DE19648403C1

DE19648403C1 - Direct pressure and-or tensional forces detector

Info

Publication number: DE19648403C1
Application number: DE1996148403
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Ing Nagel; Christian Dipl Ing Wall
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-11-22
Filing date: 1996-11-22
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2016-11-23

Abstract

The sensor uses a light wave conductor (4) with an integrated Bragg grating, oriented in a direction for the loading or the stress to be determined. The light conductor fibre optics is preloaded with a tension directly above and below the Bragg grating (1), which accommodates the sensor in the manner of a component element. Several light wave conducting fibres (4,9) with their respective Bragg grating are arranged in a parallel circuit. The clamping elements (2,3) of part or all light wave conducting fibres are bound in a common expansion body.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Erfassung von Zug- und/oder Druckkräften.The invention relates to a sensor according to the preamble of Claim 1 for the detection of tensile and / or compressive forces.

Nach der US-PS 47 61 073 ist die sensorische Nutzbarkeit von faseroptischen Bauelementen bekannt. Speziell die in Licht wellenleiter implementierten Faser-Bragg-Gitter ermöglichen die Erfassung von Veränderungen der physikalischen Größen Zugspannung und Temperatur.According to US-PS 47 61 073 the sensory usability of fiber optic components known. Especially those in light allow waveguide implemented fiber Bragg grating the detection of changes in physical quantities Tensile stress and temperature.

Wie in der DE 43 37 103 beschrieben, erfolgt die Herstellung der Faser-Bragg-Gitter durch eine permanente Änderung der Brechzahl des Glases im Kern von Fasern. Die Faser-Bragg-Git ter werden durch ein spezielles UV-Interferenzsignal in einen Abschnitt der Faser geschrieben. Die Interferenzsignale kön nen z. B. durch holografische Prozesse oder Excimer-Laser mit einer entsprechenden Phasenmaske erzeugt werden. Die Absorp tion des UV-Lichtes in der Faser führt zu Defektzentren im Glas und innerhalb der Faser ändert sich der komplexe Licht brechungsindex. Im ungestreßten Zustand besitzen die Faser-Bragg-Gitter eine bestimmte, sogenannte Bragg-Wellenlänge λ_BRAGG.As described in DE 43 37 103, the fiber Bragg gratings are produced by permanently changing the refractive index of the glass in the core of the fibers. The fiber Bragg gratings are written into a section of the fiber by a special UV interference signal. The interference signals can be z. B. generated by holographic processes or excimer laser with an appropriate phase mask. The absorption of UV light in the fiber leads to defect centers in the glass and within the fiber the complex light refractive index changes. In the unstressed state, the fiber Bragg gratings have a certain, so-called Bragg wavelength λ _BRAGG .

Faser-Bragg-Gitter können als sehr schmalbandige optische Engpaßfilter aufgefaßt werden, d. h. das Gitter reflektiert in einem kleinen spektralen Bereich das einfallende Licht der entsprechenden Bragg-Wellenlänge. Wie bekannt, kann durch den Einfluß äußerer Parameter, wie z. B. eine Längenänderung des betreffenden Faserabschnittes, eine Änderung der Bragg-Wel lenlänge provoziert werden. Die Bragg-Bedingung, nach der die Bragg-Wellenlänge bestimmt wird, lautet:Fiber Bragg gratings can be very narrow-band optical Congestion filters are conceived, d. H. the grating reflects in a small spectral range the incident light of the corresponding Bragg wavelength. As is known, through the Influence of external parameters, such as B. a change in length of the concerned fiber section, a change in Bragg-Wel length provoked. The Bragg condition that the Bragg wavelength is determined is:

λ_BRAGG Bragg-Wellenlänge
m Ordnung des Bragg-Gitters
n_m mittlere effektive Brechzahl
Λ Räumliche Periodenlängeλ _BRAGG Bragg wavelength
m order of the Bragg lattice
n _m mean effective refractive index
Λ Spatial period length

Durch mechanischen Streß wird Einfluß auf die Periodenlänge genommen und durch eine Temperaturänderung beeinflußt man die mittlere effektive Brechzahl des Faser-Bragg-Gitter.Mechanical stress influences the period length taken and influenced by a change in temperature mean effective refractive index of the fiber Bragg grating.

Von Meltz u. a. werden in der US-PS 47 61 073 Vorschläge für die Applikation von Faser-Bragg-Gittern in Sensoren und die Auswertung der Meßsignale gemacht. Dabei werden eine oder mehrere längere Lichtleitfasern in einem zu beobachtenden Bauteil einer Konstruktion spannungslos eingebettet, wobei in die Lichtleitfasern in vorgewählten Abständen Bragg-Gitter unterschiedlicher Bragg-Wellenlänge eingearbeitet sind. Beim Deformieren des Bauteils infolge gebrauchsmäßiger Beanspru chung werden die Lichtleitfasern gedehnt oder zusammenge drückt und damit die eingeschriebenen Bragg-Wellenlängen ver ändert, was im Sinne von permanenten Materialkontrollen aus wertbar ist. Die Anwendung ist jedoch immer an die jeweilige konkrete Kontrollaufgabe beschränkt, weil der Sensor untrenn barer Bestandteil der Konstruktion ist.By Meltz u. a. are proposed in US Pat. No. 4,761,073 the application of fiber Bragg gratings in sensors and the Evaluation of the measurement signals made. Doing one or several longer optical fibers to be observed in one Part of a construction embedded without tension, whereby in the optical fibers at selected intervals Bragg grating different Bragg wavelength are incorporated. At the Deformation of the component due to use-related stress The optical fibers are stretched or contracted presses and thus verifies the inscribed Bragg wavelengths changes what in terms of permanent material controls is valuable. However, the application is always to the respective concrete control task limited because the sensor is inseparable is part of the construction.

Die PCT-Anmeldung WO 95/24614 zeigt einen speziellen Tempe ratursensor unter Verwendung von Faser-Bragg-Gittern, die PCT-Anmeldung WO 96/17223 beschreibt einen optischen Korrosions sensor nach oben genanntem Prinzip.The PCT application WO 95/24614 shows a special tempe temperature sensor using fiber Bragg gratings PCT application WO 96/17223 describes optical corrosion sensor according to the above principle.

Aus der DE 30 47 308 A1 ist noch ein akustisches Sensorele ment zur Erfassung hydrostatischer, also ungerichteter, Druckschwankungen unter Wasser bekannt, bei dem die druckin duzierte Längenänderung und Änderung des Brechungsindexes ei ner gewöhnlichen Lichtleitfaser ausgenutzt wird. Zur Vergrö ßerung der Druckangriffsfläche und damit der Druckkraft wird eine relativ lange Lichtleitfaser, bevorzugt spiralförmig ge wickelt, in einen großen Block mit einem gegenüber dem E-Mo dul der Lichtleitfaser etwas geringerem E-Modul eingebettet, auf den der Außendruck wirkt und der die Druckkraftschwankun gen auf die Lichtleitfaser überträgt. Partiell auf das Sen sorelement einwirkende oder gerichtete Kräfte sind mit diesem Sensorelement prinzipbedingt nicht zu erfassen. Außerdem ist die Empfindlichkeit auch mit dem als "Kraftverstärker" einge setzten elastischen Block vergleichsweise bescheiden, abge sehen davon, daß das Sensorelement sehr groß baut, was frei lich als Unterwasser-Akustiksensor angehen kann.From DE 30 47 308 A1 there is also an acoustic sensor element ment for recording hydrostatic, i.e. undirected, Pressure fluctuations under water are known at which the pressure reduced change in length and change in refractive index ei ner ordinary optical fiber is used. To enlarge Enhancement of the pressure application area and thus the pressure force a relatively long optical fiber, preferably spiral ge wraps up in a large block with one opposite E-Mo dul of the optical fiber embedded slightly lower modulus, to which the external pressure acts and which the pressure force fluctuation transmitted to the optical fiber. Partially on the Sen forces acting or directed forces are with this In principle, sensor element cannot be detected. Besides, is the sensitivity also turned on with that as a "power amplifier" set elastic block comparatively modest, abge see that the sensor element builds very large, what free can tackle as an underwater acoustic sensor.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Prinzip der Wellenlängenän derung bei gestreßten Bragg-Gittern für Kraftsensoren in Form kleinbauender Sensor-Bauelemente nahezu universeller Einsetz barkeit und höchster Präzision nutzbar zu machen.The object of the invention is to apply the principle of wavelengths change in stressed Bragg grids for force sensors in shape small sensor components almost universal use availability and maximum precision.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen des An spruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen und weitere Konfigurationen sind Gegenstand der Unteransprüche.According to the invention the task with the features of the spell 1 solved. Designs and other configurations are the subject of the subclaims.

Die Lichtleitfaser mit implementiertem Faser-Bragg-Gitter wird unter- und oberhalb des Gitters mit einem Dehnkörper auf Zug vorgespannt und fest verbunden. In dieser vorgespannten Ausgangslage hat das Bragg-Gitter eine charakteristische Git terwellenlänge. Bei Dehnung oder Stauchung des Sensors ver schiebt sich diese Gitterwellenlänge, was für die Auswertung der wirkenden Kräfte nutzbar gemacht wird. Durch die Vorspan nung der Lichtleitfaser bedingt, reagiert das Bauelement be reits auf geringste Spannungsdifferenzen sowohl bei Zug- als auch Druckmessung, hysteresebedingte Meßungenauigkeiten sind durch die Verschiebung des Arbeitspunktes weg vom Nullspan nungspunkt unmöglich. Außerdem erhöht sich die Lebensdauer der Lichtleitfaser, da sie unter normalen Meßbedingungen nie mals auf Druck beansprucht wird.The optical fiber with implemented fiber Bragg grating is placed below and above the grille with an expansion body Train preloaded and firmly connected. In this biased Starting point, the Bragg grating has a characteristic git wavelength. If the sensor is stretched or compressed, ver shifts this grating wavelength, what for the evaluation the effective forces are harnessed. Through the preload due to the optical fiber, the component reacts already on the slightest voltage differences with both pull and also pressure measurement, measurement inaccuracies due to hysteresis by shifting the working point away from the zero chip point of impossible. The lifespan is also increased the optical fiber, since under normal measuring conditions it never is sometimes used under pressure.

Zur Temperaturkompensation kann in Weiterbildung der Erfin dung ein weiteres Faser-Bragg-Gitter in den Dehnkörper einge bracht werden. Dieses Faser-Bragg-Gitter wird allerdings nur einseitig befestigt und unterliegt somit keinen äußeren Kräf ten. Durch einen entsprechenden Wellenlängenvergleich der be lasteten Faser und der unbelasteten Referenzfaser kann der Temperatureinfluß kompensiert werden.In further training, the Erfin another fiber Bragg grating inserted into the expansion body be brought. However, this fiber Bragg grating is only attached on one side and is therefore not subject to any external force By a corresponding wavelength comparison of the be loaded fiber and the unloaded reference fiber can the Temperature influence can be compensated.

Der Sensor kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung als Einfach- oder Mehrfachelement ausgeführt werden. Wird der Kraftsensor als Mehrfachelement ausgeführt, so werden die dehnungsempfindlichen Bereiche in einer Parallelschaltung an geordnet.In a further embodiment of the invention, the sensor can be used as Single or multiple elements can be executed. Will the Force sensor designed as a multiple element, so the strain-sensitive areas in a parallel connection orderly.

Der Sensor kann ferner als ein- und mehrdimensional wirkender Kraftsensor ausgeführt werden.The sensor can also act as a one- and multi-dimensional Force sensor are executed.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbei spielen näher erläutert.The invention is illustrated below by means of exemplary embodiments play explained in more detail.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:In the accompanying drawings:

Fig. 1 eine erste Ausführung eines eindimensionalen Kraft sensors für Zug- und Druckkräfte, Fig. 1 shows a first embodiment of a one-dimensional force sensor for tensile and compression forces,

Fig. 2 eine erste Ausführung eines eindimensionalen Kraftsen sors für Zug- und Druckkräfte mit Temperaturkompensation, Fig. 2 shows a first embodiment of a one-dimensional Kraftsen sors for tensile and compressive forces with temperature compensation,

Fig. 3 eine zweite Ausführung eines mehrdimensionalen Kraft sensors mit parallel angeordneten Bragg-Gittern, Fig. 3 shows a second embodiment of a multi-dimensional force sensor arranged in parallel with Bragg gratings,

Fig. 4 eine zweite Ausführung eines flächenhaften Kraftsen sors mit parallel angeordneten Bragg-Gittern, Fig. 4 shows a second embodiment of a planar Kraftsen sors with parallel Bragg gratings,

Fig. 5 eine zweite Ausführung eines mehrdimensionalen Kraft sensors mit parallel angeordneten Bragg-Gittern und punktuell wirkender Druckkraft, Fig. 5 shows a second embodiment of a multi-dimensional force sensor arranged in parallel with Bragg gratings and selectively acting pressure force,

Fig. 6 eine zweite Ausführung eines mehrdimensionalen Kraft sensors mit parallel angeordneten Bragg-Gittern und linien- bzw. flächenförmig wirkenden Zug- und Druckkräften, Fig. 6 shows a second embodiment of a multi-dimensional force sensor arranged in parallel with Bragg gratings and line or two-dimensionally acting tension and compression forces,

Fig. 7 eine dritte Ausführung eines Mehrkoordinaten-Kraftsen sors und Fig. 7 shows a third embodiment of a multi-coordinate forces sensor and

Fig. 8 die Ausführung einer Meßsignalauswertung. Fig. 8, the execution of a signal evaluation is.

Das Bragg-Gitter 1 (Fig. 1) befindet sich zwischen einem obe ren Einspannelement 2 und einem unteren Einspannelement 3 in einer Lichtleitfaser 4. Ein Dehnkörper 5 zwischen den Ein spannelementen 2, 3 ist im Ausgangszustand auf Zug vorge spannt. Für dieses Vorspannen können zusätzliche Elemente, wie Federn oder federnde Elemente, eingesetzt werden. In die sem Beispiel realisiert eine Feder 6 die vorzugsweise aufzu bringende Vorspannkraft und stützt sich dabei gegen das obere Einspannelement 2 ab. Des weiteren können dafür auch die fe dernden Eigenschaften des konstruktiv günstig gestalteten Dehnkörpers 5 genutzt werden. Der Hohlraum 7 zwischen der Lichtleitfaser 4 und dem Dehnkörper 5 kann mit einem nicht näher dargestellten Füllstoff versehen werden. Ein unterer Anschlag 8 begrenzt die Verformung des Dehnkörpers 5 bei Druckbeanspruchung. Ein zusätzlicher nicht dargestellter obe rer Anschlag kann für die Begrenzung bei Zugbelastung vorge sehen werden. Nutzbar wäre in diesem Zusammenhang auch eine durch die Form und die Eigenschaften des Dehnkörpers 5 be dingte eigenständige Verformungsbegrenzung. In keiner der vorgeschlagenen Varianten wirkt der Dehnkörper 5 als "Ver stärker" für den zu messenden Zug oder Druck. Ihm kommen vielmehr die Aufgaben zu, den Sensor als Bauelement ausführen zu können und zur Erzeugung oder Unterstützung der Vorspan nung der Lichtleitfaser 4 beizutragen. Selbstverständlich schützt er die Lichtleitfaser auch vor mechanischer Überbean spruchung. Die Lichtleitfaser 4 wird an eine nicht näher aus geführte, geeignete Auswerteelektronik angeschlossen, die die Wellenlängenänderung des Bragg-Gitters 1 erfaßt, evtl. um rechnet und als Anzeigewert ausgibt.The Bragg grating 1 ( FIG. 1) is located between an upper clamping element 2 and a lower clamping element 3 in an optical fiber 4 . An expansion body 5 between the A clamping elements 2 , 3 is pre-tensioned in the initial state on train. Additional elements such as springs or resilient elements can be used for this prestressing. In this example, a spring 6 realizes the biasing force that is preferably to be brought about and is supported against the upper clamping element 2 . Furthermore, the fe derndenden properties of the structurally designed expansion body 5 can be used. The cavity 7 between the optical fiber 4 and the expansion body 5 can be provided with a filler, not shown. A lower stop 8 limits the deformation of the expansion body 5 under pressure. An additional upper stop, not shown, can be seen for the limitation under tensile load. In this context, it would also be possible to use an independent deformation limitation due to the shape and properties of the expansion body 5 . In none of the proposed variants, the expansion body 5 acts as a "stronger" for the train or pressure to be measured. Rather, it has the tasks of being able to execute the sensor as a component and to contribute to the generation or support of the bias voltage of the optical fiber 4 . Of course, it also protects the optical fiber from mechanical overload. The optical fiber 4 is connected to suitable evaluation electronics which are not described in more detail and which detect the change in wavelength of the Bragg grating 1 , possibly convert it and output it as a display value.

Fig. 2 zeigt eine temperaturkompensierte Variante des Kraft sensors. Eine zusätzliche Referenzfaser 9 enthält ein Refe renz-Bragg-Gitter 10, welches nur durch eine einseitige Befe stigung 11 mit dem Dehnkörper 5 verbunden ist. Temperaturein flüsse, die eine Verschiebung der Bragg-Wellenlänge hervorru fen, können durch die unbelastete Referenzfaser 9 erfaßt und durch eine geeignete Auswertung eliminiert werden. Fig. 2 shows a temperature-compensated variant of the force sensor. An additional reference fiber 9 contains a reference Bragg grating 10 , which is connected to the expansion body 5 only by a fastening 11 on one side. Temperaturein influences that cause a shift in the Bragg wavelength can be detected by the unloaded reference fiber 9 and eliminated by a suitable evaluation.

Fig. 3 zeigt mehrere parallel angeordnete Gitter nach Fig. 1. Damit lassen sich linien- oder flächenhafte Kräfte erfassen und auswerten. Eine Membran 12 dient dem Abschluß der einzel nen Sensorelemente und bildet eine einheitliche Kontaktflä che. FIG. 3 shows a plurality of grids according to FIG. 1 arranged in parallel . This enables linear or areal forces to be detected and evaluated. A membrane 12 is used to complete the individual NEN sensor elements and forms a uniform contact surface.

Fig. 4 zeigt den flächenhaften Sensor aus einzelnen Sen sorelementen nach Fig. 1. Punktuell (Fig. 5) oder flächenhaft (Fig. 6) angreifende Kräfte F, die z. B. auch gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung am Sensor angreifen können, lassen sich mit einem derartigem Sensoraufbau nachweisen. Fig. 4 shows the area sensor from individual sensor elements according to Fig. 1. Punctual ( Fig. 5) or area ( Fig. 6) attacking forces F, z. B. can attack at the same time in the opposite direction on the sensor can be demonstrated with such a sensor structure.

Fig. 7 zeigt die beispielhafte Ausführung eines dreidimensio nalen Sensors in Form einer 3D-Lastzelle, mit dem aus allen Raumkoordinaten angreifende Kräfte F_x, F_y und F_z erfaßbar sind. Fig. 7 shows the exemplary embodiment of a three-dimensional sensor in the form of a 3D load cell, with which forces F _x , F _y and F _z acting from all spatial coordinates can be detected.

Fig. 8 zeigt die beispielhafte Ausführung eines Sensors S und der dazugehörenden Auswerteelektronik, bestehend aus einer Laserquelle L, einem Strahlteiler St, einem Spektralanalyse gerät Sp und einer Auswerteeinheit A, die nicht Bestandteil dieser Patentanmeldung ist. Fig. 8 shows the exemplary embodiment of a sensor S and the associated transmitter consisting of a laser source L, a beam splitter St, a spectral analysis device Sp, and an evaluation unit A, the ingredient is not of this patent application.

BezugszeichenlisteReference list

1 Bragg-Gitter
2 oberes Einspannelement
3 unteres Einspannelement
4 Lichtleitfaser
5 Dehnkörper
6 Feder
7 Hohlraum
8 Anschlag
9 Referenz-Lichtleitfaser
10 Referenz-Bragg-Gitter
11 einseitige Befestigung
12 Membran
A Auswerteeinheit
L Laserquelle
S Sensors
Sp Spektralanalysegerät
St Strahlteiler 1 Bragg grille
2 upper clamping element
3 lower clamping element
4 optical fiber
5 expansion bodies
6 spring
7 cavity
8 stop
9 reference optical fiber
10 reference Bragg grids
11 one-sided fastening
12 membrane
A evaluation unit
L laser source
S sensors
Sp spectral analyzer
St beam splitter

Claims

1. Sensor for detecting directed pressure and / or tensile forces using an optical fiber oriented in the direction of the detecting stress with an integrated Bragg grating, characterized in that the optical fiber ( 1 ) immediately above and below the Bragg grating ( 1 ) is tensioned between two clamping elements ( 2 , 3 ), which hold the sensor element-like construction.

2. Sensor according to claim 1, characterized in that several re optical fibers ( 1 ) are arranged with their respective Bragg grating in a parallel connection.

3. Sensor according to claim 1 or claim 2, characterized in that the clamping elements ( 2 , 3 ) of the or all optical fibers ( 4 ) in a common expansion body ( 5 ) are bound.

4. Sensor according to claim 3, characterized in that the expansion body ( 5 ) is designed such that it stretches after fixing the Bragg grating section by the own elasticity of the material and thus preloaded.

5. Sensor according to claim 3 or claim 4, characterized in that the expansion body ( 5 ) has a deflection limitation independent of it.

6. Sensor according to claim 3 or claim 4, characterized in that the expansion body ( 5 ) itself has an extension Ausdehnbegren.

7. Sensor according to claims 4, 5 or 6, characterized in that the cavity between the optical fiber ( 4 ) and the expansion body ( 5 ) is filled with a protective medium.

8. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that a reference light guide fiber ( 9 ) with a reference grid ( 10 ) is introduced into the sensor for temperature compensation.

9. Sensor according to claim 10, characterized in that the reference grid ( 10 ) is not biased.

10. Sensor according to one of the preceding types sayings, characterized in that sensors of a component tes arranged in more than one spatial coordinate are.