines Messbereichs vorgespannt wird.
Bei einem Herstellungsverfahren oder einem Verfahren zum Spannen eines Fasergitters auf eine akzeptable Kompression eines Messbereichs wird eines von zwei Enden eines hergestellten FBG zunächst an einem Anfangspunkt einer Messlänge L eines Messobjekts fixiert und eine Kraft am anderen Ende des FBG angelegt, um das FBG auf eine Wellenlänge einer zuvor eingestellten tolerierbaren Druckverformung zu ziehen bzw. zu strecken, und dann an einem Endpunkt der Messlänge des Messobjekts fixiert. Auf diese Weise wird das Fasergitter mit einer Messlänge der zwei festen Punkten vorgespannt, was in ähnlicher Weise durch ein Verfahren zum Ausbilden einer zukünftig maximal tolerierbaren Kompressionsgröße an dem Messobjekt realisiert werden kann. Ein solch einfacher Spannvorgang an einem Fasergitter wird häufig bei Messobjekten mit unterschiedlichen Strukturen angewendet. Um ein Objekt mit der gleichen vorhergesagten maximal tolerierbaren Kompressionsgröße (z.B. -2500/µs) zu erzielen, sind viele verschiedene Spannverfahren, -werkzeuge, -teile und -vorgänge entwickelt worden, was daher einen ursprünglich einfachen Vorgang zum Spannen eines FBG kompliziert macht. Diese komplizierten Herstellungsvorgänge sind sehr teuer und müssen standardisiert und auch vereinfacht werden, um Kosten zu senken und um eine genauere Verspannungsgröße zu erhalten. Das heißt, ein erster Nachteil eines herkömmlichen FBG besteht darin, dass, obwohl ein herkömmliches FBG gespannt werden muss, es keine standardisierten und einfachen Spannungsträger gibt. Dies ist ein Grund, weshalb derzeit FBGs nicht zu Standard-Opto-Sensorelementen geworden sind.
Wenn ein FBG aus einem Einmoden-Lichtleiter hergestellt wird, ist die Struktur herkömmlich außerdem in der Regel nur die Struktur eines nicht ummantelten Fasergitters mit einem Außendurchmesser von 0,125 mm (125µm) und ist diese anfällig für Bruch und kann keinem seitlichen Druck widerstehen. Somit wird zum Schutz in der Regel ein Acryl- oder Kunstharz um das FBG aufgeschichtet, sodass dieses zu einem Lichtleiter mit einem Außendurchmesser von 250µm wird. Jedoch werden das FBG und ein extern angeschlossener Lichtleiter dennoch sehr wahrscheinlich durch äußere Kräfte beschädigt, wie für das herkömmliche Fasergitter-Sensorelement gemäß der 2, das auf einem Messobjekt befestigt ist. In der 2, ist 201 ein blankes bzw. nicht ummanteltes Fasergitter mit 125µm, ist 202 eine Kunstharzbeschichtungs-Schutzschicht, 203 ein FBG-Bereich an dem 125µm Lichtleiterkern, 204 eine wieder aufgebrachte Kunstharzbeschichtungs-Schutzschicht, 205 eine äußere PE-Ummantelungsschicht mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm, 206 ist ein Befestigungssitz oder ein Befestigungsklebstoff für das FBG und 207 ein Fasergitterträger oder eine Struktur eines Messobjekts. Bei einem herkömmlichen Verfahren zum Schützen eines FBG wird eine äußere Ummantelungsschicht aus PE-Material mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm wieder um das Fasergitter herum hinzugefügt. Um die Dehnungsempfindlichkeit eines Fasergitters mit einem Abschnitt von etwa 10 mm zu erhöhen, werden bei einem ersten Verfahren in diesem Abschnitt ohne den Schutz des PE-Beschichtungsmaterials mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm zwei Enden des Fasergitters unmittelbar an einem Bereich des Messobjekts 207 mit einem Klebstoff befestigt. Bei einem zweiten Verfahren werden die beiden Enden des Fasergitters zunächst an einem Material, das dasselbe ist wie das der zu untersuchenden Struktur, oder an einem Metallmaterial befestigt, um ein Sensorelement auszubilden. Dieses Material, das dasselbe ist wie das Material der zu untersuchenden Struktur, oder das Metallmaterial in Kombination mit dem FBG wird als Fasergitter-Sensorelement-Träger bezeichnet, wie mit dem Bezugszeichen 207 in der 2 bezeichnet. Zwei Enden des Sensorelements sind parallel auf der Prüffläche befestigt und man erhält die Dehnungsempfindlichkeits-Genauigkeit direkt oder indirekt durch ein paralleles Messverfahren innerhalb einer linearen Elastizitätsgrenze. Weil das äußere Beschichtungsmaterial nicht die linearen Dehnungseigenschaften einer elastischen Dehnung innerhalb eines elastischen Bereichs (d.h. innerhalb der Elastizitätsgrenze) hat, erstreckt sich das Außenbeschichtungsmaterial nicht quer über den FBG-Sensorgitterbereich, um den Nachteil einer plastischen Verformung zu vermeiden, der dadurch verursacht wird, dass die Zugfestigkeit die Belastbarkeit des Kunststoffbeschichtungsmaterials überschreitet. Ein solches freiliegendes Fasergitter ohne Schutz, beispielsweise der Bereich 208, der ein freiliegender und ungeschützter Fasergitterbereich ist, ist häufig einer der Hauptgründe, die Beschädigung und einen Bruch während des Spannvorgangs, bei einer Vor-Ort-Installation und bei einem Meßvorgang nach der Installation verursachen. Daher hat ein Fasergitter ohne den Schutz eines äußeren Beschichtungsmaterials einen zweiten Nachteil, nämlich was die Standardisierung von Lichtleitersensorelementen anbelangt.
In einer tatsächlichen Messumgebung, wenn die unbeschichteten Lichtleiter, die mit den beiden Enden des ungeschützten Fasergitterbereichs verbunden sind und einen Außendurchmesser von 250µm haben, weiterhin mit externen optischen Lichtleitersegmenten verbunden werden, ist der Lichtleiter an diesen beiden Enden extrem dünn und kann nicht eindeutig visuell erkannt werden, weshalb diese sehr wahrscheinlich berührt werden, was zu optischen Leistungsverlusten oder zu einem Bruch führt. Die Lichtleiter, die extern von den beiden Enden des Fasergitterbereichs verbunden sind, sind nicht durch ein geeignetes Material geschützt und werden daher leicht beschädigt oder gebrochen - was einen dritten Nachteil bei standardisierten Lichtleitersensorelementen darstellt. Um sich von der Technologie eines Einmoden-Lichtleiterkabels mit Beschichtungsmaterial zu unterscheiden und innovativ zu sein und um eine perfekte Technologie zu präsentieren, die sowohl Anforderungen einer Lichtleiter-Übertragungstechnologie als auch von standardisierten optischen Sensorelementen erfüllt, soll eine Struktur bereitgestellt werden, die durch einen einmal abgeschlossenen Prozess hergestellt wird, bei der es sich um ein Lichtleiter-Sensorkabel-Produkt handelt, das durch Integration eines herkömmlichen Einmoden-Lichtleiters und eines Fasergitters ausgebildet ist.
DE 196 48 403 C1 offenbart einen Sensor zur Erfassung von Druck- und/oder Zugkräften mit einem integriertem Bragg-Gitter, wobei eine Lichtleitfaser unmittelbar oberhalb und unterhalb des Bragg-Gitters zwischen zwei Einspannelementen, die den Sensor bauelementartig einfassen, mittels eines als Feder ausgebildeten Dehnkörpers auf Zug vorgespannt ist. Allerdings ist dabei nur eine Feder zur Vorspannung auf Zug vorgesehen, was die vorgenannten Schwierigkeiten bei der Montage des Sensors bedingen kann.
CN 102829854 A offenbart einen Fasergitter-Vibrationssensor vom aufgehängten Typ, der eine Hülle, eine Signalübertragungsfaser, eine Schutzhülle, ein Fasergitter und einen Vibrator umfasst. Das Fasergitter ist am unteren Ende der Signalübertragungsfaser angeordnet, wobei eine Schicht aus einem elastischen Polymermaterial auf der Außenseite des Fasergitters aufgebracht ist und der untere Teil des Fasergitters mit dem Vibrator über eine Feder verbunden ist, die koaxial zu dem Fasergitter angeordnet ist, um das Fasergitter elastisch vorzuspannen. Allerdings ist dabei nur eine Feder zur Vorspannung vorgesehen, was die vorgenannten Schwierigkeiten bei der Montage des Sensors bedingen kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obigen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine verbesserte automatisch vorgespannte und vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Sensorstruktur bereitzustellen und um eine verbesserte vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Struktur bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine automatisch vorgespannte und vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Sensorstruktur nach Anspruch 1, 7 bzw. 13 und durch eine vollständig von einer Feder ummantelte optische Lichtleiter-Struktur nach Anspruch 19 gelöst Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die 3A und 3B zeigen eine Lichtleiter-Sensorfeder gemäß der vorliegenden Erfindung. Die 3A zeigt eine Schnittansicht einer Federstruktur und eines Fasergitters, die noch nicht zusammengefügt sind. Die 3B zeigt eine Schnittansicht einer Struktur einer Lichtleiter-Sensorfeder. Die 3C zeigt eine Schnittansicht einer Lichtleitersensor-Federstruktur, die an einem Messobjekt befestigt ist, mit zugehörigen Details, die für eine erste Ausführungsform beschrieben werden. Die 3D ist eine perspektivische Schnittansicht einer Lichtleitersensor-Federstruktur. Eine Feder, die in der Lichtleitersensor-Federstruktur nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist auf der linken Seite der 3A gezeigt. Die Feder ist eine zylindrische Schraubenfeder, die eine vorbestimmte feste Länge hat und diese umgibt, ummantelt und schützt einen Einmoden-Lichtleiter, der darin angeordnet ist. Diese Feder weist eine längere zylindrische Schraubenzugfeder 301, eine kürzere zylindrische Schraubendruckfeder 302, die in Reihe mit der zylindrischen Schraubenzugfeder 301 verbunden ist, und eine längere zylindrische Schraubenzugfeder 303 auf, die in Reihe mit der Schraubendruckfeder 302 verbunden ist. Die kürzere zylindrische Schraubendruckfeder 302 ist zwischen den beiden längeren zylindrischen Schraubenzugfedern 301 und 303 verbunden. Unter Bezugnahme auf die 3A ist d ein Drahtdurchmesser der Schraubenfedern, ist D ein mittlerer Wicklungsdurchmesser der Schraubenfedern, ist α ein Steigungswinkel, und der Steigungswinkel der zylindrischen Schraubendruckfeder ist größer als der Steigungswinkel der beiden Schraubenzugfedern. Bei einer Ausführungsform (vgl. 3C) ist 301 eine die Außenseite ummantelnde zylindrische Schraubenzugfeder mit 0,9 mm, ist 302 eine die Außenseite ummantelnde zylindrische Schraubendruckfeder mit 0,9 mm, ist 303 eine die Außenseite ummantelnde zylindrische Schraubenzugfeder mit 0,9 mm, ist 201 ein nicht ummanteltes Fasergitter mit 125 µm, ist 202 eine Kunstharzbeschichtungs-Schutzschicht mit einem Außendurchmesser von 250µm, ist 203 ein FBG-Gitterbereich an einem 125µm Lichtleiterkern, ist 204 eine erneut aufbeschichtete Kunstharzbeschichtungs-Schutzschicht mit einem Außendurchmesser von 250µm, ist 207 ein Fasergitterträger oder eine Messobjekt-Struktur, ist 304 ein Lichtleiter-Anschluss, der aus dem Fasergitter herausgeführt ist, ist 308 ein oberer Verbindungsring zum Verbinden der vorgespannten Feder und des Lichtleiters, ist 309 ein unterer Verbindungsring zum Verbinden der vorgespannten Feder und des Lichtleiters, ist 310 ein oberer Verankerungs-Trägerrahmen (ein Klebstoff- oder Schweißpunkt) der Schraubenzugfeder, und ist 311 ein unterer Verankerungs-Trägerrahmen (ein Klebstoff- oder Schweißpunkt) der Schraubenzugfeder. Die Feder, die die Lichtleiter-Sensorfeder ausbildet, ist durch die zylindrische Schraubendruckfeder 302 ausgebildet, die das FBG umgibt und schützt, und durch die zylindrischen Schraubenzugfedern 301 und 303, die an den beiden Enden der zylindrischen Schraubendruckfeder 302 angeordnet sind (in Reihe und in Verlängerung). Zusätzlich zu der Schutzwirkung für das darin angeordnete FBG wird mit der zylindrischen Schraubendruckfeder 302 auch der Effekt eines Spannens bzw. Vorspannens des FBG erzielt. Um die Wirkung des Spannens bzw. Vorspannens des FBG zu erzielen, wird die Feder genauer gesagt zuerst zusammengedrückt, wird der Abschnitt des FBG, der in der Feder angeordnet ist, durch den oberen Verbindungsring 308 und den unteren Verbindungsring 309 fixiert, und wird die ausgeübte Kraft dann freigegeben bzw. entspannt. Die zylindrischen Schraubenzugfedern, die an den beiden Enden der zylindrischen Schraubendruckfeder herausgeführt sind und diese verlängern, sind starke Federn mit einer Vorspannkraft und sind hart, aber biegsam. Somit üben die zylindrischen Schraubenzugfedern eine Schutzfunktion für die Lichtleiter aus, die von der Innenseite herausgeführt sind und von den beiden Enden des FBG bis zu der Außenseite des Sensorelements verlängert sind. Solche zylindrischen Schraubenzugfedern, die herausgeführt und verlängert sind, sind nicht nur härter als herkömmliche Außenummantelungen aus PVC oder PE, sondern haben auch eine bessere Biegefestigkeit und Biegefähigkeit im Falle einer Auslenkung bzw. Verformung.
Seit Hunderten von Jahren hat eine herkömmliche Feder unter Ausnutzung der mechanischen Eigenschaft einer linear elastischen Dehnung innerhalb der elastischen Grenzen eines elastischen Materials erfolgreich die mechanische Funktion einer Messung ermöglicht. Unter den verschiedenen Arten von Federn sind insbesondere die linearen Federeigenschaften einer zylindrischen Schraubenfeder in großem Umfang eingesetzt worden. Die Dehnungsverformung δ, die durch Einwirkung einer Last P einer Spannung auf die Feder erzeugt wird, kann durch Gleichung (5) aus der Beziehung zwischen der Last in 4 und der Verformung ausgedrückt werden: $P = k δ$
$k = P/ δ$
In den obigen Gleichungen ist P die auf die Feder einwirkende Last, δ die Verformung innerhalb der Elastizitätsgrenzen und ist die Federkonstante k die Belastung, die zum Erzeugen einer Verformungs-Einheitsgröße an der Feder erforderlich ist. Eine solche Beziehung erfüllt auch den Elastizitätsmodul E in der Beziehung zwischen der vorherrschenden Spannung und Dehnung, die auch als physikalische Eigenschaft des Young'sches Modul bzw. Elastizitätsmoduls innerhalb einer elastischen Grenze bezeichnet wird. Der Elastizitätsmodul ist die Steigung einer Spannungs-Dehnungs-Kurve in einem elastischen Bereich. Eine solche Beziehung wird als das Hooke'sche Gesetz bezeichnet. In der Erforschung der Beziehung zwischen der einwirkenden Spannung und Dehnung, ist σ die einwirkende Spannung, ε die einwirkende Dehnung und diese beiden Größen werden durch die nachfolgende Gleichung (7) dargestellt: $E = σ / ε$
In der obigen Gleichung ist σ die einwirkende Spannung, beispielsweise die auf die Feder einwirkende Last P, wie in Gleichung (6) wiedergegeben, und ist ε die einwirkende Dehnung, beispielsweise die Verformung δ innerhalb der elastischen Grenzen in Gleichung (6). Somit ist die Federkonstante k für die Feder in Gleichung (6) auch ähnlich dem Elastizitätsmodul E in technischen Anwendungen, wobei der Elastizitätsmodul E der Young-Modul des Hooke'schen Gesetzes ist, als eines der am häufigsten verwendeten Gesetze im Maschinenbau in der Geschichte der Federn. Daher ist die Größe der Verformung einer Feder innerhalb der elastischen Grenzen sehr geeignet für eine Präzisionsmessung zur Überwachung der Eigenschaften eines Materials oder einer Struktur (SHM: structure health monitoring). Insbesondere durch Anordnen eines FBG in der Feder mit einer optischen Wellenlängenänderung, die digital messbar ist, kann die Lichtleiter-Sensorfeder gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden. Die Lichtleiter-Sensorfeder gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit einer geeigneten Federkonstante und einem Fasergitter mit einem Elastizitätsmodul geeignet ausgelegt und in der Lichtleiter-Sensorfeder angeordnet werden und kann parallel zu einem Fasergitter mit einem darin vorgesehenen Elastizitätsmodul verbunden werden. Somit können nicht nur die umgebenden zylindrischen Schraubenfedern den darin angeordneten fragilen Lichtleiter schützen, sondern kann auch das Elastizitätsmodul des natürlichen Hooke'schen Gesetzes eine Dehnungsmessung innerhalb der Elastizitätsgrenzen ermöglichen.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein FBG in einer Federanordnung angeordnet, die durch zylindrische Schraubenzugfedern und eine zylindrische Schraubendruckfeder ausgebildet ist, um eine Lichtleiter-Sensorfeder auszubilden, so wie die Struktur, die in der 3B gezeigt ist, um die Beziehung zwischen der elastischen Spannung und Dehnung einer elastischen Dehnung innerhalb eines Elastizitätsbereichs zu messen, um die Detektionstechnik zur Überwachung der Eigenschaften von Strukturen (SHM) weiter zu verbessern. Die Funktionsweise der Lichtleiter-Sensorfeder gemäß der vorliegenden Erfindung, die ein FBG verwendet, um die entsprechende Veränderung in Reaktion auf eine vergrößerte oder verkleinerte Länge der Feder zu ermitteln, wird im Folgenden beschrieben. Aufgrund der Einwirkung einer Spannung P auf die Feder ist die Verformung, die innerhalb der Elastizitätsgrenzen erzeugt wird, die Dehnung δ, wie in Gleichung (6) angegeben. Die parallele Kraft, die auf den Lichtleiter einwirkt, der parallel zu der Feder verbunden ist, kann aus der Dehnung δ in Gleichung (4) gemessen werden, d.h. aus der Wellenlängenänderung Δλ_B in ε = Δ1/1 = Δλ_B/λ_B. Somit beträgt die Veränderung der Bragg-Wellenlänge Δλ, die durch die geringe Längenänderung mit der Änderung Δl angezeigt wird und durch Anlegen einer Spannung an einen Lichtleiter mit einem Abschnitt der Länge 1 erzeugt wird, Δλ_B. Die Größe der Wellenlängenverschiebung Δλ, die Δλ_B enthält, wird an dem Lichtübertragungsende empfangen, d.h. an dem reflektierenden Rückkopplungsende. Wenn andererseits die Wellenlängenänderung Δλ_B durch Anlegen einer Kraft an die Lichtleiter-Sensorfeder-Baugruppe erhalten wird, bedeutet dies, dass die Änderung der Messlänge 1 der gespannten Federn Δ1 beträgt. Dies kann dazu genutzt werden um zu bestimmen, ob die Größe der Verformung ε bezüglich der einwirkenden Spannung aufgrund einer Kraft, die von der Lichtleiter-Sensorfederanordnung mit einer Messlänge 1, die parallel auf der Struktur eines Messobjekts befestigt ist, aufgenommen wird, einen Grenzwert überschreitet. Wenn die Größe den Grenzwert überschreitet, dem die zu überwachende Struktur standhalten kann, kann ein Bruch-Warnsignal ausgegeben werden. Jedoch werden die physikalischen Eigenschaften eines FBG auch durch Temperaturänderungen beeinflusst, und die Wellenlängenänderung bzw. -verschiebung Δλ_B wird somit beeinflusst. Wenn somit ein FBG als Sensoreinrichtung eingesetzt wird, werden mehrere Sensoreinrichtungen, die nahe nebeneinander angeordnet oder eng miteinander in Reihe verbunden sind, dazu verwendet, um Referenzwerte für die Temperaturänderungen zu erhalten, um eine Temperaturkompensation auszuführen und die Genauigkeit zu korrigieren. Hiermit im Zusammenhang stehende Einzelheiten werden in der zweiten Ausführungsform dargelegt.
Die Dehnung ε in Gleichung (4) kann aus der Änderung Δ1 der Messlänge 1 zwischen den beiden festen Enden des FBG in der zylindrischen Schraubendruckfeder berechnet werden. Jedoch ist die Änderung der Messlänge zwischen den beiden festen Enden extrem klein, diese beträgt etwa nur wenige Mikrometer, sodass diese nicht nur schwer mit einem Messstab-Mechanismus bemerkt werden kann, sondern wahrscheinlich auch mit dem bloßen Auge nicht identifiziert werden kann. Nach der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren eingesetzt, bei dem die Wellenlängenänderung am Ende der Gleichung (4) proportional erfasst und berechnet werden kann. Das heißt, die Änderung Δ1 der Messlänge zwischen den festen Enden des FBG in der zylindrischen Schraubendruckfeder kann entsprechend der Änderung der Wellenlänge berechnet werden, die von den einfallenden Lichtwellen reflektiert wird, die in das FBG eintreten. So kann die Wellenlängenänderung Δλ_B, die nach Abstrahlen des Lichts empfangen wird, verwendet werden, um ein neues Verfahren bereitzustellen, das die elastischen Eigenschaften einer Feder als Präzisionsmessmaterial für die optische Erfassung einer Dehnung ausnutzt. Ein neuartiges Merkmal dieses neuen Verfahrens ist, dass in einer Federstruktur, die durch zylindrische Schraubenzugfedern und eine Schraubendruckfeder ausgebildet ist, in die ein FBG entlang einer Achse der Schraubendruckfeder angeordnet ist, eine Meßlänge des FBG durch Zusammendrücken der Feder festgelegt ist und die Sschraubendruckfeder dann entspannt wird, um den Effekt einer Vorspannung des Fasergitters zu erreichen. Das vorstehende Verfahren erfüllt die Technologie des Elastizitätsmoduls durch eine elastische Dehnung innerhalb eines elastischen Bereichs und löst die Aufgabe, dass ein Vorspannwert eingestellt werden muss, indem das Hooke'sche Gesetz mit einer linearen Beziehung umgesetzt wird. Während der Effekt eines Vorspannens des FBG dadurch erreicht wird, dass zuerst das darin angeordnete FBG fixiert wird und dann die angelegte Kraft entspannt bzw. freigegeben wird, bildet somit die Schraubendruckfeder auch eine Ummantelung mit einer Härte bzw. Stabilität ähnlich einem Stahlgehäuse aus, zum Schutz des fragilen FBG, das darin eingesetzt ist.
Eine Beziehung zwischen der Messlänge zwischen den beiden festen Enden des Fasergitters in der zylindrischen Schraubendruckfeder, der Kraft P, die die Feder zuerst komprimiert und dann von der Feder freigegeben wird, um das Vorspannen des Fasergitters zu erzielen, und der Federverformung δ aus der angelegten Kraft kann durch eine Gleichung dargestellt werden: $δ= (8 {nD}^{3} {/Gd}^{4}) P$
In der obigen Gleichung ist d ein Durchmesser eines Drahts aus rostfreiem Stahl, ist D ein mittlerer Wicklungsdurchmesser, ist G ein lateraler Elastizitätskoeffizient, und ist n die Anzahl der tatsächlichen Wicklungen.
Eine Federkennzahl kann als Größe c definiert werden, mit c = D / d. Somit kann die Gleichung (8) durch eine Gleichung wie folgt dargestellt werden: $\begin{matrix} δ= (8 {nc}^{3} /Gd) P ...... (9) \\ = (8 {nc}^{4} /GD) P ...... (10) \end{matrix}$
Die Federkennzahl c = D/d kann die Grundlage für die Auswahl der Größe der Federstruktur sein, um eine Feder auszulegen, die verschiedene Federaußendurchmesser, Federinnendurchmesser, Anzahl Wicklungen der Feder, Größe der Vorspannungskräfte oder einer maximal tolerierbare Druckspannung erfüllen. Der laterale Elastizitätskoeffizient, der durch G dargestellt ist, ist die Spannung, die für ein Material erforderlich ist, um eine Einheits-Scherverformung bzw. -spannung zu erzeugen, und ist ein konstanter Wert, der durch die Eigenschaften des Materials festgelegt ist. Die Verformung von Federn derselben Größe ist umgekehrt proportional zu dem G-Wert des Materials.
Die starken bzw. stabilen, die Außenseite ummantelnden Schraubenzugfedern, die gemeinsam das darin angeordnete Fasergitter mit der obigen Schraubendruckfeder schützen und den Lichtleiter aus den beiden Enden des Fasergitters heraus verbinden, begründen die Neuheit und auch die Erfinderische Tätigkeit. Was die Neuheit anbelangt, wird die anfängliche Spannung der Schraubenzugfedern dazu verwendet, um den darin angeordneten Lichtleiter zu schützen, und das Lichtleiter-Sensor-Federelement, das vollständig durch die Anordnung ummantelt ist, die von der Schraubendruckfeder und den Schraubenzugfedern ausgebildet wird, wird auf diese Weise ausgebildet.
Während des Herstellungsprozesses der vorstehend beschriebenen Schraubenzugfeder, während der Kaltumformung, wird eine einzigartige Vorspannung erzeugt, die zu der Vorspannung der Schraubendruckfeder verschieden ist. Bei der Berechnung der Schraubenzugfeder wirkt die Zugbelastung der Feder hauptsächlich auf die Achse der Schraubenwicklung ein. Somit sind die Grundgleichungen zur Berechnung der Belastungsauslenkung und der Belastungs-Spannungs-Abhängigkeit identisch zu denen der Schraubendruckfeder. Wenn auf die Schraubenzugfeder keine Last einwirkt, besteht normalerweise kein Spalt zwischen den Schraubenfedern und dann ist eine kompakte und spaltlose Feder ausgebildet. Nach der vorliegenden Erfindung wird eine solche feste Metall-Ummantelung, die flexibler und biegsamer als jeder Kunststoff ist, dazu verwendet, um den darin angeordneten Lichtleiter zu schützen. Die kompakte und spaltlose Zugfeder, die durch Kaltverformung ausgebildet ist, hat Federeigenschaften, die durch das Diagramm gemäß der 5 dargestellt sind, das die Beziehung zwischen der Belastung und Auslenkung zeigt. Bevor die Last P einen vorbestimmten Schwellenwert Po erreicht, wird die Zugfeder kaum verformt. Die aufgebrachte äußere Kraft wird durch das Gleichgewicht der restlichen Druckspannung aufgebraucht, die erzeugt wird, wenn die Schraubenfedern ausgebildet werden. Der vorbestimmte Schwellenwert Po wird als anfängliche Vorspannung bezeichnet. Nur dann, wenn die Belastung P größer als P₀ ist, kann dann eine zunehmende Veränderung der Auslenkung δ bewirkt werden. Vorzugsweise wird die Vorspannung der Stahldrähte anhand von experimentellen Werten ausgewählt, und zwar als einen Bereich, der durch ein Intervall zwischen den zwei Linien in dem Diagramm in der Fig. 6 für die Beziehung zwischen der anfänglichen Dehnung (strain) τ_ο und der Federkenngröße (c = D/d) angedeutet ist. Die anfängliche Zugspannung P₀ wird durch eine Gleichung berechnet: $P_{0} = (π d^{3} /8D) τ_{o}$
Wenn verschiedene Materialien auf Basis der Biegsamkeit oder anderer Eigenschaften ausgewählt werden, beispielsweise, wenn Drähte aus rostfreiem Stahl ausgewählt werden, ist die anfängliche Zugspannung bzw. Federkraft (tension) um 15% kleiner ist als die des Stahlmaterials in dem Diagramm und wird diese um 50% verringert, wenn aufgrund von Überlegungen zur elektrischen Leitfähigkeit Phosphorbronze-Drähte oder Messing-Materialien verwendet werden.
Nach der vorliegenden Erfindung wird die anfängliche Zugspannung bzw. Federkraft angewendet, um den darin angeordneten Lichtleiter gegen eine Zugbruchkraft aufgrund von äußeren Kräften zu schützen. Wenn ein Stahldrahtmaterial in eine feste bzw. kompakte Form gewickelt wird, kann sich der Draht nicht mehr frei drehen und wird dieser daher mit einem gewissen Maß an Verdrehung gebildet, um eine elastische Verformung in der axialen Richtung der Feder zu verhindern. Die Kraft, die bewirkt, dass die Drahtwicklungen bei Abwesenheit einer Belastung dicht beieinander angeordnet sind, wird als anfängliche Zug- bzw. Vorspannung bezeichnet. Die erfinderische Tätigkeit nach der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Lichtleiter-Sensorfeder auszubilden, die selbst bzw. automatisch vorgespannt und ummantelt und geschützt ist. Genauer gesagt werden unter Ausnützung der anfänglichen Zugspannung zu dem Lichtleiter, der mit dem FBG verbunden ist, kompakte und spaltlose zylindrische Schraubenzugfedern hinzugefügt, die hart wie Metall jedoch weitaus flexibler und biegsamer sind, so dass die automatisch verspannte bzw. vorgespannte und vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Sensorstruktur ausgebildet werden kann.
Ein FBG wird in einer Feder angeordnet, um ein Lichtleiter-Feder-Sensorelement auszubilden. Die Sensor-Feder-Vorrichtung mit dem integrierten FBG stellt ein wichtiges optoelektronisches Bauelement in der Wellenleiteroptik dar und kann in großem Umfang in Anwendungen der Lichtleiter- bzw. Glasfaser-Datenübertragung, von Meßvorrichtungs-Steuerungen, Verbindungsspannungs-Messungen und der Erfassung von physikalischen Daten eingesetzt werden. Solche Sensor-Bauelemente können als eine Grundzelleneinheit in der Forschung, Herstellung und Anwendung von intelligenten Strukturen dienen. Das SensorBauelement verfügt über die Vorteile eines kleinen Volumens, geringen Gewichts, einer hohen Materialfestigkeit, einer großen geometrischen Härte, von geringen optischen Energieverlusten, einer hohen Übertragungsgeschwindigkeit und hohen Bandbreite, und ist auch hochtemperaturstabil und beständig gegen elektromagnetische Störungen. Wenn dieses in einer hochradioaktiven Umgebung und umfangreich in rauen Umgebungen eingesetzt wird, sorgt die vorliegende Erfindung für stabile Eigenschaften und eine Haltbarkeit. Um weitere wichtige Vorteile zu bieten, kann nach der vorliegenden Erfindung ein einziger Lichtleiter, der einen einfachen Aufbau hat, gleichzeitig mit mehreren Messpunkten in Reihe verbunden sein, um physikalische Dehnungs- bzw. Verformungsgrößen genau zu messen. Im Vergleich zu gewissen herkömmlichen Lösungen mit komplizierter Dehnungs-Auslegung ist der Herstellung- und Installationsprozess nach der vorliegenden Erfindung eine enorm verbesserte Technologie zur Standardisierung von Bauelementen.
Figurenliste

1A ist eine Schnittansicht eines allgemein üblichen Einmoden-Lichtleiters;
1B zeigt das Entfernen eines äußeren Beschichtungskunstharzes von einem nicht ummantelten 125µm Lichtleiter als Vorbereitung für die Herstellung eines Fasergitters;
1C zeigt ein vollständiges Fasergitter, das aus einem nicht ummantelten 125µm Lichtleiter ohne einen äußeren Beschichtungskunstharz hergestellt ist;
1D zeigt ein Fasergitter mit einem Außendurchmesser von 250µm und hergestellt aus einem nicht ummantelten Lichtleiterbereich eines Fasergitters mit 125µm und einem erneut aufgebrachten äußeren Beschichtungskunstharz;
2 ist ein herkömmliches Lichtleitersensorelement, das an einer zu prüfenden Struktur befestigt ist;
3A ist eine Schnittansicht einer Federstruktur und eines Fasergitters, die noch nicht zusammengefügt sind;
3B ist eine Schnittansicht einer Lichtleiter-Sensor-Federstruktur;
3C ist eine Schnittansicht eines Lichtleiter-Sensorelements, das an einer zu prüfenden Struktur befestigt ist;
3D ist eine perspektivische Schnittansicht des Aufbaus einer Lichtleiter-Sensor-Federstruktur;
4 zeigt eine Beziehung zwischen einer Belastung und Verformung;
5 zeigt die Eigenschaft einer anfänglichen Zugspannung bzw. Federkraft in einem Diagramm für die Beziehung zwischen einer Belastung und Auslenkung;
6 zeigt einen Bereich, der durch ein Intervall zwischen den beiden Linien in einem Diagramm der Beziehung zwischen einer anfänglichen Zugspannung und einer Feder-Kennzahl dargestellt ist;
7 zeigt ein Diagramm einer ummantelten 0,9 mm Feder und eines wärmeschrumpfbaren Spleiß-Schützers eines verlängerten und gespleißten Lichtleiters mit 0,9 mm Kunststoffbeschichtung; und
8 ist eine schematische Darstellung einer temperaturkompensierten Lichtleiter-Sensorstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
Bei dieser Ausführungsform, wie in der 3C gezeigt, ist eine vorgespannte Lichtleiter-Sensorstruktur, beispielsweise die in der 3B gezeigte Struktur, an einer zu prüfenden Struktur installiert. Die vorliegende Erfindung stellt eine einstellbar vorgespannte Fasergitterstruktur bereit, die einen darin angeordneten Lichtleiter mittels einer vollständig ummantelnden Federlänge schützt und einen kommerziellen Standard mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm erfüllt. Ferner umfasst die vorgespannte Fasergitterstruktur eine Kompressions- bzw. Druckfeder 302, die als eine Ummantelung mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm verwendet wird und vorkomprimiert ist, um eine Spannungs-Dehnungs-Beziehung in einem linearen elastischen Bereich zu bilden. Die Schraubendruckfeder 302 mit einer vorbestimmten Messlänge wird komprimiert und dann an den beiden Ende von Befestigungs- und Verbindungsringen, welche den Lichtleiter und die Feder vorspannen, fixiert, d.h. an der Position des oberen Verbindungsrings 308 und an der Position des unteren Verbindungsrings 309. Wenn die beiden Verbindungsringe an einem nicht ummantelten Lichtleiter 201 fixiert sind, der nicht entlang der Achse der Schraubendruckfeder mit einem festen Intervall komprimiert ist, kann eine vorbestimmte Vorspannung nach dem Loslassen bzw. Entspannen der Schraubendruckfeder erhalten werden (die in entsprechender Weise ein FBG von verschiedenen Typen von herkömmlichen Sensorelement-Strukturen vorspannt). Bei der Auslegung von solchen Kompressionsfederkennlinien kann man die Anforderungen und die Berechnung der 2500µs Vorspannung erreichen, wenn man zugrunde legt, dass das Fasergitter um eine Wellenlängenverschiebung von 3 nm vorgespannt wird. Da der Querschnitt des Fasergitters vorgespannt ist, um eine Wellenlängenverschiebung von der Größe von 3 nm entsprechend den Daten eines hergestellten Fasergitters zu induzieren, muss eine Kraft von 80 Gramm je nm zum Vorspannen angelegt werden; die Kraft, die auf die Schraubendruckfeder aufgebracht werden muss, beträgt 240g (= 0,24 kg) und P = 0,24 kg. Die Auslenkung δ der Feder, die durch eine Last P auf der Achse der Feder verursacht wird, kann durch die Gleichung (8) berechnet werden. Bei dieser Ausführungsform wird angenommen, dass n = 50 Drahtwicklungen beträgt, d = 0,3 mm, D = 1 mm, P = 0,24 kg und G ein Edelstahl mit einem lateralen Elastizitätskoeffizienten von 7.5×10³kg/mm² ist. Aus Gleichung (8) erhält man, dass die Auslenkung δ der Feder, die durch die axiale Last P verursacht wird, δ = 1.5 mm beträgt. Das heißt, dass die Schraubendruckfeder um 1,5 mm zusammengedrückt wird, wobei zwei Dichtsitzringe an den Zugfedern nahe den beiden Enden der Schraubendruckfeder angeordnet sind und der darin angeordnete Lichtleiter mit einem Kunstharzkleber beaufschlagt wird, der anschließend aushärtet, um Verbindungsringe auszubilden und die komprimierte Schraubendruckfeder wird dann entspannt. Alternativ wird ein Metall gepresst, um die Verbindungsringe auszubilden, und dann befestigt, und die vorgespannte Schraubendruckfeder wird dann entspannt. So kann eine Kraft auf den darin vorgesehenen Lichtleiter aufgebracht werden, um die Wirkung einer Vorspannung um eine Wellenlängenverschiebung von 3nm zu erzeugen, um weiter eine Vorspannung bzw. Vordehnung von etwa -2500µs zu erhalten, um so einer maximal tolerierbaren Belastung bzw. Dehnung zu widerstehen, die von einer Vorrichtung auf die auf die zu prüfende Struktur aufgebracht wird. In dem Ausführungsbeispiel sind sowohl das FBG 203 als auch die Lichtleiter, die eng aus den beiden Enden des FBG 203 herausgeführt sind und auf der Außenseite mit einer nächsten Lichtleiter-Sensor-Federanordnung verbunden sind, von der biegsamen, den Lichtleiter ummantelnden Feder geschützt, weil außerhalb der Schraubendruckfeder 302 und der Zugfedern 301 und 303 ein hartes Gehäuse vorgesehen ist. Um einen Lichtleiter von dem Lichtleiter, der in der Feder angeordnet ist, zu verbinden, kann ein Schweißen oder können Lichtleiterverbinder verwendet werden. Somit kann sowohl mit der Schraubendruckfeder mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm, die um das FBG herum angeordnet ist, als auch mit den Zugfedern von 0.9mm, die nacheinander nahe an den beiden Enden der Schraubendruckfeder verbunden sind, eine Schutzfunktion für der Lichtleiter darin erzielt werden. Im Vergleich zu verschiedenen 0.9mm Polyethylen(PE)- oder Polyvinylchlorid(PVC)-Materialien oder anderen fein gewebten Materialien wird eine erfinderische Tätigkeit nach der vorliegenden Erfindung dadurch begründet, dass die Schraubendruckfeder und die Schraubenzugfedern, die nahe den beiden Enden der Schraubendruckfeder verbunden sind, eine bessere Biegsamkeit ermöglichen, wobei diese gleichzeitig auch härter sind. Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung dahingehend Vorteile, dass ein vereinfachter Herstellungsprozess zur Verfügung steht und die Kosten für die Lichtleiter-Sensorelemente durch einen einzigartigen vorspannenden Effekt möglich sind. Da das gesamte Element ein reduziertes Volumen hat und die vorgespannte Feder verwendet wird, um das Fasergitter zu ummanteln, kann der Gegenstand der vorliegenden Erfindung als automatisch vorgespannte und vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Sensorstruktur bezeichnet werden. Das gesamte Element, das als automatisch vorgespannte und vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Sensorstruktur bezeichnet wird, kann in verschiedenen Erfassungs- bzw. Detektionsgegebenheiten für spezielle und präzise Erfassungs- bzw. Detektionsanwendungen installiert werden.
Wenn die zylindrische Schraubendruckfeder als Feder für ein Präzisionsgerät verwendet wird, wird eine Feder benötigt, die eine Spannungs-Dehnungs-Beziehung hat, die in einem vollständig linearen Verhältnis vorliegt. Das heißt, dass eine Feder ausgewählt wird, die eine kleinere Anzahl von effektiven Wicklungen hat und weniger Veränderungen aufgrund von Lastwechseln zeigt. Zum Beispiel wird eine zylindrische Schraubenfeder mit einem rechteckigen Querschnitt ausgewählt. Eine Länge parallel zur Federachse einer solchen Feder beträgt mindestens 5/8 der Federsteigung. Alternativ wird der Sitz- bzw. Lagerring der zylindrischen Schraubenfeder mit einem kreisförmigen Querschnitt geschweißt, um nicht aktive Spulen in 360°-Kontaktebenen von aktiven Wicklungen zu verschieben. Das bedeutet, dass nach der vorliegenden Erfindung mit dem Verfahren zur Bildung von Verbindungsringen, welche den Lichtleiter, die Feder und den gehärteten Kunstharz-Klebstoff verwenden, oder durch Bildung einer Feder mit einem rechteckigen Querschnitt durch Schneiden von Wicklungskanälen aus einer Rohrfeder mittels einer Stahlmühle eine äußerst präzise Messstruktur mit einem ausgezeichneten elastischen Bereich bereitgestellt wird. Die Auswahl einer zylindrischen Schraubenfeder mit einem rechteckigen Querschnitt zur Herstellung der Lichtleiter-Sensorfeder gemäß der vorliegenden Erfindung stellt einen gebräuchlichen Lösungsansatz dar.
Bei der ersten Ausführungsform werden die beiden Enden der die Außenseite ummantelnden zylindrischen Schraubendruckfeder 302 auf der Außenseite bzw. extern mit den die Außenseite ummantelnden zylindrischen Schraubenzugfedern 301 und 303 verbunden.
Alternativ kann eine die Außenseite ummantelnde zylindrische Schraubendruckfeder mit einem Steigungswinkel kleiner als dem Steigungswinkel der Feder 302 eingesetzt werden. Weil das Fasergitter in ähnlicher Weise durch die Schraubendruckfeder vorgespannt wird, kann die automatisch bzw. selbst vorgespannte und vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Sensorstruktur ausgebildet werden.
Bei der ersten Ausführungsform können die die Außenseite ummantelnden zylindrischen Schraubenzugfedern 301 und 303, die an den beiden Enden der die Außenseite ummantelnden zylindrischen Schraubendruckfeder 302 verbunden sind, auch durch vollständig ummantelnde zylindrische Schraubendruckfedern mit einem Steigungswinkel der gleich dem Steigungswinkel der die Außenseite ummantelnden zylindrischen Schraubendruckfeder 302 ist, realisiert werden, um eine Lichtleiter-Sensorfeder auszubilden, die vollständig von einer zylindrischen Schraubendruckfeder-Struktur ummantelt ist. Die Wirkung der Schraubendruckfeder zum Erzielen des Effekts einer Vorspannung des Fasergitters wird aufrechterhalten und die den Lichtleiter und die Feder vorspannenden Befestigungs- und Verbindungsringe an den beiden Enden sind ausreichend, um den Lichtleiter und die Feder zuverlässig zu fixieren, um für einen Zustand mit zwei festen Lagerungs-Ringabschnitten zu sorgen, wodurch in ähnlicher Weise eine selbst bzw. automatisch vorgespannte und selbst ummantelte und geschützte Lichtleiter-Sensor-Federstruktur erzielt wird.
Ein 0,9 mm Lichtleiter, der in üblicher Weise mit einen Kunststoffbeschichtet ist, kann mit einem von einer Feder ummantelten Lichtleiter von 0,9 mm verschweißt und verbunden werden, um eine selbst bzw. automatisch vorgespannte und selbst ummantelte und geschützte Lichtleiter-Sensor-Federstruktur zu erzielen. Die 7 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Feder-Ummantelung von 0,9 mm und eines verlängerten und gespleißten 0,9mm Lichtleiters mit einem wärmeschrumpfbaren Spleiß-Schutz. In der 7 bezeichnet 701 nicht ummantelte Lichtleiter-Schweißbereiche von 125µm, wobei eine 250µm Kunstharzbeschichtung bereits von dem Lichtleiter entfernt wurde, bezeichnet 702 einen wärmeschrumpfbaren Spleiß-Schutz, bezeichnet 703 eine verstärkte Stahlstange in dem wärmeschrumpfbaren Spleiß-Schutz, bezeichnet 704 eine Kunststoffbeschichtungs-Ummantelung mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm, bezeichnet 705 eine ummantelnde Feder mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm, bezeichnet 706 einen Verbindungsring zum Fixieren und Verbinden eines Lichtleiter und einer Feder und bezeichnet 707 eine Kunstharzbeschichtungs-Schutzschicht von 250µm. Es ist aus der 7 ersichtlich, dass die 250µm Kunstharzbeschichtungs-Schutzschicht von jedem Schweißbereich der beiden Lichtleiter entfernt wurde und nur ein kleiner Abschnitt des nicht ummantelten Lichtleiters mit einem Außendurchmesser von 125µm vorhanden ist. Daher ist eine thermische Hülse mit einem größeren Querschnitt erforderlich, um den nicht ummantelten Lichtleiter zu umschließen, und die Verbindungsfestigkeit muss auch durch die Schutzstange 703 darin verstärkt werden.
Zweite Ausführungsform
Gemäß einer zweiten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung wird eine temperaturkompensierte Lichtleiter-Federstruktur bereitgestellt.
Wie zuvor beschrieben, werden die physikalischen Eigenschaften eines FBG durch Temperaturänderungen beeinflusst, um die Wellenlängendrift Δλ_B weiter zu beeinflussen. Die Wellenlängendrift, die durch die Temperatur hervorgerufen wird, wird oftmals durch Δλ_B dargestellt. Wenn das FBG als eine Art Sensoreinrichtung eingesetzt wird, werden mehrere Sensoreinrichtungen, die nahe beieinander angeordnet oder eng miteinander in Reihe verbunden sind, dazu verwendet, um Referenzwerte für die Wellenlängendrift Δλ_B zu erhalten, die durch die gleiche Temperaturänderung verursacht wird. Die Wellenlängendrift Δλ_B, die durch die gleiche Temperaturänderung in dem Bereich verursacht wird, wird dann abgezogen bzw. herausgerechnet, um die Funktion einer Temperaturkompensation und Korrektur durchzuführen. In der zweiten Ausführungsform ist eine temperaturkompensierte Lichtleitersensor-Federstruktur so beschaffen, wie in der 8 gezeigt. 801 bezeichnet einen Sensorfederträger-Niet. In der 8 sind die beiden Sätze von Lichtleiter-Sensorfedern, die nebeneinander angeordnet sind, durch Befestigen der Lichtleiter-Sensorfeder gemäß der 3 an der zu prüfenden Struktur 207 ausgebildet. Ein Hauptunterschied besteht darin, dass der untere Befestigungs- und Verbindungsring zum Verbinden von optischer Faser und Feder auf der rechten Seite der beiden Sätze von Lichtleiter-Sensorfedern weggelassen ist. Weil bei dieser Struktur der untere Befestigungs- und Verbindungsring zum Verbinden von optischer Faser und Feder auf der rechten Seite weggelassen ist, ist das Fasergitter auf der rechten Seite an einem Ende fixiert und erhält lediglich Temperaturspannungs-Effekte des Fasergitters, anstatt dass auch Spannungseffekte der Struktur oder der Feder aufgenommen werden. Somit kann eine derartige Struktur auf der zu prüfenden Struktur befestigt werden, um eine Temperaturkompensation durchzuführen. Diese von einer Feder ummantelte Fasergitterstruktur kann das Fasergitter schützen und kann mit anderen zylindrischen Federn mit dem gleichen Außendurchmesser in Reihe verbunden werden, um eine einheitlich ummantelte Struktur beizubehalten.
In der gesamten Offenbarung der vorliegenden Erfindung können verschiedene Einzelheiten und Bezugszeichen der Elemente, die in den Ausführungsformen verwendet wurden, als gleich oder äquivalent angesehen werden. Ferner sind die Zeichnungen einfach gehalten, um die Hauptmerkmale der Ausführungsformen zu veranschaulichen. Es sei angemerkt, dass die Figuren nicht alle Merkmale der Ausführungsbeispiele zeigen, und auch nicht relative Größen und relative Mengen der Elemente oder tatsächliche Maßstäbe zeigen. Stattdessen wurden die Figuren gezeichnet, um den grundlegenden Lösungsgedanken der Lichtleiter-Sensorfeder, der Elemente, welche die Lichtleiter-Sensorfeder ausbilden, und der Sensorstruktur-Anordnung vollständig darzustellen. Ein Fachmann auf dem Gebiet kann ohne weiteres die Lichtleiter-Sensorfeder nach verschiedenen Modifikationen realisieren, um äquivalente Funktionen ausüben. Zum Beispiel kann bei einer Ausführungsform eine zylindrische Schraubenfeder mit rechteckigem Querschnitt ausgewählt werden, und können zylindrische Schraubenfedern mit anderen Steigungswinkeln ausgewählt werden und in Reihe miteinander verbunden werden, um andersartige Kombinationsstrukturen auszubilden. Alternativ kann eine andere Feder-Kennzahl c gewählt werden; d.h. c = D/d. Ferner können nach anderen Modifikationen andere Kombinationen von Federn mit anderen Außendurchmessern und Drahtdurchmessern und eine Feinabstimmung der verschiedenen Herstellungsparameter, wie beispielsweise des lateralen Elastizitätskoeffizienten G des Stahlmaterials, vorgenommen werden, da solche Modifikationen im Rahmen des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können. So können Anwendungen der Lichtleiter-Sensorfeder vielseitiger und abwechslungsreicher werden.
Nach dieser Offenbarung ist eine vorgespannte Lichtleiter-Sensorfeder auf eine Sensoreinrichtung einer zu prüfenden Struktur montiert, und Strukturen, die von anderen zylindrischen Schraubenfedern mit anderen Steigungswinkeln gebildet werden, sind dargestellt, um die Sensorfeder-Dehnmessstreifen-Struktur nach der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen. Es sei angemerkt, dass die vorstehenden beispielhaften Einzelheiten und Ausführungsformen nicht als Beschränkungen nach der vorliegenden Erfindung auszulegen sind. In einer möglichen Realisierung können Modifikationen und Änderungen an diesen Ausführungsbeispielen nach der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden, ohne von dem allgemeinen Lösungsgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Ohne weitere Analyse der vorstehend genannten wichtigsten Konzepte der vorliegenden Erfindung, wie in dieser Anmeldung offenbart, kann eine gewisse Anzahl von Lichtleiter-Sensor-Federeinheiten zusammengesetzt und in Reihe oder parallel in verschiedenen zu prüfenden Strukturarrays miteinander verbunden werden, um auf diese Signalvernetzungs-Systeme aus Sicherheitsgründen auszugeben und auf diese zuzugreifen. Basierend auf dem aktuellen Wissen und der aktuellen Lehre sowie unter Einbeziehung von technischen Merkmalen nach dem Stand der Technik kann ein Fachmann ohne weiteres geeignete Modifikationen am Gegenstand nach der vorliegenden Erfindung für andere Anwendungen vornehmen oder andere Materialien beim Gegenstand nach der vorliegenden Erfindung einsetzen. Solche Abwandlungen und Modifikationen sollen vom Äquivalenzbereich und dem Schutzbereich der beigefügten Ansprüche mit umfasst sein.

Claims

Automatisch vorgespannte und vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Sensorstruktur, umfassend: einen Einmoden-Lichtleiter, der ein darin angeordnetes und sich in Längsrichtung erstreckendes Fasergitter aufweist; eine zylindrische Schraubenfeder, die eine feste Länge hat und den darin angeordneten Einmoden-Lichtleiter ummantelt und schützt, mit einer längeren zylindrischen Schraubenzugfeder (301), einer kürzeren zylindrischen Schraubendruckfeder (302) in Reihe mit der zylindrischen Schraubenzugfeder (301) und einer längeren zylindrischen Schraubenzugfeder (303) in Reihe mit der zylindrischen Schraubendruckfeder (302), wobei die kürzere zylindrische Schraubendruckfeder (302) zwischen den beiden längeren zylindrischen Schraubenzugfedern (301 und 303) angeordnet ist; einen vorspannenden, an einem vorderen Ende vorgesehenen Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder, der auf der Außenseite mit der Feder verbunden ist und auf der Innenseite mit dem Lichtleiter verbunden ist; und einen vorspannenden, an einem hinteren Ende vorgesehenen Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder, der auf der Außenseite mit der Feder verbunden ist und auf der Innenseite mit dem Lichtleiter verbunden ist; wobei die Lichtleiter-Sensorstruktur dadurch gekennzeichnet ist, dass eine vorbestimmte Messlänge zwischen dem vorspannenden, an dem vorderen Ende vorgesehenen Verbindungsring und dem vorspannenden, an dem hinteren Ende vorgesehenen Verbindungsring ausgebildet ist; wobei die Messlänge zunächst durch Fixieren der an dem vorderen und hinteren Ende vorgesehenen Verbindungsringe, wenn eine maximal zulässige Stauchung durch das Komprimieren der beiden Enden der zylindrischen Schraubendruckfeder (302), die das Fasergitter umgibt und schützt, bis zu dem vorbestimmten Fasergitter, das darin angeordnet ist, und durch die anschließende Freigabe der ausgeübten Kraft erhalten wird, und somit durch einen vorspannenden Effekt festgelegt ist, den man durch elastische Dehnung des Fasergitters innerhalb eines elastischen Bereichs erreicht; die zylindrischen Schraubenzugfedern (301 und 303), die sich ausgehend von den beiden Enden der zylindrischen Schraubendruckfeder (302) erstrecken, die das Fasergitter ummantelt und schützt und den gleichen Außendurchmesser hat, eine Schutzfunktion durch ein vollständig ummantelndes Federmaterial bereitstellen, um den darin angeordneten Lichtleiter zu schützen, um so die automatisch vorgespannte und vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Sensorstruktur auszubilden.
Lichtleiter-Sensorstruktur nach Anspruch 1, wobei der vorspannende, am vorderen Ende vorgesehene Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder und der vorspannende, am hinteren Ende vorgesehene Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder durch Druckbeaufschlagung oder Härten des gleichen Materials wie das Material der auf der Außenseite verbundenen Federn ausgebildet sind.
Lichtleiter-Sensorstruktur nach Anspruch 1, wobei der vorspannende, am vorderen Ende vorgesehene Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder und der vorspannende, am hinteren Ende vorgesehene Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder durch Klebstoffaushärtung eines Beschichtungsmaterials des auf der Innenseite verbundenen Lichtleiters ausgebildet sind.
Lichtleiter-Sensorstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zylindrischen Schraubenfedern eine Federstruktur mit einem kreisförmigen Querschnitt haben.
Lichtleiter-Sensorstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zylindrischen Schraubenfedern eine Federstruktur mit einem rechteckigen Querschnitt haben.
Lichtleiter-Sensorstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ummantelnden Federn mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm von außen angeschweißt sein können und mit einem mit einem Kunststoff ummantelten Lichtleiter mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm verbunden sein können, und zwar nach einem internen Spleißen mit herausgeführten Lichtleitern, um den auf der Innenseite gespleißten Lichtleiter durch Verwendung einer thermisch härtbaren Hülse darin zu schützen.
Automatisch vorgespannte und vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Sensorstruktur, umfassend: einen Einmoden-Lichtleiter, der ein darin angeordnetes und sich in Längsrichtung erstreckendes Fasergitter aufweist; eine zylindrische Schraubenfeder, die eine feste Länge hat und den darin angeordneten Einmoden-Lichtleiter ummantelt und schützt, mit einer zylindrischen Schraubenzugfeder (301), die einen kleineren Steigungswinkel hat, einer zylindrischen Schraubendruckfeder (302), die einen größeren Steigungswinkel hat und in Reihe mit der zylindrischen Schraubenzugfeder (301) verbunden ist, und einer zylindrischen Schraubenzugfeder (303), die einen kleineren Steigungswinkel hat und in Reihe mit der zylindrischen Schraubendruckfeder (302) verbunden ist, wobei die zylindrische Schraubendruckfeder (302) mit dem größeren Steigungswinkel zwischen den beiden zylindrischen Schraubenzugfedern (301 und 303) mit den kleineren Steigungswinkeln angeordnet ist; einen vorspannenden, an einem vorderen Ende vorgesehenen Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder, der auf der Außenseite mit der Feder verbunden ist und auf der Innenseite mit dem Lichtleiter verbunden ist; und einen vorspannenden, an einem hinteren Ende vorgesehenen Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder, der auf der Außenseite mit der Feder verbunden ist und auf der Innenseite mit dem Lichtleiter verbunden ist; wobei die Lichtleiter-Sensorstruktur dadurch gekennzeichnet ist, dass eine vorbestimmte Messlänge zwischen dem vorspannenden, an dem vorderen Ende vorgesehenen Verbindungsring und dem vorspannenden, an dem hinteren Ende vorgesehenen Verbindungsring ausgebildet ist; wobei die Messlänge zunächst durch Fixieren der an dem vorderen und hinteren Ende vorgesehenen Verbindungsringe, wenn eine maximal zulässige Stauchung durch das Komprimieren der beiden Enden der zylindrischen Schraubendruckfeder (302), die den größeren Steigungswinkel hat und das Fasergitter nicht nur umgibt sondern dieses auch schützt, bis zu dem vorbestimmten Fasergitter, das darin angeordnet ist, und durch die anschließende Freigabe der ausgeübten Kraft erhalten wird, und somit durch einen vorspannenden Effekt festgelegt ist, den man durch elastische Dehnung des Fasergitters innerhalb eines elastischen Bereichs erreicht; die zylindrischen Schraubenzugfedern (301 und 303), die sich ausgehend von den beiden Enden der zylindrischen Schraubendruckfeder (302) mit dem größeren Steigungswinkel erstrecken, die das Fasergitter ummantelt und schützt und den gleichen Außendurchmesser hat, eine Schutzfunktion durch ein vollständig ummantelndes Federmaterial bereitstellen, um den darin angeordneten Lichtleiter zu schützen, um so die automatisch vorgespannte und vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Sensorstruktur auszubilden.
Lichtleiter-Sensorstruktur nach Anspruch 7, wobei der vorspannende, am vorderen Ende vorgesehene Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder und der vorspannende, am hinteren Ende vorgesehene Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder durch Druckbeaufschlagung oder Härten des gleichen Materials wie das Material der auf der Außenseite verbundenen Federn ausgebildet sind.
Lichtleiter-Sensorstruktur nach Anspruch 7 oder 8, wobei der vorspannende, am vorderen Ende vorgesehene Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder und der vorspannende, am hinteren Ende vorgesehene Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder durch Klebstoffaushärtung eines Beschichtungsmaterials des auf der Innenseite verbundenen Lichtleiters ausgebildet sind.
Lichtleiter-Sensorstruktur nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die zylindrischen Schraubenfedern eine Federstruktur mit einem kreisförmigen Querschnitt haben.
Lichtleiter-Sensorstruktur nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die zylindrischen Schraubenfedern eine Federstruktur mit einem rechteckigen Querschnitt haben.
Lichtleiter-Sensorstruktur nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die ummantelnden Federn mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm von außen angeschweißt sein können und mit einem mit einem Kunststoff ummantelten Lichtleiter mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm verbunden sein können, und zwar nach einem internen Spleißen mit herausgeführten Lichtleitern, um den auf der Innenseite gespleißten Lichtleiter durch Verwendung einer thermisch härtbaren Hülse darin zu schützen.
Automatisch vorgespannte und vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Sensorstruktur, umfassend: einen Einmoden-Lichtleiter, der ein darin angeordnetes und sich in Längsrichtung erstreckendes Fasergitter aufweist; eine zylindrische Schraubendruckfeder (302), die eine feste Länge hat und den darin angeordneten Einmoden-Lichtleiter ummantelt und schützt; einen vorspannenden, an einem vorderen Ende vorgesehenen Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder, der auf der Außenseite mit der Feder verbunden ist auf der Innenseite mit dem Lichtleiter verbunden ist; und einen vorspannenden, an einem hinteren Ende vorgesehenen Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder, der auf der Außenseite mit der Feder verbunden ist und auf der Innenseite mit dem Lichtleiter verbunden ist; wobei die Lichtleiter-Sensorstruktur dadurch gekennzeichnet ist, dass eine vorbestimmte Messlänge zwischen dem vorspannenden, an dem vorderen Ende vorgesehenen Verbindungsring und dem vorspannenden, an dem hinteren Ende vorgesehenen Verbindungsring ausgebildet ist; wobei die Messlänge zunächst durch Fixieren der an dem vorderen und hinteren Ende vorgesehenen Verbindungsringe, wenn eine maximal zulässige Stauchung durch das Komprimieren der beiden Enden der zylindrischen Schraubendruckfeder (302), die das Fasergitter umgibt und schützt, bis zu dem vorbestimmten Fasergitter, das darin angeordnet ist, und durch das anschließende Freigeben oder Entspannen der ausgeübten Kraft erhalten wird, und somit durch einen vorspannenden Effekt festgelegt ist, den man durch elastische Dehnung des Fasergitters innerhalb eines elastischen Bereichs erreicht; die zylindrischen Schraubenzugfedern (301 und 303), die sich ausgehend von den beiden Enden der zylindrischen Schraubendruckfeder (302) erstrecken, die das Fasergitter ummantelt und schützt und den gleichen Außendurchmesser hat, eine Schutzfunktion durch ein vollständig ummantelndes Federmaterial bereitstellen, um den darin angeordneten Lichtleiter zu schützen, um so die automatisch vorgespannte und vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Sensorstruktur auszubilden.
Lichtleiter-Sensorstruktur nach Anspruch 13, wobei der vorspannende, am vorderen Ende vorgesehene Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder und der vorspannende, am hinteren Ende vorgesehene Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder durch Druckbeaufschlagung oder Härten des gleichen Materials wie das Material der auf der Außenseite verbundenen Federn ausgebildet sind.
Lichtleiter-Sensorstruktur nach Anspruch 13, wobei der vorspannende, am vorderen Ende vorgesehene Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder und der vorspannende, am hinteren Ende vorgesehene Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder durch Klebstoffaushärtung eines Beschichtungsmaterials des auf der Innenseite verbundenen Lichtleiters ausgebildet sind.
Lichtleiter-Sensorstruktur nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die zylindrische Schraubenfeder eine Federstruktur mit einem kreisförmigen Querschnitt ist.
Lichtleiter-Sensorstruktur nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die zylindrische Schraubenfeder eine Federstruktur mit einem rechteckigen Querschnitt ist.
Lichtleiter-Sensorstruktur nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die ummantelnden Federn mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm von außen angeschweißt sein können und mit einem mit einem Kunststoff ummantelten Lichtleiter mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm verbunden sein können, und zwar nach einem internen Spleißen mit herausgeführten Lichtleitern, um den auf der Innenseite gespleißten Lichtleiter durch Verwendung einer thermisch härtbaren Hülse darin zu schützen.
Vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Struktur, umfassend: einen Lichtleiter, der eine feste Länge hat; eine starke zylindrische Schraubenzugfeder, die eine feste Länge hat und den darin angeordneten Lichtleiter ummantelt und schützt; einen vorspannenden, an einem vorderen Ende vorgesehenen Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder, der auf der Außenseite mit der Feder verbunden ist auf der Innenseite mit dem Lichtleiter verbunden ist; und einen vorspannenden, an einem hinteren Ende vorgesehenen Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder, der auf der Außenseite mit der Feder verbunden ist und auf der Innenseite mit dem Lichtleiter mit der festen Länge verbunden ist; wobei die Lichtleiter-Sensorstruktur dadurch gekennzeichnet ist, dass eine vorbestimmte Ummantelung und Schutzfunktion gegen eine Gesamtzugkraft für den gesamten Abschnitt des Lichtleiterkabels ausgehend von dem am vorderen Ende vorgesehenen Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder bis zu dem am hinteren Ende vorgesehenen Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder ausgebildet ist; wobei die vorbestimmte Ummantelung und Schutzfunktion gegen eine Gesamtzugkraft sowohl durch den Betrag einer anfänglichen Vorspannung oder Dehnung der starken zylindrischen Schraubenzugfeder, die den darin angeordneten Lichtleiter ummantelt und schützt, als auch durch die Zugstärke des Lichtleiters ausgebildet ist, um den gesamten Abschnitt des darin angeordneten Lichtleiters zu schützen.
Lichtleiter-Struktur nach Anspruch 19, wobei der am vorderen Ende vorgesehene Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder und der am hinteren Ende vorgesehene Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder durch Druckbeaufschlagung oder Härten des gleichen Materials wie das Material der auf der Außenseite verbundenen Federn ausgebildet sind.
Lichtleiter-Struktur nach Anspruch 19, wobei der am vorderen Ende vorgesehene Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder und der am hinteren Ende vorgesehene Verbindungsring zum Verbinden des Lichtleiters und der Feder durch Klebstoffaushärtung eines Beschichtungsmaterials des auf der Innenseite verbundenen Lichtleiters ausgebildet sind.
Lichtleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei die zylindrischen Schraubenfedern eine Federstruktur mit einem kreisförmigen Querschnitt haben.
Lichtleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei die zylindrischen Schraubenfedern eine Federstruktur mit einem rechteckigen Querschnitt haben.
Lichtleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei die ummantelnden Federn mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm von außen angeschweißt sein können und mit einem mit einem Kunststoff ummantelten Lichtleiter mit einem Außendurchmesser von 0,9 mm verbunden sein können, und zwar nach einem internen Spleißen mit herausgeführten Lichtleitern, um den auf der Innenseite gespleißten Lichtleiter durch Verwendung einer thermisch härtbaren Hülse darin zu schützen.