DE19518123C2 - Belastungssensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Belastungssensor mit einer Glasfaser, die bei einer mechanischen Belastung des Sensors eine reversible Biegung erfährt.

Ein derartiger Belastungssensor ist aus der EP 0 608 645 A1 bekannt und dient in der in dieser Druckschrift gezeigten Anordnung dem Einbau in Brücken. Hierbei verläuft die Glasfaser zwischen harten Elementen und ist in ein weiches Elastomermaterial eingebettet.

Die Verwendung von Glasfasern für die Erfassung von Belastungen eines Bauteils ist ferner aus der DE 43 32 807 A1 bekannt. Bei der gezeigten Anordnung sind zwei Glasfasern mit ihren Faserenden derart gekoppelt, daß eine mechanische Veränderung von Bauteilen, die mit einer der beiden Glasfasern verbunden sind, zu einer Änderung der Relativlage der Faserenden, insbesondere zu einem Achsversatz führt. Dieser Achsversatz sorgt für eine Dämpfung des von den miteinander gekoppelten Glasfasern übertragenen Lichtsignals, die für die Ermittlung der mechanischen Belastung erfaßt wird.

Ferner offenbart der Artikel "Fühlen mit Licht" in Funkschau 12/1984, Seite 45 bis 47 eine Methode, mit der unter Verwendung einer Glasfaser eine Druckerfassung erfolgt. Hierbei ist die Glasfaser zwischen zwei engverzahnten Platten angeordnet. Wenn die Platten zusammengedrückt werden, wird die Faser gebogen. In Abhängigkeit von dem Ausmaß der Verbiegung tritt hierbei Licht vom Faserkern in den Mantel über. Als Maß für den auf die Platten ausgeübten Druck wird die Verminderung der Lichtintensität im Kern am Ende der Glasfaser ausgewertet.

In der JP 61-292529 ist eine schraubenförmige Anordnung einer Glasfaser beschrieben, bei der die Glasfaser derart an ein belastetes Bauteil angebracht ist, daß eine Belastung des Bauteils zu einer Längenänderung der Glasfaser und einer daraus resultierenden Veränderung der Lichtübertragung führt.

In ähnlicher Weise ist bei einer in der DE 32 05 798 C2 gezeigten Anordnung eine Lichtleitfaser schraubenförmig auf einen kreiszylinderförmigen Körper aufgewickelt und derart verdrillt, daß dadurch eine Polarisationsänderung des durch die Faser geleiteten Lichts bewirkt wird. Die durch die Verdrillung bewirkte Polarisationsänderung des Lichts führt zu einer optischen Phasenmodulation, die ein Maß für eine zu messende Belastung ist.

Auch in der GB 2 208 711 A ist ein Glasfasersensor beschrieben, der schraubenförmig angeordnet sein kann. Für die Erfassung einer Belastung wird mittels des Prinzips der Interferometrie die Veränderung der Übertragungseigenschaften bei der Übertragung von pulsierenden Lichtsignalen erfaßt.

Schließlich ist aus der DE 35 37 588 AI eine Schienenkontaktvorrichtung bekannt, die insbesondere für Achszähleinrichtungen dient, um Schienenabschnitte zu überwachen. Bei dieser Schienenkontaktvorrichtung ist eine sogenannte Sensorglasfaser mit einer vorgegebenen Länge an einer Schiene befestigt, und ein Laserstrahl wird über einen Strahlteiler einerseits auf diese Sensorglasfaser und andererseits auf eine entfernt von der Schiene angeordnete Referenzglasfaser gegeben. Wenn die an der Schiene angeordnete Glasfaser beim Passieren eines Fahrzeugrades ihre Länge kurzfristig verändert, so wird der dadurch erzeugte Laufzeitunterschied interferometrisch detektiert und ein Signal wird ausgegeben.

Die oben beschriebenen Belastungssensoren weisen zwar bereits den Vorteil auf, daß die von magnetischen und elektrischen Störfeldern weitgehend unabhängig sind. Jedoch weisen diese bekannten Vorrichtungen relativ teure Bauteile wie z. B. Laser und Interferenzdetektoren auf. Darüber hinaus muß z. B. bei der Anordnung gemäß der DE 35 37 588 A1 die Referenzglasfaser so abseits der Schiene angebracht sein, daß diese durch passierende Fahrzeugräder nicht beeinflußt wird. Schließlich ist bei dieser bekannten Vorrichtung eine komplizierte Temperaturkompensation unter Zuhilfenahme von Piezoelementen erforderlich, um Temperaturschwankungen so zu kompensieren, daß keine Fehlmessungen auftreten.

Es ist deshalb das der Erfindung zugrundeliegende Problem (Aufgabe), einen Belastungssensor zu schaffen, der kostengünstig herzustellen, einfach zu montieren und insbesondere für den Einbau in Schienen geeignet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Erfindungsgemäß besteht der Sensor aus einem Innenrohr und einem dazu koaxialen Außenrohr, das in Längsrichtung des Rohres gelagert ist, so daß zwei sich nicht berührende Halbschalen gebildet sind, wobei die Glasfaser zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr schraubenlinienförmig in einer elastischen Masse gelagert ist. Die derartige sehr kompakte Ausführungsform des Sensors ermöglicht eine Krümmung der Faser über viele Schraubenlinien, so daß ein starkes Dämpfungssignal bei Druckbelastung erhalten wird. In dem erfindungsgemäßen Belastungssensor läuft die Glasfaser durch einen Bereich mit einem relativ niedrigen Elastizitätsmodul, nämlich der elastischen Masse. Ferner sind zu beiden Seiten der Glasfaser Bereiche mit einem höheren Elastizitätsmodul angeordnet, die durch die beiden Halbschalen des Außenrohrs gebildet werden. Durch diese Anordnung verschiedener Bereiche mit unterschiedlichem elastischen Verhalten wird in der Glasfaser auf zweckmäßige Weise bei Druckbelastung eine Biegung erzeugt, so daß ein optisches Signal, welches die Glasfaser durchläuft, gedämpft wird.

Der Erfindung liegt allgemein die Erkenntnis zugrunde, daß die Dämpfung von Glasfasern sich relativ stark ändert, wenn die Glasfaser um einen Radius gebogen wird, der einen bestimmten Mindestbiegeradius unterschreitet. Diese aus der Nachrichtenübertragungstechnik bekannten Effekte werden bei dem erfindungsgemäßen Belastungssensor ausgenutzt. Bei einer Druckbelastung des Sensors entsteht eine Dämpfungsänderung in der Faser. Die Dämpfungsänderung kann dann mit einem entsprechenden Dämpfungsmeßgerät erfaßt und ausgewertet werden.

Somit ist der Belastungssensor leicht zu montieren und erfordert mit Ausnahme des Dämpfungsmeßgerätes mit Sende- und Empfangsbauteil keine weiteren elektronischen Bauteile, wie beispielsweise Strahlteiler oder Interferenzmeßgeräte.

Ferner eignet sich der erfindungsgemäße Sensor sehr gut für den Einbau in eine Bohrung einer Eisenbahnschiene, so daß die Belastung einer Schiene in vorteilhafter Weise erfaßt werden kann.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die weiteren Ansprüche gekennzeichnet.

Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Sensor mit einer Detektoreinrichtung gekoppelt, die eine Dämpfungsänderung der Glasfaser detektiert. Hierzu wird vorteilhafterweise die Dämpfung eines durch die Glasfaser verlaufenden Lichtimpulses detektiert. Das Meßgerät wird außerhalb möglicher magnetischer oder elektrischer Störfelder aufgestellt, so daß eine Einwirkung auf dieses ausgeschlossen ist.

Vorteilhafterweise kann ferner ein Faserende durch das Innenrohr geführt sein. Dadurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, daß sich lediglich auf einer Seite des Sensors Glasfaseranschlüsse befinden.

Der erfindungsgemäße Belastungssensor kann nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in eine Bohrung einer Eisenbahnschiene eingepaßt sein. Hierbei ist eine Querbohrung im Schienensteg besonders zu bevorzugen.

Ferner kann die Glasfaser in dem Sensor zumindest zwei Bereiche mit unterschiedlichem elastischen Verformungsverhalten durchlaufen. Hierdurch werden diese beiden Bereiche bei Druckbelastung des Sensors unterschiedlich stark deformiert, so daß die diese Bereiche durchlaufende Glasfaser gebogen wird, so daß sich eine Änderung ihrer Dämpfung ergibt.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen rein beispielhaft beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Belastungssensor;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI von Fig. 1; und

Fig. 3 schematisch den in einer Schiene angeordneten Belastungssensor.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines Sensors gemäß der Erfindung im Längsschnitt. Der in Fig. 1 dargestellte Sensor 10 besteht aus einem steifen Innenrohr 30 aus Metall und einem dazu koaxialen Außenrohr, das in Längsrichtung des Rohres geteilt ist, so daß zwei Halbschalen 32 und 34 gebildet sind. Die Glasfaser 20 ist zwischen dem Innenrohr 30 und den beiden Halbschalen 32, 34 des Außenrohres schrauben­ linienförmig in einer elastischen Masse 36 gelagert.

Wie in Fig. 2 gut zu erkennen ist, berühren sich die beiden Halbschalen 32 und 34 nicht, so daß zwischen diesen ein Abstand gebildet ist. Wird auf den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Sensor eine Kraft F ausgeübt, so deformiert sich die elastische Masse 36, die beispielsweise ein Elastomer oder ein Thermoplast sein kann, und die beiden Halbschalen 32 und 34 bewegen sich aufeinander zu. Im Laufe dieser Bewegung wird jedoch der Krümmungsradius der Glasfaser 20 geändert. Hierdurch ergibt sich eine Änderung der Dämpfung der Faser, wobei der Dämpfungseffekt dadurch verstärkt wird, daß mehrere Windungen vorhanden sind. Das abgehende Faserende 24 ist in dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Sensor durch das Innenrohr 30 zurückgeführt, so daß sich lediglich auf einer Seite des Sensors 10 Glasfaseranschlüsse befinden.

Der Außendurchmesser des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Sensors 10 beträgt ca. 20 mm. Der Abstand zwischen den beiden Halbschalen 32 und 34 beträgt ca. 2 mm, wobei das Innenrohr 30 einen Durchmesser von ca. 10 mm aufweist.

In Fig. 3 ist eine Möglichkeit der Anbringung des erfindungsgemäßen Belastungssensors 10 dargestellt. In diesem Fall ist der Belastungssensor 10 in eine Querbohrung 12 im Schienensteg 14 einer Schiene 16 eingepaßt. Wie zu erkennen ist, befindet sich der Schienensteg 14 zwischen dem unteren Schienenfuß 17 und dem Schienenkopf 18. Innerhalb des Sensors 10 verläuft eine Glasfaser 20 derart, daß durch eine Druckbelastung der Schiene 16, das heißt durch eine auf den Schienenkopf 18 wirkende Kraft F in der Größenordnung < 2 kN eine reversible Biegung der in dem Sensor 10 angeordneten Glasfaser 20 bewirkt wird. Hierdurch erfährt die Dämpfung der Glasfaser 20 eine starke Änderung, so daß ein Lichtsignal, das in das ankommende Ende 22 der Glasfaser eingekoppelt wird, am abgehenden Ende 24 der Glasfaser gedämpft ist.

Die Querbohrung 12 im Schienensteg 14 ist derart gewählt, daß der Sensor 10 gerade in diese eingepaßt werden kann. Zur Montage wird die Schiene 16 im Bereich der Querbohrung 12 beispielsweise erwärmt, und der Sensor 10 wird mit unser Wärme aushärtendem Klebstoff in die Querbohrung 12 gesteckt. Nach dem Abkühlen der Schiene ist der Sensor 10 kraftschlüssig in der Querbohrung 12 gehalten, so daß eine auf den Schienenkopf 18 ausgeübte Kraft F auf den Sensor 10 übertragen wird.

Es sei festgestellt, daß unter Lichtstrahlung selbstverständlich auch nicht sichtbare Strahlung verstanden wird. Darüber hinaus läßt sich der beschriebene Sensor nicht nur für eine Schienenkontaktvorrichtung oder zum Zählen von Schienenrädern einsetzen, auch wenn dies eine äußerst vorteilhafte Anwendung ist. Vielmehr sind auch andere Anwendungen denkbar, bei denen Belastungen von Bauteilen gemessen werden müssen, insbesondere wenn elektrisch oder magnetisch störende Felder vorhanden sind. Darüber hinaus wird unter Eisenbahnanlagen jede Art einer Anlage für Schienenfahrzeuge verstanden.

Claims (5)

1. Belastungssensor, bei dem durch den Sensor (10) eine Glasfaser (20) derart verläuft, daß diese bei einer mechanischen Belastung des Sensors (10) eine reversible Biegung erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß
der Sensor (10) aus einem Innenrohr (30) und einem dazu koaxialen Außenrohr besteht, das in Längsrichtung des Rohres geteilt ist, so daß zwei sich nicht berührende Halbschalen (32, 34) gebildet sind, und
die Glasfaser (20) zwischen dem Innenrohr (30) und dem Außenrohr (32, 34) schraubenlinienförmig in einer elastischen Masse (36) gelagert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit einer Detektoreinrichtung gekoppelt ist, die eine Dämpfungsänderung, insbesondere eines durch die Glasfaser (20) verlaufenden Lichtimpulses, detektiert.

3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Faserende (24) durch das Innenrohr (30) geführt ist.

4. Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese in eine Bohrung (12) einer Eisenbahnschiene (16) eingepaßt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung eine Querbohrung (12) im Schienensteg (14) ist.