DE10360389A1

DE10360389A1 - Durchbiegungssensor

Info

Publication number: DE10360389A1
Application number: DE10360389A
Authority: DE
Inventors: Brian Cheshire Kilmartin
Original assignee: Siemens VDO Automotive Corp
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 2003-01-08
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2004-07-22
Also published as: JP2004233345A; FR2849694A1; FR2849694B1; US20040129868A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmomentsensoreinrichtung und ein Verfahren unter Verwendung von Schwankungen in der Mikrostruktur eines an der Oberfläche eines tragenden Glieds befestigten Lichtwellenleiters, um die auf das tragende Glied ausgeübte biegende Kraft zu messen. Ein sich durch den Lichtwellenleiter ausbreitendes Signal wird durch Kräfte modifiziert, die auf das tragende Glied und auf den Lichtwellenleiter wirken. Induzierte Änderungen beim Brechungsindex und Veränderungen am Wert des kritischen Biegeradius des Lichtwellenleiters führen zur Modulation des übertragenen Signals.

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Durchbiegungserfassungseinrichtungen, die eine einem tragenden Element vermittelte Durchbiegung messen, und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zum Messen einer auf ein tragendes Element ausgeübten durchbiegenden Kraft unter Verwendung eines Lichtwellenleiter-Erfassungselements.
Allgemeiner Stand der Technik
Eine übliche Anwendung für Halbleitersensoren besteht in der Umsetzung mechanischer Eigenschaften wie etwa Beanspruchungen und Dehnungen in elektrische Signale. Dehnungsmesser untersuchen in der Regel das Biegen und Verdrehen eines Substrats, indem sie mit der Verformung eines stimulierten piezoresistiven Erfassungselements verbundene elektrische Änderungen wie etwa Strom- oder Spannungspegel quantifizieren. Mit derartigen Sensoren durchgeführte Messungen können Verhaltenseigenschaften zum Zweck der Untersuchung oder um eine Rückkopplung in Regelkreissystemen zu erhalten, überwacht und aufgezeichnet werden. Wie bei vielen elektrischen Signalen mit einem kleinen Pegel können elektromagnetische Streufelder (d.h. elektromagnetische Interferenz oder elektrisches Rauschen) „festverdrahtete" Halbleitersensoren stören und somit verfälschen, wodurch ihre Messungen doppeldeutig werden. Die meisten Verfahren, damit Erfassungssysteme für Umgebungsrauschen undurchlässiger werden, konzentrieren sich in der Regel auf Abschirmungs- und Erdungspraktiken besonders in dem Kommunikationskanal, in dem das Signal vom Erfassungselement zum Empfänger übertragen wird. Es kann am schwierigsten sein, das am Erfassungselement selbst anstatt am Kommunikationskanal eintretende Rauschen von den gesuchten Informationen zu unterscheiden und zu eliminieren, da durch eine frühe Verstärkung (hinter dem Erfassungselement) das Signal-Rausch-Verhältnis nicht verbessert wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dementsprechend darin, mindestens einen der obigen Nachteile zu überwinden und zu lindern.
Kurze Darstellung der Erfindung:
Der hier beschriebene Durchbiegungssensor mißt durch eine durchbiegende Kraft vermittelte Beanspruchung in einer Probe durch Überlagern entsprechender Änderungen auf den Brechungsindex einer optischen Faser unter gleichzeitiger Ausnutzung von Aspekten der Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischer Störung, von denen das Fachgebiet der Faseroptik allgemein profitiert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines photonischen Drehmomentsensors, der in einer Probe eine durch ein Drehmoment vermittelte Beanspruchung mißt durch Überlagern entsprechender Änderungen beim Brechungsindex einer optischen Faser unter gleichzeitiger Ausnutzung von Aspekten der Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischer Störung, von denen das Fachgebiet der Faseroptik allgemein profitiert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines alternativen Ansatzes für das Erfassen von Beanspruchung und Dehnung in einem mechanischen System auf der Basis der gut etablierten Störfestigkeit von faseroptischen Kommunikationskanälen gegenüber elektromagnetischen Störungen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines optischen Kommunikationskanals für sichtbare und unsichtbare Frequenzen, der gegenüber äußeren elektromagnetischen Feldern, die ansonsten Rauschen in das System einkoppeln würden, immun ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, dafür zu sorgen, daß ein verbessertes Beanspruchungsmeßverfahren auf der Basis der Verformung eines an der tragenden Probe befestigten Lichtwellenleiters entwickelt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Vorrichtung zum Erfassen einer Durchbiegung in einem Strukturelement folgendes auf: ein Strukturelement, einen am Strukturelement in einer festen relativen Position befestigten Wellenleiter, eine in Kommunikation mit dem Wellenleiter stehende Sender- und Empfangsvorrichtung zum Erfassen eines dorthindurch übertragenen Signals und eine Erfassungsvorrichtung zum Korrelieren eines erfaßten modulierten Signals mit einer Durchbiegung des Strukturelements.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt eine photonische Drehmomentsensorvorrichtung, die ein auf ein tragendes Element in einem Fahrzeug ausgeübtes Drehmoment erfaßt: einen am tragenden Element befestigten Wellenleiter, wobei eine Verformung des Lichtwellenleiters das auf das tragende Element ausgeübte Drehmoment mißt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Erfassen der Durchbiegung eines Strukturelements: Befestigen eines Wellenleiters in einer relativen Position an einem Strukturelement, Übertragen eines Signals durch den Wellenleiter und Korrelieren von Differenzen im Signal mit einer Durchbiegung des Strukturglieds.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Herstellen eines gegenüber Rauschen immunen Erfassungselements: Ausbilden eines Wellenleiters und Befestigen des Wellenleiters an ein tragendes Element.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Perspektivansicht eines faseroptischen Erfassungselements, das an einem unter einer Biegemomentkraft stehenden tragenden Element befestigt ist.
1a ist eine Seitenansicht eines Wellenleiters, der an einem unter einer Zug- oder Druckkraft stehenden tragenden Element befestigt ist.
2 ist eine Stirnansicht auf ein faseroptisches Erfassungselement, das an ein tragendes Element geklebt ist.
3 ist eine Perspektivansicht eines faseroptischen Kabels, das an einer mit einem Drehmoment belasteten Welle befestigt ist.
4 ist eine Perspektivansicht einer faseroptischen Muffe, die an einer mit einem Drehmoment belasteten Welle befestigt ist.
5 ist eine grafische Darstellung, die Lichtwellenfronten an der Grenzfläche zwischen zwei Materialien mit verschiedenen Brechungsindizes zeigt.
6 ist eine Querschnittsansicht eines gebogenen faseroptischen Kabels.
7 ist eine Perspektivansicht, die das Mantelmaterial und das Kernmaterial des faseroptischen Kabels zeigt.
8a ist eine Seitenansicht eines an einem tragenden Element durch mechanische Befestigungsmittel befestigten Wellenleiters.
8b ist eine Seitenansicht eines durch Einbettungstechniken an einem tragenden Element befestigten Wellenleiters.
8c ist eine Seitenansicht eines über Abstandshalter an einem tragenden Element befestigten Wellenleiters.
9 ist eine Perspektivansicht von an einer mit einem Drehmoment belasteten Welle befestigten mehreren schraubenförmigen faseroptischen Kabeln.
Ausführliche Beschreibung
Wie in 1 gezeigt, weisen die Grundkonfiguration der Beanspruchungsmeßvorrichtung 100 und das Verfahren einen an einer Kante zum tragenden Glied 120 befestigten Lichtwellenleiter 110 auf. Der Lichtwellenleiter 110 überträgt Ultraviolett-, Infrarot- und Ferninfrarotfrequenzen. Andere Fachleute können einen Wellenleiter verwenden, der sowohl sichtbare als auch unsichtbare Frequenzbereiche oder elektromagnetische Strahlungswellen überträgt.
Das tragende Glied 120 kann wie in 1 gezeigt ein Balken oder wie in 3 gezeigt eine mit einem Drehmoment belastete Welle 130 sein und weist einen von einer ausgeübten Kraft herrührenden gewissen Verformungsgrad auf. 1 zeigt das tragende Element, das eine durchbiegende Biegemomentkraft erfährt. 1a zeigt das tragende Element, das eine durchbiegende Zug- oder Druckkraft erfährt. 3, die bevorzugte Ausführungsform, zeigt die mit einem Drehmoment belastete Welle 130, die eine von einem Drehmoment angetriebene durchbiegende Kraft erfährt. Bei dem Lichtwellenleiter 110 kann es sich um ein faseroptisches Kabel 140 handeln, wie in 3 dargestellt. 3 stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, die eine Geometrie verwendet, die die Menge des an der Oberfläche der mit einem Drehmoment belasteten Welle 130 befestigten faseroptischen Kabels 140 vergrößert und das faseroptische Kabel 140 auf den Hauptbeanspruchungsvektor der mit einem Drehmoment belasteten Welle 130 ausrichtet. Indem die mit einem Drehmoment belastete Welle 130 mit dem schraubenförmig um ihren Außendurchmesser gewickelten faseroptischen Kabel 140 verwendet wird, wird eine Kraft in Form eines Drehmoments ausgeübt, das dahingehend wirkt, die mit einem Drehmoment belastete Welle 130 zu verwinden. Die mit einem Drehmoment belastete Welle 130, auf die ein Drehmoment ausgeübt wird, weist auf ihrer Oberfläche schraubenförmige Hauptdruck- und -zugbeanspruchungen proportional zur Größe des Drehmoments auf.
Die mit einem Drehmoment belastete Welle 130 erfordert eine Zusammensetzung aus einem nachgiebigen Material (d.h. Aluminium) aus Steifigkeitsgründen sowie einer Durchmesserspezifikation, so daß ein kleinerer Außendurchmesser einen Lichtwellenleiter 110 mit größerer Vorbelastung erleichtert. Die Vorbelastung bezieht sich auf einen Anfangszustand, in dem der Lichtwellenleiter 110 bereits unter einer Belastung steht. Das Design der mit einem Drehmoment belasteten Welle weist über den Drehmomentbereich einen Verwindungsgrad auf. Die mit einem Drehmoment belastete Welle 130 weist eine Zylinderform auf.
4 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der eine Belastungsmeßvorrichtung 100 eine faseroptische Muffe 150 als Lichtwellenleiter 110 verwendet. Die faseroptische Muffe 150 ist vom Charakter her koaxial zu einem hohlen Inneren, wodurch die mit einem Drehmoment belastete Welle 130 auf der konzentrischen Mittellinie positioniert werden kann. Dieser Ansatz fördert eine sich frei drehende Schwankung der Belastungsmeßvorrichtung 100, indem sie das Einkoppeln und das Sammeln des optischen Signals durch kontaktlose Mittel erleichtert. Verschiedene physikalische Ausführungsformen sind möglich, einschließlich direkter Abscheidung des optischen Materials auf der darunterliegenden, mit einem Drehmoment belasteten Welle 130 oder Befestigungsmechanismen wie etwa das Aufziehen einer Muffe aus optischem Material auf die mit einem Drehmoment belastete Welle 130 oder das Befestigen einer optischen Muffe 150 an der mit einem Drehmoment belasteten Welle 130 durch den Einsatz von Klebern.
Die Hauptdruck- und -zugbelastungen, die sich entlang der beiden entgegengesetzt spiralförmig verlaufenden zueinander orthogonalen 45°-Schraubenlinien entwickeln, werden definiert durch die folgende Gleichung: τ = Tr/Jwobei T das auf die Welle 130 ausgeübte Drehmoment, r der Wellenradius und J das polare Trägheitsmoment ist. Wenn bei einer massiven zylindrischen Welle πr⁴/32 = J und r = d/2 ist, erhält man: τ = 16T/πd3
Zudem ist der Verdrehungsgrad, den die Welle 130 bei einem gegebenen Drehmoment erfährt, gegeben durch: θ = 32 (LT) / (πd4G)wobei L die Länge der Welle 130, T das ausgeübte Drehmoment, d der Durchmesser der Welle 130 und G das Steifigkeitsmodul der Welle 130 ist. Das Steifigkeitsmodul definiert das Elastizitätsniveau des Wellenmaterials, weshalb sich ein niedrigerer G-Wert in einer Welle manifestieren würde, die bei einem beliebigen gegebenen ausgeübten Drehmoment einen höheren Verdrehungsgrad aufweist.
Das faseroptische Kabel 140 kann tatsächlich in einer relativen Position zu der Welle 130 befestigt sein, damit Belastungen auf vorhersagbare Weise von der Welle 130 zum faseroptischen Kabelmantel 160 übertragen werden, der sich auf die Außenfläche (in 7 gezeigt) des faseroptischen Kabels 140 bezieht. Analog ändert sich der Brechungsindex des Mantelmaterials 160 des faseroptischen Kabels 140, wenn durch ein Drehmoment auferlegte Belastungen seine Mikrostruktur verändern. Das unmodulierte Übertragungssignal 170 (d.h. kein Drehmomentsignal liegt an), bevorzugt ein Photonenwellenträger, breitet sich gemäß dem Snelliusschen Brechungsgesetz entlang dem faseroptischen Kabel 140 aus. Andere Fachleute können je nach dem verwendeten spezifischen Lichtwellenleiter 110 wählen, elektromagnetische Strahlungssignale zu übertragen. Das Snelliussche Brechungsgesetz beschreibt die Beugung von Licht, die auftritt, wenn Licht die Grenzfläche zweier verschiedener Materialien überschreitet. Unter Bezugnahme auf 5 steht der Winkel, unter dem Licht beim Überschreiten der Grenzfläche zwischen zwei derartigen Materialien gebrochen wird (d.h. von einem geraden Weg weg gebeugt wird), zu dem Brechungsindex jedes Materials und dem Winkel des einfallenden Lichts bezüglich einer Senkrechten zur Grenzfläche in Beziehung, und zwar gemäß der folgenden Beziehung: n1sin⌀1 = n2sin⌀2
Der Brechungsindex n eines gegebenen Materials ist definiert als das Verhältnis der Geschwindigkeit v, mit der sich Licht durch dieses Material ausbreitet, und der Geschwindigkeit C, mit der sich Licht durch ein Vakuum ausbreitet. n = c/v
Somit gilt für ein Vakuum v = c und n = 1. Bei einem beliebigen anderen Medium außer einem Vakuum gilt v < c und n > 1. Umgekehrt ausgedrückt ist die Lichtgeschwindigkeit bei weniger dichten Materialien größer, was sich in niedrigeren n-Werten manifestiert. Wenn Licht langsamer wird, legt es in einem gegebenen Zeitraum eine geringere Entfernung zurück, wobei n1 < n2 und Entfernung b < a. Die Entfernungen a und b, die das Licht in einem gegebenen Zeitraum t zurücklegt, kann hinsichtlich der Lichtgeschwindigkeit beschrieben werden als:
a = v₁t und b = v₂t oder nach der Umordnung von Variablen
v₁ = a/t und v₂ = b/t.
Da nach Definition n₁ = c/v₁ und n₂ = c/v₂ können nach einer Substitution n₁ und n₂ umgeschrieben werden als:
n₁ = c/[a/t] und n₂ = c/[b/t].
Wenn in jeder Gleichung nach a und b hin aufgelöst wird, erhält man:
a = ct/n₁ und b = ct/n₂.
Aus dem rechtwinkligen Dreieck 180 von 5 mit einer Hypotenuse mit der Länge h und einer Seite mit einer Länge a ist gemäß der Trigonometrie ersichtlich, daß: a = hsin⌀1 oder h = a/(sin⌀1).
Im anderen Medium teilt sich das rechtwinklige Dreieck 180 mit einer Seite der Länge b die Hypotenuse mit dem obenerörterten rechtwinkligen Dreieck und wird beschrieben durch: b = hsin⌀2 h = b/(sin⌀2).
Nach Verknüpfung der vorausgegangenen Gleichungen nach h erhält man: h = a/(sin⌀1) = b/(sin⌀2)oder asin⌀2 = bsin⌀1.
Das Substituieren der Lösungen nach a und b in die vorausgegangene Gleichung liefert schließlich die Form: [ct/n1]sin⌀2 = [ct/n2]sin⌀1.
Indem sich Terme aufheben, die beide Seiten gemeinsam haben, wird die Gleichung vereinfacht zu: [1/n1]sin⌀2 = [1/n2]sin⌀1 oder n1sin⌀1 = n2sin⌀2 was die übliche Form des Snelliusschen Brechungsgesetzes ist.
Unter bezug auf 6 ist bei der Sensorvorrichtung 100 die Lichtgeschwindigkeit im Kern 190 des faseroptischen Kabels, der inneren Oberfläche des faseroptischen Kabels 140, geringer als im Mantel 160, der äußeren Oberfläche des faseroptischen Kabels 140, und das Verhältnis zwischen den beiden Brechungsindizes ist derart, daß das Licht intern total gebrochen wird.
Es sei weiterhin angemerkt, daß die Frequenz f_c von Licht in einem Vakuum durch die Beziehung f_c = c/λ zu seiner Wellenlänge λ in Beziehung steht.
Die Konstante c ist die Lichtgeschwindigkeit im freien Raum (d.h. einem Vakuum). Für sich ausbreitende Wellen beträgt die Wellenlänge allgemein: λ = v/fc oder v = fcλ.
Dies zeigt, daß die Lichtgeschwindigkeit v direkt proportional zu ihrer Wellenlänge bei einer festen Frequenz ist. Im Hinblick auf den Brechungsindex wird die Gleichung für n unter Berücksichtigung einer gegebenen Frequenz des Lichts im freien Raum und in einem anderen Medium zu: n = c/v = (fcλc)/(fcλv) = λc/λv oder n = λc/λv.
Eine Lichtwelle mit der Frequenz f_c, die sich mit einer Geschwindigkeit c im freien Raum ausbreitet, was eine Wellenlänge λ_c ergibt, wird mit einer Lichtwelle ebenfalls der Frequenz f_c verglichen, die sich durch ein anderes Medium als den freien Raum mit einer Geschwindigkeit v ausbreitet, was eine Wellenlänge λ_c ergibt, wodurch man das Verhältnis n erhält. Wenn die Lichtwelle das Vakuum verläßt und in das dichtere Medium eintritt, nimmt ihre Geschwindigkeit ab, während ihre Wellenlänge zunimmt, wodurch ihre Frequenz unverändert bei f_c bleibt. Schließlich wird durch Verknüpfen von n = c/v mit n = λ_c/λ_v die folgende Beziehung hergestellt: c/v = λc/λv oder v = (λv/λc)c.
Wenn sich das Übertragungssignal 170 durch ein Medium wie etwa ein faseroptisches Kabel 140 ausbreitet, steht seine Geschwindigkeit in direkter Beziehung zu der Wellenlänge des Übertragungssignals 170. Genauer gesagt: je länger die Wellenlänge des Lichts, um so schneller breitet es sich aus. Die Gleichung für das Übertragungsmaß β zeigt außerdem eine Abnahme der Laufzeit mit zunehmender Wellenlänge: β = 2πn(λ)/λ
Der Brechungsindex wird präziser als eine Funktion der Wellenlänge des sich ausbreitenden Lichts spezifiziert.
Das Licht mit der größeren Wellenlänge breitet sich deshalb schneller aus als Licht mit einer kürzeren Wellenlänge, weshalb, wenn ein Lichtspektrum in ein Medium eingekoppelt wird, die längere Wellenlänge den Empfänger 300, bevorzugt einen Fotoempfänger, zuerst erreicht.
Unter Bezugnahme auf 7 basiert der Brechungsindex eines Materials auf seiner Mikrostruktur, weshalb sich auf den Brechungsindex etwaige Mikrostrukturänderungen auswirken, die von extern auferlegten Einflüssen herrühren, wie etwa einer durch Drehmoment induzierten Beanspruchung, die die Dichte des Mantelmaterials 160 und/oder des Kerns 190 beeinflußt. Im Falle eines faseroptischen Kabels 140 erzeugt die Änderung des Brechungsindexes des Mantelmaterials 160 als Reaktion auf einen externen physikalischen Parameter eine Modulation in Form einer Dämpfung, verlorener Moden, Spektralaufspreizung oder chromatischer Dispersion (oder eine Kombination aller Zustände). Wenn der Brechungswinkel durch die Brechungsindexschwankungen, die durch die Drehmoment bezogene Beanspruchung verursacht werden, ausreichend genug geändert wird, zeigt das modulierte Signal 200 oder das aus dem Faserkabel 140 austretende modulierte Licht daher eine meßbare Änderung und das faseroptische Kabel 140 wirkt wie ein Erfassungselement.
Wenn das Kabel gebogen wird, beeinflußt dies die beanspruchungsbezogenen Änderungen der Mikrostruktur des faseroptischen Kabels 140 und nachfolgende Änderungen seines Brechungsindexes. Durch Makrobiegung wird die Mikrostruktur Beanspruchungen ausgesetzt, die analog zu denen sind, die während der Drehmomenterfassungsanwendung in sie übertragen werden. Außerdem wird Makrobiegung dazu verwendet, das Kabel 140 in seinem Ruhezustand (ohne ausgeübtes Drehmoment) vorzuspannen, damit der Einfluß eines ausgeübten Drehmoments unmittelbarer und substantieller wird. Das Vorspannen bringt das Kabel 140 systematisch zu einem Schwellwertpunkt, bei dem sich zusätzliche Beanspruchungen signifikant auf die Übertragung des optischen Trägers auswirken. Der Mindestkrümmungsradius, der Mindestbiegeradius oder der kritische Biegeradius spezifiziert das zulässige Ausmaß des Biegens, ehe das Ausgangssignal sich derart verschlechtert, daß die Anzahl der sich ausbreitenden Moden um 50% abfällt. Wie weiter oben erläutert, breitet sich das Licht mit verschiedenen Frequenzen mit verschiedenen Geschwindigkeiten aus, wird unterschiedlich gebrochen und folgt daher bei seiner Ausbreitung entlang des faseroptischen Kabels 140 verschiedenen Wegen. Diese Wege werden als Moden bezeichnet und sind gekennzeichnet durch die Frequenz des Lichts, das sie führen. Optische Einmodenkabel können nur eine Mode führen. Mehrmodenkabel führen mehr als eine Mode. Alle für die vorliegende Erfindung verwendeten faseroptischen Kabel 140 sind vom Mehrmodentyp.
Unter Bezugnahme auf 6 breitet das Übertragungssignal 170 normalerweise Licht durch ein faseroptisches Kabel 140 aus, weil der Brechungswinkel an der Grenzfläche zwischen dem Kern 190 und dem Mantelmaterial 160 derart ist, daß alles in ein Ende des faseroptischen Kabels 140 unter dem richtigen Winkel eingekoppelte Licht intern entlang dem Kern 190 zurückgebrochen wird. Dies wird als der Grenzwinkel bezeichnet und erzeugt innerhalb des faseroptischen Kabels 140 einen als totale interne Brechung bezeichneten Zustand. Es kommt zu Strahlungsverlusten, wenn Licht aus dem Zustand der totalen internen Brechung entweicht. Licht, das unter einem Winkel auf die Grenzfläche zwischen dem Kernmaterial 190 und dem Mantelmaterial 160 auftrifft, der größer ist als der Grenzwinkel, wird aus dem Kern 190 heraus und in den Mantel 160 gebrochen, wo es schließlich gestreut wird.
Der kritische Biegeradius ist gegeben durch: Rc ≈ 3n1 2λ/[4π(n1 2 –n2 2)3/2]
Man beachte, daß der kritische Biegeradius eine Funktion des Brechungsindexes sowohl des Mantelmaterials 160 als auch des Kernmaterials 190 ist. Er wird außerdem durch die Wellenlänge des sich ausbreitenden Übertragungssignals 170 beeinflußt, obwohl dieser Parameter durch das Design konstant gehalten wird. Indem das faseroptische Kabel 140 um die mit einem Drehmoment belastete Welle 130 gewickelt wird, wird das Kabel 140 in die Nähe des Mindestkrümmungsradius gebracht, wodurch effektiv das Kabel 140 so vorgespannt wird, daß zusätzliche Drehmoment induzierte Beanspruchungen das Signal schnell dämpfen.
Das faseroptische Kabel 140 kann Kunststoff aufweisen. Der Fachmann kann jedoch ein anderes Material wie etwa Glas verwenden. Analog umfaßt das faseroptische Kabel 140 den Mehrmodentyp. Der Fachmann kann jedoch einer anderen Typ wie etwa einen Einmodentyp auswählen.
Das faseroptische Kabel 140 so zu befestigen, daß es sich fast an seinem Mindestkrümmungsradius befindet, ist entscheidend, wenn man als Reaktion auf die ausgeübte Kraft auf die darunterliegende mit einem Drehmoment belastete Welle 130 das höchste Niveau der Schwankung beim Signal (oder die höchste Modulationstiefe) erreichen will. Somit kommt es zu einem Ruhezustandsbiegen durch Wickeln des faseroptischen Kabels 140 um die Welle 130, wodurch das Kabel 140 in einen Zustand versetzt wird, bei dem es für den Einfluß einer etwaigen zusätzlichen Beanspruchung anfälliger ist. Das faseroptische Kabel 140 wird um die mit einem Drehmoment belastete Welle 130 entlang ihrer Schraubenlinie befestigt. Wie oben erwähnt befindet sich die 45°-Schraubenlinie einer massiven zylindrischen Welle dort, wo sich bei Ausübung eines Drehmoments die Haupttorsionsbeanspruchungen (auf Druck und Zug) entwickeln.
Eine vorgeschlagene Ausführungsform verwendet ein Zweikomponentenepoxid, das die optische Faser 140 an der mit dem Drehmoment belasteten Welle 130 befestigt. Das Zweikomponentenepoxid greift das faseroptische Kabel 140 nicht an, und es kann sich bei ihm um ein Mittel auf Basis von Polymercaptan, Amin, Nonylphenol handeln. Die Befestigung des faseroptischen Kabels 140 an der mit einem Drehmoment belasteten Welle 130 ist nicht auf Verfahren auf Epoxidbasis begrenzt. Andere Fachleute auf dem Gebiet der Materialklebetechniken könnten alternative Adhäsionsverfahren verwenden, einschließlich einen einstufigen Kleber oder Erwärmen der Welle 130, so daß das faseroptische Kabel 140 direkt auf die Welle 130 schmilzt. Durch das Befestigen wird die relative Position zwischen einem tragenden Element 120 und einem Lichtwellenleiter 110 beibehalten. Der Fachmann könnte das tragende Glied 120 an dem Lichtwellenleiter 110 befestigen, und zwar durch Klebetechniken, unter Verwendung von mechanischen Befestigungsmitteln, Komponenteneinbettung oder -formung oder unter Verwendung von Abstandshaltern, wie in den 2 und 8a-8c gezeigt. Bei der bevorzugten Ausführungsform kann eine Klebetechnik verwendet werden, um das faseroptische Kabel 140 schraubenförmig um die mit einem Drehmoment belastete Welle 130 herum zu befestigen.
Ein Empfänger 300 mit Fotodiode zum Sammeln des modulierten Signals 200 und der optische LED-Sender 310 zum Emittieren des Übertragungssignals 170 müssen ebenfalls auf der gleichen Wellenlänge wie die einzelnen faseroptischen Kabel 140 arbeiten. Die faseroptischen Kabel 140 sind allgemein für das Spektrum mit rotem sichtbarem Licht oder Licht mit einer Wellenlänge von 650 nm optimiert. Der Empfänger 300 sollte bevorzugt keine integrale Signalaufbereitung (d.h. keine Formung der Ausgangswelle) aufweisen. Signalaufbereiter wie etwa Komparatoren, Schmittgetriggerte Gatter, Begrenzerschaltungen und Filter würden die gewünschte Modulation ausblenden. Somit kann der Empfänger 300 bevorzugt ein linearer sein. Der Fachmann kann einen digitalen Empfänger mit anderen entsprechenden Verarbeitungsmitteln verwenden.
Das faseroptische Kabel 140 wird digital durch einen standardmäßigen optischen LED-Sender 310 angesteuert. Eine Stromquelle und ein analoger Oszillator steuern die LED-Quelle 310 an. Andere Fachleute können anstelle der LED-Quelle 310 eine Laserlichtquelle verwenden.
Unter Bezugnahme auf 8 zeigt eine alternative Ausführungsform mehrere unter 45° um die mit einem Drehmoment belastete Welle 130 herumgewickelte schraubenförmige faseroptische Kabel 320. Die mehreren schraubenförmigen faseroptischen Kabel 320 sind zusammenhängend und erscheinen wie ein Bandkabel und erzeugen effektiv eine durchgehende Muffe, die eine Version der Beanspruchungsmeßvorrichtung 100 mit einer sich frei drehenden, mit einem Drehmoment belasteten Welle 130 und mit einer kontaktfreien Anregungs- und Ausgangssignalisierung gestatten würde. Diese Ausführungsform gestattet Umdrehungs- oder Drehzahlmessungen und Winkelbeschleunigung, wenn das Signal während des Übergangs zwischen den zusammenhängenden mehreren faseroptischen Kabeln 320 gedämpft wird. Während sich die mit einem Drehmoment belastete Welle 130 dreht, nimmt die Amplitude des Ausgangssignals oder des modulierten Signals 200 nach jedem Vorbeilaufen der mehreren schraubenförmigen faseroptischen Kabel 320 am stationären Empfänger 300 vorübergehend ab.
Die Signalaufbereitung vergleicht Eingangs- und Ausgangssignale. Bei einem Kommunikationssystem sollte das Ausgangssignal eine Reproduktion des Eingangssignals sein, weshalb das Eingangssignal (Photonenwellenträger 170) und das Ausgangssignal (moduliertes Signal 200) identisch sein sollten. Etwaige Differenzen können gefunden werden, indem das Eingangssignal vom Ausgangssignal subtrahiert wird, und würden auf eine Verzerrung zurückzuführen sein, die von dem optischen LED-Sender 310, dem Empfänger 300 oder dem faseroptischen Kabel 140 verursacht wird. Falls sich das Differenzsignal ändert, wenn in die mit einem Drehmoment belastete Welle 130 Beanspruchungen ausgeübt werden, dann wäre die Quelle der Schwankung Änderungen im faseroptischen Kabel 140. Das faseroptische Kabel 140 würde deshalb die Beanspruchungen oder das Drehmoment erfassen, die auf die mit einem Drehmoment belastete Welle 130 ausgeübt werden. Alternative Signalerfassungsverfahren wie etwa der PLL-Ansatz (Phase-Lock-Loop) oder Spektralanalyse können vom Fachmann verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung ist unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen, zahlreiche Modifikationen, Abwandlungen offenbart worden, und Änderungen an den beschriebenen Ausführungsformen sind möglich, ohne vom Umfang und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Erfindung soll dementsprechend nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen und ihre Äquivalente beschränkt sein.

Claims

Vorrichtung zum Erfassen einer Durchbiegung in einem Strukturelement, das folgendes aufweist: ein Strukturelement; einen am Strukturelement an einer festen relativen Position befestigten Wellenleiter; eine in Kommunikation mit dem Wellenleiter stehende Sender- und Empfangsvorrichtung zum Erfassen eines dorthindurch übertragenen Signals und eine Erfassungsvorrichtung zum Korrelieren eines erfaßten modulierten Signals mit einer Durchbiegung des Strukturelements.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Strukturelement ein Balken, eine zylindrische We11e und ein Torsionsstab ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das übertragene Signal Wellen mit sichtbarer und unsichtbarer Frequenz aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das übertragene Signal Photonenwellen und elektromagnetische Strahlungswellen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiter ein schraubenförmig unter 45° um das Strukturelement herumgewickeltes faseroptisches Kabel aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiter mehrere schraubenförmige unter 45° um das Strukturelement herumgewickelte faseroptische Kabel mit Schraubenform aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiter eine koaxial um das Strukturelement herumgewickelte faseroptische Muffe aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiter durch den Sender angesteuert wird, der einen Sender für elektromagnetische Strahlung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sender eine LED-Quelle aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die LED-Quelle eine Stromquelle und einen analogen Oszillator aufweist und das übertragene Signal durch ein erstes Ende des Wellenleiters emittiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiter durch eine Laserlichtquelle angesteuert wird, die das übertragene Signal durch das erste Ende des Wellenleiters emittiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Empfängervorrichtung das modulierte Signal sammelt, das durch ein zweites Ende des Wellenleiters austritt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Empfängervorrichtung das modulierte Signal mit einem Signalprozessor aufbereitet und analysiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Verformung des Wellenleiters das Einwirken einer Beanspruchung auf das Strukturelement umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Beanspruchung ein Drehmoment umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Verformung des Wellenleiters zu einer Änderung eines Brechungswinkels des Wellenleiters führt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Modulation des übertragenen Signals durch eine chromatische Dispersion, Verlustmoden und Spektralspreizung gemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Modulation des übertragenen Signals durch eine Dämpfung des übertragenen Signals als Funktion einer auf eine äußere Oberfläche des Wellenleiters einwirkenden Kraft gemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiter an dem Strukturelement in einer relativen Position befestigt wird, und zwar durch Klebetechniken, unter Verwendung mechanischer Befestigungsmittel, Komponenteneinbettung oder -formung und unter Verwendung von Abstandshaltern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiter durch Erwärmen des tragenden Glieds auf das Strukturelement geschmolzen wird.
Photonische Drehmomentsensorvorrichtung, die ein auf ein tragendes Element in einem Fahrzeug ausgeübtes Drehmoment erfaßt, umfassend: einen am tragenden Element befestigten Wellenleiter, wobei eine Verformung des Wellenleiters das auf das tragende Element ausgeübte Drehmoment mißt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Wellenleiter einen optischen Wellenleiter aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei das tragende Element ein Balken, eine zylindrische Welle und ein Torsionsstab ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Wellenleiter ein schraubenförmig unter 45° um das tragende Element herumgewickeltes faseroptisches Kabel aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Wellenleiter mehrere schraubenförmige unter 45° um das tragende Element herumgewickelte faseroptische Kabel mit Schraubenform aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Wellenleiter eine koaxial um das tragende Element herumgewickelte faseroptische Muffe aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Wellenleiter von einer LED-Quelle angesteuert wird, die eine Stromquelle und einen analogen Oszillator aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die LED-Quelle eine Photonenträgerwelle durch ein erstes Ende des Lichtwellenleiters emittiert.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Wellenleiter von einer Laserlichtquelle angesteuert wird, die die Photonenträgerwelle durch das erste Ende des Wellenleiters emittiert.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei ein Empfänger das modulierte Übertragungssignal sammelt, das durch das zweite Ende des Wellenleiters austritt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Empfänger das modulierte Übertragungssignal mit einem Signalprozessor aufbereitet und analysiert.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Verformung des Wellenleiters das Einwirken einer Beanspruchung auf das tragende Element umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Beanspruchung ein Drehmoment umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Verformung des Wellenleiters zu einer Änderung eines Brechungswinkels des Wellenleiters führt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei eine Modulation des übertragenen Signals durch eine chromatische Dispersion, Verlustmoden und Spektralspreizung gemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Modulation des Übertragungssignals durch eine Dämpfung des sich ausbreitenden Übertragungssignals als Funktion einer auf eine äußere Oberfläche des Wellenleiters einwirkenden Kraft gemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Wellenleiter an dem Strukturelement in einer relativen Position befestigt wird, und zwar durch Klebetechniken, unter Verwendung mechanischer Befestigungsmittel, Komponenteneinbettung oder -formung und unter Verwendung von Abstandshaltern.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Wellenleiter durch Erwärmen des tragenden Glieds auf das tragende Element geschmolzen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei ein Fahrzeug ein mit Rädern versehenes selbstangetriebenes Mittel zum Transport ist.
Verfahren zum Erfassen einer Durchbiegung eines Strukturelements, das folgendes umfaßt: Befestigen eines Wellenleiters in einer relativen Position an einem Strukturelement; Übertragen eines Signals durch den Wellenleiter und Korrelieren von Differenzen im Signal mit einer Durchbiegung des Strukturglieds.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei das Strukturelement ein Balken, eine zylindrische Welle und ein Torsionsstab ist.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei das Signal Wellen mit sichtbarer und unsichtbarer Frequenz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei das Signal Photonenwellen und elektromagnetische Strahlungswellen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der Wellenleiter ein schraubenförmig unter 45° um das Strukturelement herumgewickeltes faseroptisches Kabel aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der Wellenleiter mehrere schraubenförmige unter 45° um das Strukturelement herumgewickelte faseroptische Kabel mit Schraubenform aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der Wellenleiter eine koaxial um das Strukturelement herumgewickelte faseroptische Muffe aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der Wellenleiter durch den Sender angesteuert wird, der einen Sender für elektromagnetische Strahlung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der Sender eine LED-Quelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 48, wobei die LED-Quelle eine Stromquelle und einen analogen Oszillator aufweist und das Signal durch ein erstes Ende des Wellenleiters emittiert.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der Wellenleiter durch eine Laserlichtquelle angesteuert wird, die das Signal durch das erste Ende des Wellenleiters emittiert.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei die Empfängervorrichtung das modulierte Signal sammelt, das durch ein zweites Ende des Wellenleiters austritt.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei die Empfängervorrichtung das modulierte Signal mit einem Signalprozessor aufbereitet und analysiert.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei eine Verformung des Wellenleiters das Einwirken einer Beanspruchung auf das Strukturelement umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei die Beanspruchung ein Drehmoment umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei die Verformung des Wellenleiters zu einer Änderung eines Brechungswinkels des Wellenleiters führt.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei eine Modulation des Signals durch eine chromatische Dispersion, Verlustmoden und Spektralspreizung gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei die Modulation des Signals durch eine Dämpfung des übertragenen Signals als Funktion einer auf eine äußere Oberfläche des Wellenleiters einwirkenden Kraft gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der Wellenleiter an dem Strukturelement in einer relativen Position befestigt wird, und zwar durch Klebetechniken, unter Verwendung mechanischer Befestigungsmittel, Komponenteneinbettung oder -formung und unter Verwendung von Abstandshaltern.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der Wellenleiter durch Erwärmen des tragenden Glieds auf das Strukturelement geschmolzen wird.
Verfahren zum Herstellen eines gegenüber Rauschen in einem Fahrzeug immunen Erfassungselements, wobei das Verfahren folgendes umfaßt: Ausbilden eines Wellenleiters und Koppeln eines Wellenleiters an ein tragendes Element.
Verfahren nach Anspruch 60, wobei das tragende Element ein Balken, eine zylindrische Welle und ein Torsionsstab ist.
Verfahren nach Anspruch 60, wobei der Wellenleiter ein schraubenförmig unter 45° um das tragende Element herumgewickeltes faseroptisches Kabel aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 60, wobei der Wellenleiter mehrere schraubenförmige unter 45° um das tragende Element herumgewickelte faseroptische Kabel mit Schraubenform aufweist.
Verfahren nach Anspruch 60, wobei der Lichtwellenleiter eine koaxial um das tragende Element herumgewickelte faseroptische Muffe aufweist.
Verfahren nach Anspruch 60, wobei der Wellenleiter an dem Strukturelement in einer relativen Position befestigt wird, und zwar durch Klebetechniken, unter Verwendung mechanischer Befestigungsmittel, Komponenteneinbettung oder -formung und unter Verwendung von Abstandshaltern.
Verfahren nach Anspruch 60, wobei der Wellenleiter durch Erwärmen des tragenden Glieds auf das tragende Element geschmolzen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 60, wobei ein Fahrzeug ein mit Rädern versehenes selbstangetriebenes Mittel zum Transport ist.