DE10238991B4

DE10238991B4 - Faseroptischer Sensor

Info

Publication number: DE10238991B4
Application number: DE2002138991
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.-Ing. habil. Günther; Claus Dr.-Ing. Dittrich
Original assignee: GEMAC GES fur MIKROELEKTRONIK; Gemac-Gesellschaft fur Mikroelektronikanwendung Chemnitz Mbh; GUENTHER GmbH
Current assignee: GEMAC-GESELLSCHAFT FUER MIKROELEKTRONIKANWENDU, DE
Priority date: 2002-08-20
Filing date: 2002-08-20
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2022-08-21
Also published as: DE10238991A1

Abstract

Faseroptischer Sensor zum Messen von Verschiebungen an Bauteilen, bei dem Licht aus einer Sendefaser austritt und in Empfangsfasern eintritt, wobei die relative Lage der Sendefaser und der Empfangsfasern zueinander von der Verschiebung am Bauteil abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl mit nahezu Gauß-förmiger Intensitätverteilung am Ende einer Monomod-Faser aus einer geschliffenen Ferrule (18) innerhalb eines Grundkörpers (19) eines Sensorkopfes (3) austritt, der Sensorkopf (3) aus dem Grundkörper (19) besteht, der die Ferrule (18) am Ende der Monomod-Faser und die Ferrulen (18) der Empfangsfasern achsparallel senkrecht zur Deformationsrichtung positioniert und eine Bauteileverschiebung auf die Ferrulen (18) überträgt, der annähernd lineare Teil der Gauß-förmigen Intensitätverteilung den Arbeitsbereich des Sensors definiert, abhängig von der Verschiebung an dem Bauteil sich die Lage von Empfangsfasern mit ihren Ferrulen (18) innerhalb des Arbeitsbereiches ändert und aus den von den Empfangsfasern empfangenen Lichtintensitäten die Bauteileverschiebung ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor zum Messen von Verschiebungen an Bauteilen, bei denen Licht aus einer Sendefaser austritt und in Empfangsfasern eintritt, wobei die relative Lage der Sendefasern und der Empfangsfasern zueinander von der Verschiebung am Bauteil abhängt.

Aus der DE 4446760 C2 ist eine Vorrichtung zum Messen von Verformungen eines Gegenstandes mit einer Lichtaustrittsfläche und einer Lichtaufnahmefläche mit wenigstens zwei einander benachbarten und an je einen eigenen Eingang einer Auswerteeinheit anschließbaren Lichteintrittsflächen bekannt, wobei das von der Lichtaustrittsfläche abgestrahlte Licht von einem sammelnden optischen System auf die Lichtaufnahmefläche gebündelt wird und sich im Lichtweg zwischen Lichtaustrittsfläche und Lichtaufnahmefläche ein optisches Bauteil befindet, welches bei einer Verformung des Gegenstandes die Differenz der auf die Lichteintrittsflächen fallende Lichtmengen verändert.

Weiterhin sind zwei Schriften DE 201 10 825 U1 und DE 201 11 539 U1 bekannt, die ebenfalls die infolge Verschiebung eines oder mehrerer Sender-Lichtstrahlen auf einer Empfängermatrix entstehenden Lichtverteilungen erfassen und sie als Objektdehnungen auswerten.

In der DD 295235 A5 ist eine Anordnung zur faseroptischen Messung von Kräften, bestehend aus einem im Halteteil fest eingespannten Lichtwellenleiter, bekannt, welcher mit einem Sendebauelement gekoppelt ist und ein divergentes Sendestrahlungsbündel auf mindestens zwei gegenüber angeordneten Stirnflächen von empfängerseitigen Lichtwellenleitern, die mit Fotosensoren und über das Halteteil mit einem Gestell verbunden sind, abstrahlt, so dass die Auslenkung des Sendestrahlungsbündels durch Krafteinwirkung eine Veränderung des von den Fotosensoren registrierten Fotostromes bewirkt. Der senderseitige Lichtwellenleiter ist mit den mindestens zwei empfängerseitigen Lichtwellenleitern über ein elastisches Element, auf das die Krafteinwirkung erfolgt, verbunden.

Diese Lösungen sind verhältnismäßig störanfällig und weisen eine geringe Messgenauigkeit auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen faseroptischen Sensor zum Messen von Verschiebungen an Bauteilen, bei denen Licht aus einer Sendefaser austritt und in Empfangsfasern eintritt, wobei die relative Lage der Sendefaser und der Empfangsfasern zueinander von der Verschiebung am Bauteil abhängt, zu schaffen, der eine verbesserte Messgenauigkeit aufweist und wenigerstöranfällig ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Laserstrahl mit nahezu Gauß-förmiger Intensitätverteilung am Ende einer Monomod-Faser aus einer geschliffenen Ferrule innerhalb eines Grundkörpers eines Sensorkopfes austritt, der Sensorkopf aus dem Grundkörper besteht, der die Ferrule am Ende der Monomod-Faser und die Ferrulen der Empfangsfasern achsparallel senkrecht zur Deformationsrichtung positioniert und eine Bauteileverschiebung auf die Ferrulen überträgt, der annähernd lineare Teil der Gauß-förmigen Intensitätverteilung den Arbeitsbereich des Sensors definiert, abhängig von der Verschiebung an dem Bauteil sich die Lage von Empfangsfasern mit ihren Ferrulen innerhalb des Arbeitsbereiches ändert und aus den von den Empfangsfasern empfangenen Lichtintensitäten die Bauteileverschiebung ermittelt wird. Zweckmäßig ist es, dass der Grundkörper elastische Stege aufweist, mit einem elastischen Coatingüberzug versehen ist und eine trockene Schutzgasfüllung besitzt. Vorteilhaft ist es, dass die Auswerteeinheit neben der Laserdiode und den Fotodioden eine elektronische Auswertung enthält, die zur Auswertung nicht die absoluten Größen der Empfangsintensitäten, sondern deren Summen- und Differenzquotienten verwendet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die 1 zeigt eine Prinzipdarstellung des kompletten Deformationssensors, 2 verdeutlicht die optimale Intensitätsverteilung und den Arbeitsbereich und 3 erklärt die Arbeitsweise des Sensorkopfes. In 4 ist eine konstruktive Lösung des Sensorkopfes dargestellt.
In einer Auswerteeinheit 1 erzeugt eine Laserdiode 5 einen Lichtstrahl einer solchen Frequenz, dass sich dieses Licht in der angeschlossenen Sendefaser 2 monomodig ausbreitet und im Sensorkopf 3 am Ende 7 der Sendefaser 2 unabhängig von Faserlänge und Faserdeformationszustand mit einer stets gleich bleibenden Intensitätsverteilung austritt. Die ebenfalls im Sensorkopf 3 positionierten Enden 7 der Empfangsfasern 4 nehmen die jeweils auftreffenden Intensitätsanteile an Licht auf und leiten sie der Auswerteeinheit 1 zu, wo sie in Fotodioden 6 in elektrische Größen umgewandelt und dann als erfassbare Bauteilverschiebung 8 des Sensorkopfes ausgewertet werden können.
2 zeigt die im allgemeinen punktsymmetrische, Gauß-förmige Intensitätsverteilung 9 der Lichtstrahlen nach Austritt aus der Sendefaser als Schnitt. Ein angelegte Gerade 10 definiert einen optimalen Arbeitsbereich 11, innerhalb dessen die Änderung der Intensität angenähert linear verläuft. In diesem Arbeitsbereich 11 führt also eine Verschiebung der Empfangsfasern senkrecht zur optischen Achse zu einer nahezu proportionalen Änderung der aufgenommenen Lichtintensität.
In 3 sind die Verhältnisse innerhalb des Sensorkopfes dargestellt. Die aus der Sendefaser austretende Sendeintensität 12 breitet sich über den Abstand 15 zwischen den Enden von Sende- und Empfangsfasern linear aus und vergrößert sich entsprechend dem Abstrahlungswinkel 16 unter Beibehaltung ihrer Gauß-förmigen Verteilung 14. Die im Abstand 15 in Strahlungsrichtung positionierten Enden der Empfangsfasern nehmen nun jeweils in Abhängigkeit Ihres Standortes unterschiedlich große Empfangsintensitäten 13 auf, deren Auswertung Rückschlüsse über den Standort oder die Standortveränderung zulässt. Der Abstand 15 ist so zu wählen, dass sich beide Empfangsfasern unter Beachtung des geforderten Meßbereiches des Sensors noch im nahezu linearen Bereich der Gaußverteilung 14 befinden. Die Empfangsfasern haben dabei einen maximalen Kerndurchmesser, um möglichst viel Licht aufzunehmen und eine minimale Mantelstärke, um die Kernquerschnitte möglichst eng nebeneinander zu platzieren. Um Fehler verursachende Einflüsse, wie Schwankungen der Sendeintensität 12 oder unterschiedliche Dämpfungen in den einzelnen Fasern während der Lichtleitung oder Alterungseinflüsse auszugleichen, werden die Empfangsintensitäten 13 nicht direkt, sondern nur Ihre Summen- und Differenzquotienten ausgewertet.
Der in 4 dargestellte Sensorkopf beinhaltet das aus Sende- und Empfangsfasern bestehende Faserbündel 17. Die Sendefaser und beide Empfangsfasern enden jeweils in geschliffenen Ferrulen 18, die die definierte Aufnahme in einer durchgehenden Bohrung im Grundkörper 19 ermöglichen. Elastische Stege 20 in der Gestaltung des Grundkörpers 19 ermöglichen die leichte Verschiebung der Faserenden mit der Bauteildeformation, die über die äußeren Konturen des Grundkörpers aufgenommen wird. Der Abstand dieser äußeren Konturen des Grundkörpers 19 in Deformationsrichtung 23 ist so zu wählen, dass auch bei maximaler Deformation der annähernd lineare Arbeitsbereich gemäß 2 eingehalten wird. Ein elastischer Coatingüberzug 21 ermöglicht die Verschiebung der Faserenden und schützt den Bereich des optischen Strahlenganges, der außerdem mit einem trockenen optisch neutralen Schutzgas gefüllt ist. Der Sensorkopf kann entweder direkt in das zu messende Bauteil einlaminiert werden oder ist in einen Kunstharzkörper 22 aus dem gleichem Material wie das zu messende Bauteil eingegossen, der auf das Bauteil aufgeklebt wird.

1: Auswerteeinheit
2: Sendefaser
3: Sensorkopf
4: Empfangsfasern
5: Laserdiode
6: Fotodioden
7: Enden von Sende- und Empfangsfasern
8: erfassbare Bauteilverschiebung
9: Gaußkurve der Intensitätsverteilung der Sendefaser
10: Gerade
11: optischer Arbeitsbereich
12: Sendeintensität
13: Empfangsintensitäten
14: Gauß-förmige Verteilung
15: Abstand
16: Abstrahlungswinkel
17: Faserbündel
18: Ferrulen
19: Grundkörper
20: elastischer Steg
21: Coatingüberzug
22: Kunstharzkörper
23: Deformationsrichtung

Claims

Faseroptischer Sensor zum Messen von Verschiebungen an Bauteilen, bei dem Licht aus einer Sendefaser austritt und in Empfangsfasern eintritt, wobei die relative Lage der Sendefaser und der Empfangsfasern zueinander von der Verschiebung am Bauteil abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl mit nahezu Gauß-förmiger Intensitätverteilung am Ende einer Monomod-Faser aus einer geschliffenen Ferrule (18) innerhalb eines Grundkörpers (19) eines Sensorkopfes (3) austritt, der Sensorkopf (3) aus dem Grundkörper (19) besteht, der die Ferrule (18) am Ende der Monomod-Faser und die Ferrulen (18) der Empfangsfasern achsparallel senkrecht zur Deformationsrichtung positioniert und eine Bauteileverschiebung auf die Ferrulen (18) überträgt, der annähernd lineare Teil der Gauß-förmigen Intensitätverteilung den Arbeitsbereich des Sensors definiert, abhängig von der Verschiebung an dem Bauteil sich die Lage von Empfangsfasern mit ihren Ferrulen (18) innerhalb des Arbeitsbereiches ändert und aus den von den Empfangsfasern empfangenen Lichtintensitäten die Bauteileverschiebung ermittelt wird.
Faseroptischer Sensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (19) elastische Stege (20) aufweist, mit einem elastischen Coatingüberzug (21) versehen ist und eine trockene Schutzgasfüllung besitzt.
Faseroptischer Sensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (1) neben der Laserdiode (5) und den Fotodioden (6) eine elektronische Auswertung enthält, die zur Auswertung nicht die absoluten Größen der Empfangsintensitäten (13), sondern deren Summen- und Differenzquotienten verwendet.