DE19922102A1 - Faser-Bragg-Gitter-Sensoranordnung zur Ermittlung physikalischer Größen - Google Patents

Faser-Bragg-Gitter-Sensoranordnung zur Ermittlung physikalischer Größen

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Faser-Bragg-Sensoranordnung zur Ermittlung physikalischer Größen, bei der ein Lichtleiter, in den das Faser-Bragg-Gitter eingeschrieben ist, im unmittelbaren Bereich des Faser-Bragg-Gitters zwischen zwei Einspannelementen vorgespannt befestigt ist. DOLLAR A Die Aufgabe, die darin besteht, eine Faser-Bragg-Gitter-Sensoranordnung relativ kleiner Baugröße zu schaffen, mit der an spezielle Gegebenheiten angepaßte Meßbereiche erfaßt werden können und mit der die Ermittlung unterschiedlicher physikalischer Größen ermöglicht wird, wird dadurch gelöst, daß die Lichtleitfaser (5) über ihre Längsachse zumindest im Bereich der Einspannstellen fest mit einem balkenartigen Teil (2) verbunden ist, das auf Biegung beansprucht wird und daß im Bereich wenigstens einer Einspannstelle ein Halterungselement angeordnet ist, das die Lichtleitfaser (5) in einem vorgegebenen Abstand zur neutralen Faser des balkenartigen Teils (2) hält.

Description

Die Erfindung betrifft eine Faser-Bragg-Gitter-Sensoranordnung zur Ermittlung physikalischer Größen, bei der ein Lichtleiter, in den das Faser-Bragg-Gitter eingeschrieben ist, im unmittel­ baren Bereich des Faser-Bragg-Gitters zwischen zwei Einspann­ elementen vorgespannt befestigt ist.
Faser-Bragg-Gitter-Sensoren sind in unterschiedlichen Aus­ führungen zur Ermittlung physikalischer Größen, wie Kraft, Druck, Dehnung, Verschiebung, Temperatur bereits bekannt. In einen Lichtleiter, der ein eingeschriebenes Faser-Bragg-Gitter aufweist, wird ein optisches Signal eingespeist, dessen durch das Faser-Bragg-Gitter rückreflektierte Signal über eine Aus­ werteeinheit ausgewertet wird. Dabei wird das Signal zur Be­ stimmung der Wellenlänge des rückreflektierten Signals ge­ teilt, detektiert und verstärkt und mittels entsprechender Hard- und Software auswertet. Diese Auswertung und Umsetzung des optischen Signals in die jeweilige physikalische Meßgröße erfolgt mit hoher Genauigkeit.
So ist beispielsweise aus der US 5,844,667 ein temperatur­ kompensierter Drucksensor bekannt, der eine Druckmembran auf­ weist, die mit einem in einen Lichtwellenleiter eingeschriebe­ nes Faser-Bragg-Gitter verbunden ist, über dessen rückreflek­ tierten Signale Druckveränderungen erfaßt und ausgewertet werden können. Die Temperaturkompensation erfolgt über den Einsatz von Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungs­ koeffizienten und über die geometrischen Abmessungen von Kom­ pensationselementen.
Nachteilig an dieser Lösung ist, daß zur Ausnutzung der maxi­ mal möglichen Dehnung des Faser-Bragg-Gitters sehr große Mem­ brandurchmesser notwendig sind, die Drucksensoren großer Ab­ messungen zur Folge haben oder aber bei kleinen Membrandurch­ messern die Messung verfälschen.
Aus der Druckschrift DE 196 48 403 C1 ist des weiteren ein Sensor zur Erfassung von Druck- und/oder Zugkräften bekannt, bei dem ein Lichtleiter mit einem integriertem Faser-Bragg- Gitter in einem Dehnkörper unmittelbar ober- und unterhalb des Bragg-Gitters fest eingebunden ist. Der Dehnkörper spannt dabei den Lichtleiter auf Zug vor und faßt ihn bauelemente­ artig. Zug- oder Druckänderungen bewirken ein Längenänderung des Faser-Bragg-Gitters und damit Änderungen der Wellenlänge des durch das Faser-Bragg-Gitters rückreflektierten Signals, welches der Auswertetechnik zur Auswertung der dadurch erfaß­ ten physikalischen Größe zugeführt wird.
Dieser Sensor ist nur zur Erfassung von Druck- oder Zugkräften einsetzbar, andere physikalische Größen, wie Verschiebung oder Geschwindigkeit können damit nicht gemessen werden. Außerdem arbeitet der Sensor nur in einem eingeschränkten Meßbereich.
Der Meßbereich des Bragg-Gitter-Sensors wird festgelegt durch die maximal mögliche Dehnungsbeanspruchung des Faser-Bragg- Gitters. Eine Glasfaser mit Primärcoating reißt bei einer Dehnung von ca. 4% der Faser-Bragg-Gitter-Länge. Geht man von einer Gitterlänge von ca. 10 mm aus, entspricht das einer Längenänderung von ca. 400 µm. Da der Bereich für das Faser- Bragg-Gitter vor dem Einschreiben in die Lichtleitfaser ent­ coatet und danach wieder recoatet werden muß, sinkt die maxi­ male Dehnungsbeanspruchung auf ca. 3%. Aus Sicherheitsgründen und Gewährleistung der Lebensdauer des Lichtleiters sollte generell der Dehnungsbereich auf max. 1% beschränkt werden. Das bedeutet, daß die zur Messung zur Verfügung stehende Län­ genänderung des Faser-Bragg-Gitters maximal 100 µm beträgt. Daher sind bekannte Sensoranordnungen beispielsweise zur di­ rekten Messung von Verschiebewegen in mm-Bereichen nicht ein­ setzbar. Ebenso sind die Meßbereiche zur Druck- oder Beschleu­ nigungsmessung aufgrund der relativ minimalen Dehnungsbean­ spruchung der Lichtleitfaser begrenzt oder ungenau. Durch Vergrößerung der Einspannlänge der Lichtleitfaser können zwar größere oder variablere Meßbereiche erzielt werden, allerdings vergrößern sich dadurch auch die Abmessungen der Sensoren erheblich, was sich bezüglich Kosten, Herstellungsaufwand und mögliche Einsatzbereiche negativ auswirkt.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Faser-Bragg-Gitter- Sensoranordnung relativ kleiner Baugröße zu schaffen, mit der an spezielle Gegebenheiten angepaßte Meßbereiche erfaßt werden können und mit der die Ermittlung unterschiedlicher physika­ lischer Größen ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Lichtleitfaser über ihre Längsachse zumindest im Bereich der Einspannstellen fest mit einem balkenartigen Teil verbunden ist, das auf Biegung beansprucht wird und daß im Bereich we­ nigstens einer Einspannstelle ein Halterungselement angeordnet ist, das die Lichtleitfaser in einem vorgegebenen Abstand zur neutralen Faser des balkenartigen Teils hält.
Mit dieser erfindungsgemäßen Lösung wird der Meßbereich der jeweiligen physikalischen Größe den jeweiligen Gegebenheiten durch Anpassung der effektiven Dehnung des Faser-Bragg-Gitters an die maximal zulässige Dehnung infolge einer abstandsweisen Anordnung des Faser-Bragg-Gitters in Bezug auf die neutrale Faser des balkenartigen Teils angepaßt. Dadurch wird die Her­ stellung von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren kleiner Abmessungen und einfacher konstruktiver Ausführung möglich.
Nach einer vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Anordnung sind im Bereich beider Einspannstellen Halterungs­ elemente angeordnet, so daß die Lichtleitfaser in über ihre Längsachse gleichen Abstand zur Längsachse des balkenartigen Teils mit diesem verbunden ist.
Damit lassen sich Faser-Bragg-Gitter-Sensoren zur Erfassung unterschiedlichster physikalischer Größen realisieren.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausbildung der erfindungs­ gemäßen Anordnung ist der Abstand zwischen Lichtleitfaser und balkenartigem Teil abhängig vom vorgesehenen Meßbereich der jeweiligen physikalischen Größe.
Dabei liegt eine Abstandsänderung in solchen Größenordnungen, die keine wesentlichen Änderungen der Abmessungen der Sensor­ anordnung bedingen.
Aus konstruktiver und Kostensicht von Vorteil ist es, wenn das wenigstens eine Einspannelement gleichzeitig als Abstandshal­ ter ausgebildet ist. Damit wird außerdem die Meßgenauigkeit der Sensoranordnung erhöht, da der Abstand zwischen den Ein­ spannstellen und zwischen Lichtleitfaser und balkenartigem Teil genau definiert ist.
Zur Realisierung unterschiedlicher Meßbereiche und zur Er­ langung einer optimalen Meßgenauigkeit weist das balkenartige Teil eine entsprechende Biegesteifigkeit auf und besteht aus einem elastischen Material.
In weiteren vorzugsweisen Ausbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung werden Sensoren zur Erfassung unterschiedlicher physikalischer Größen beschrieben.
Danach ist ein Verschiebungs- oder Dehnungssensor dadurch gekennzeichnet, daß das balkenartige Teil an einem Ende fest eingespannt ist und zur Wege- oder Verschiebungsmessung am freien Ende mit einer Querkraft zur Realisierung von Verschie­ bungswegen im mm-Bereich beaufschlagt wird.
Dabei ist der Abstand zwischen Lichtleitfaser und balkenarti­ gem Teil beziehungsweise die Höhe der Halterungselemente ab­ hängig von der vorgesehenen maximalen Verschiebungsweglänge der Anordnung.
Diese Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung basiert auf der Messung einer Dehnung des Faser-Bragg-Gitters, die propor­ tional der Dehnung der Oberseite des balkenartigen Teils bei Einwirkung einer Querkraft auf das freie Ende des balkenarti­ gen Teils ist. Diese Kraft führt zu einer Verbiegung des bal­ kenartigen Teils und dadurch zu einer Verschiebung des freien Endes, dessen Weglänge meßbar ist. Es erfolgt eine Über­ setzung des Meßweges der Verschiebungslänge in eine Dehnung des Faser-Bragg-Gitters über die Entfernungsänderung zweier Punkte auf der Biegelinie des einseitig fest eingespannten balkenartigen Teils. In Abhängigkeit von dieser Verschiebung kommt es zur Dehnung der Lichtleitfaser und des darin einge­ schriebenen Faser-Bragg-Gitters. Diese Längenänderung spiegelt sich in der durch das Faser-Bragg-Gitter rückreflektierten Wellenlänge wieder, die mittels einer bekannten Auswerteein­ heit ermittelbar ist. Mit dem Abstand des Faser-Bragg-Gitters zur Längsachse des balkenartigen Teils und die Entfernung der Einspannstellen wird das Übersetzungsverhältnis festgelegt. Mit der jeweiligen geometrischen und materialseitigen Aus­ bildung des balkenartigen Teils erfolgt die Anpassung der Verstellkraft an die jeweilige Applikation. Diese Anordnung ermöglicht somit Wegübersetzungen im mm-Bereich, vorzugsweise von bis zu 5 mm, in eine Dehnung des Faser-Bragg-Gitters von max. 1% der Faser-Bragg-Gitter-Länge.
Nach einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist diese dadurch zur Druckmessung ausgebildet, daß das balkenartige Teil als Membran ausgebildet ist und die Lichtleitfaser mit eingeschriebenem Faser-Bragg-Gitter in über ihre Einspannlänge gleichen Abstand zur Oberfläche der Membran angeordnet ist. Hierbei wird die Biegeverformung infolge Nor­ maldruckbeanspruchung hervorgerufen.
Auch nach dieser Ausführungsform wird der Abstand zwischen Faser-Bragg-Gitter und Membran genutzt, um den Druck in Meß­ bereichen erfassen zu können, die normalerweise im Dehnungs­ bereich von maximal 1% bei geringer Baugröße des Sensors nicht meßbar sind.
Zur Erhöhung der Lebensdauer der Sensoranordnung und zur Ver­ meidung von Beschädigungen durch zu hohe Druckbeaufschlagung ist im weiteren vorgesehen, daß wenigstens ein Anschlag zur Begrenzung der maximalen Druckverformung angeordnet ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Fortbildung der erfindungs­ gemäßen Anordnung ist diese dadurch zur Beschleunigungs- oder Schwingungsmessung ausgebildet, daß ein Trägheitsmassestück am balkenartigen Teil befestigt ist.
Dabei weist die Anordnung wenigstens einen Anschlag zur Be­ grenzung der Schwingungsamplitude auf.
Auch diese Ausbildung der Anordnung ist konstruktiv einfach und kostengünstig ausgeführt. Die Anpassung der maximal mögli­ chen Dehnung des Faser-Bragg-Gitters an den gewünschten Meß­ bereich ist ohne nennenswerte Baugrößenveränderung durch ent­ sprechende Ausbildung der Halterungselemente genauso einfach möglich, wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen.
Des weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zur Tempera­ turkompensation Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungs­ koeffizienten eingesetzt werden.
Die Temperaturkompensation erfolgt dabei dadurch, daß der Ausdehnungskoeffizient und die geometrischen Abmessungen der Einspannelemente im Verhältnis zu den Ausdehnungskoeffizienten des balkenartigen Teils und des Faser-Bragg-Gitters sowie deren geometrischen Abmessungen so gewählt werden, daß die resultierenden wärmebedingten Zwangskräfte auf das Faser- Bragg-Gitter und die durch den thermooptischen Effekt hervor­ gerufene Wellenlängenänderung kompensiert werden.
Dadurch wird die Genauigkeit der Messung erhöht und der Stör­ faktor der Temperaturabhängigkeit der Lichtleitfasern fast völlig kompensiert.
Die erfindungsgemäße Anordnung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt dabei in
Fig. 1 einen Dehnungssensor in prinzipieller Schnittdarstel­ lung,
Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines Drucksensors und
Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau eines Beschleunigungs- oder Schwingungssensors.
Gemäß der Fig. 1 bis 3 besteht jeder Faser-Bragg-Gitter-Sensor aus dem Sensorgehäuse 1, des darin angeordneten balkenartigen Teils 2 in Form eines Biegebalkens oder einer Membran und der darauf befestigten Lichtleiteranordnung. Die Lichtleiteranord­ nung besteht aus dem Lichtleitkabel 3, das durch eine zug­ entlastend ausgebildete Kabelaufnahme 4 in das Sensorgehäuse 1 eingeführt wird. Von dort wird die freigelegte Lichtleitfa­ ser 5, in die das Faser-Bragg-Gitter 6 eingeschrieben ist, weitergeführt. In einem bestimmten Abstand beidseitig des Faser-Bragg-Gitters 6 ist die Lichtleitfaser 5 in je ein Ein­ spannelement 7, 8 unter Vorspannung eingeklebt. Zur Tempera­ turkompensation sind die Einspannelemente 7, 8 aus einem Mate­ rial mit einem großen Ausdehnungskoeffizienten, beispielsweise Messing, hergestellt und weisen eine bestimmte Länge auf. Der Biegebalken ist aus einem Material mit einem geringeren Aus­ dehnungskoeffizienten, beispielsweise aus einem Federstahl, hergestellt. Die Temperaturkompensation erfolgt außerdem mit­ tels vorberechneter geometrischer Abmessungen sowohl der Lichtleitfaser 5 als auch des Biegebalkens 2 und der Einspann­ elemente 7, 8.
Die Einspannelemente 7, 8 sind des weiteren gleichzeitig als Halterungselemente zur Abstandshalterung ausgebildet, so daß gewährleistet wird, daß über die gesamte Länge zwischen den Einspannelementen 7, 8 die Lichtleitfaser 5 einen vorausbe­ rechneten Abstand zur Längsachse des Biegebalkens 2 aufweist.
In Fig. 1 ist eine Sensoranordnung zur Ermittlung eines Weges oder einer Verschiebung in prinzipieller Darstellung gezeigt. Hiernach ist der Biegebalken 2 einseitig in einem Spannblock 9 fest eingespannt. Das freie Ende 10 ist mit einer Befesti­ gungsvorrichtung 11 für ein, in der Zeichnung nicht darge­ stelltes Zugelement versehen, die im einzelnen nicht näher erläutert wird. Das Zugelement, beispielsweise ein Stahldraht, ist mittels einer Crimphülse 12 befestigt und mit dem zu mes­ senden Objekt verbunden. Jede Verschiebung oder Wegänderung am Objekt bewirkt eine Verbiegung des Biegebalkens 2, damit eine Dehnung des Faser-Bragg-Gitters 6 und eine Änderung des darin rückreflektierten optischen Signals, welche über die Auswerte­ einheit, in der Zeichnung ebenfalls nicht gezeigt erfaßt und ausgewertet wird.
Diese Sensoranordnung ermittelt die physikalischen Größen mit hoher Präzision, ihre Kennlinie ist über einen großen Tempera­ turbereich nahezu linear. Der mechanische Aufwand ist auf Grund des einfachen Prinzips der Rückübersetzung eines relativ großen Verschiebungsweges in eine Faser-Bragg-Gitter-Dehnung von maximal 1% der Faser-Bragg-Gitter-Länge gering, die Sen­ soranordnung weist eine relativ hohe Langzeitstabilität auf. Zum Schutz vor Verschmutzung durch Staub, Feuchtigkeit u. ä. ist das Sensorgehäuse dicht ausgeführt. Ebenso ist die Kabel­ einführung und die Durchführung für das Zugelement mit Dicht­ mitteln ausgestattet.
Zur weiteren Erhöhung der Lebensdauer der Sensoranordnung oder zur Vergrößerung der Variabilität des Einsatzes kann die Sen­ soranordnung auch doppelt ausgeführt sein, das heißt in einem Sensorgehäuse 1 sind zwei Lichtleitfasern 5 mit einge­ schriebenen Faser-Bragg-Gitter 6 auf dem Biegebalken angeord­ net, um gegebenenfalls bei Zerstörung einer Lichtleitfaser 5 die Meßergebnisse der zweiten auswerten zu können, ohne daß die gesamte Meßanordnung erneuert werden muß.
In Fig. 2 ist in prinzipieller Darstellung ein Sensoranordnung zur Ermittlung von Drücken gezeigt. Diese weist als balken­ artiges Teil 2 eine Membran auf, die allseitig eingespannt ist. Auch hier dienen die Einspannelemente 7, 8 gleichzeitig der Abstandshalterung, wobei die Höhe der Abstandshalter in Abhängigkeit vom Druckmeßbereich dimensioniert ist. Jede Druckbeaufschlagung oder -änderung an einem Meßobjekt inner­ halb eines vorgegebenen Meßbereiches führt zur Übersetzung in eine Dehnung beziehungsweise Dehnungsänderung des Faser-Bragg- Gitters 6 innerhalb seines maximal zulässigen Dehnungsberei­ ches.
Um die maximale Druckbeaufschlagung zu begrenzen sind im Sen­ sorgehäuse 1, den Einspannelementes 7, 8 gegenüberliegend zwei Anschläge 13, 14 angeordnet. Dadurch wird eine Überdehnung des Faser-Bragg-Gitters 6 verhindert.
Fig. 3 zeigt einen nach dem gleichen Prinzip aufgebauten Beschleunigungs- oder Schwingungssensor. Zur Schwingungserre­ gung des Biegebalkens 2 ist ein Trägheitsmassestück 15 auf der der Lichtleitfaser 5 gegenüberliegenden Seite des Biegebalkens 2 aufgeklebt. Die eigentliche Sensoranordnung wird vom Sensor­ gehäuse 1 dicht umschlossen. Dazu ist das Gehäuse zweiteilig ausgebildet und mit einer dicht schließenden Abdeckung 16 versehen, so daß die Sensoranordnung nach Fig. 2 mit wenigen konstruktiven Änderungen auch zur Beschleunigungs- oder Schwingungsmessung einsetzbar ist. Der Biegebalken 2 ist mit beiden Enden fest im Sensorgehäuse 1 eingespannt. Auch hier ist die Höhe der Einspannelemente 7, 8, die gleichzeitig der Abstandshalterung dienen, abhängig vom jeweiligen Meßbereich für die Schwingungs- oder Beschleunigungsmessung und ohne größere Änderungen der Baugröße der Sensoranordnung variabel einstellbar.
Zur Begrenzung der Schwingungsamplitude ist im Inneren des Sensorgehäuses 1 ein Anschlag 17 angeordnet, der auf das Träg­ heitsmassestück 15 gerichtet ist.
Auch diese Sensoranordnung weist die Vorteile auf, die bereits zu den Anordnungen nach Fig. 1 und 2 beschrieben worden sind.
Bezugszeichenliste
1
Sensorgehäuse
2
balkenartiges Teil, Biegebalken oder Membran
3
Lichtleitkabel
4
Kabelaufnahme
5
Lichtleitfaser
6
Faser-Bragg-Gitter
7
Einspannelement
8
Einspannelement
9
Spannblock
10
freies Ende
11
Befestigungsvorrichtung
12
Crimphülse
13
Anschlag
14
Anschlag
15
Trägheitsmassestück
16
Abdeckung
17
Anschlag

Claims (13)

1. Faser-Bragg-Gitter-Sensoranordnung zur Messung physika­ lischer Größen, bei der ein Lichtleiter, in den das Faser- Bragg-Gitter eingeschrieben ist, im unmittelbaren Bereich des Faser-Bragg-Gitters zwischen zwei Einspannelementen vorgespannt befestigt ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtleitfaser (5) über ihre Längsachse zumindest im Bereich der Einspannstellen fest mit einem balkenartigen Teil (2) verbunden ist, das auf Biegung beansprucht wird und daß im Bereich wenigstens einer Einspannstelle ein Halterungselement angeordnet ist, das die Lichtleitfaser (5) in einem vorgegebenen Abstand zur neutralen Faser des balkenartigen Teils (2) hält.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Bereich beider Einspannstellen Halterungselemente angeordnet sind, so daß die Lichtleit­ faser (5) in über ihre Längsachse gleichen Abstand zur Längsachse des balkenartigen Teils (2) mit diesem verbun­ den ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abstand zwischen Licht­ leitfaser (5) und balkenartigem Teil (2) abhängig ist vom vorgesehenen Meßbereich der jeweiligen physikalischen Größe.
4. Anordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Einspannelement (7, 8) gleichzeitig als Abstandshalter ausgebildet ist.
5. Anordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das balkenartige Teil (2) eine entsprechende Biegesteifigkeit aufweist und aus einem elastischen Material besteht.
6. Anordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das bal­ kenartige Teil (2) als Biegebalken ausgebildet, an einem Ende fest eingespannt ist und zur Wege- oder Verschie­ bungsmessung am freien Ende (10) mit einer Querkraft zur Realisierung von Verschiebungswegen im mm-Bereich beauf­ schlagt wird.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abstand zwischen Lichtleitfaser (5) und balkenartigem Teil (2) beziehungsweise die Höhe der Einspannelemente (7, 8) abhängig ist von der vorgese­ henen maximalen Verschiebungsweglänge der Anordnung.
8. Anordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ ordnung dadurch zur Druckmessung ausgebildet ist, daß das balkenartige Teil (2) als Membran ausgebildet, allseitig fest eingespannt und die Lichtleitfaser (5) mit einge­ schriebenem Faser-Bragg-Gitter (6) in über ihre Einspann­ länge gleichen Abstand zur Längsachse des balkenartigen Teils (2) angeordnet ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens ein Anschlag (13, 14) zur Begrenzung der maximalen Druckverformung angeordnet ist.
10. Anordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ ordnung dadurch zur Beschleunigungs- oder Schwingungs­ messung ausgebildet ist, daß ein Trägheitsmassestück (15) auf der der Lichtleitfaser (5) gegenüberliegenden Seite des balkenartigen Teils (2) befestigt ist.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anordnung wenigstens einen An­ schlag (17) zur Begrenzung der Schwingungsamplitude auf­ weist.
12. Anordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperaturkompensation Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten eingesetzt werden.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausdehnungskoeffizient und die geometrischen Abmessungen der Einspannelemente (7, 8) im Verhältnis zu den Ausdehnungskoeffizienten des balken­ artigen Teils (2) und des Faser-Bragg-Gitters (6) sowie deren geometrische Abmessungen so gewählt werden, daß die resultierenden wärmebedingten Zwangskräfte auf das Faser- Bragg-Gitter (6) kompensiert werden.
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Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10011790A1 (de) * 2000-03-13 2001-10-11 Siemens Ag Medizinisches Instrument zum Einführen in ein Untersuchungsobjekt, sowie medizinisches Untersuchungs- oder Behandlungsgerät
FR2850745A1 (fr) * 2003-01-31 2004-08-06 Commissariat Energie Atomique Extensometre a corps d'epreuve flexible et reseaux de bragg
FR2904687A1 (fr) * 2006-08-01 2008-02-08 Commissariat Energie Atomique Dispositif de mesure des deformations d'un profile soumis a un ou plusieurs efforts
WO2009027951A1 (en) * 2007-08-30 2009-03-05 University Of Johannesburg A load measuring device
EP2116832A1 (de) * 2008-05-05 2009-11-11 Siemens Aktiengesellschaft Faseroptische Sensoren für mechanische Größen
WO2011116899A1 (de) * 2010-03-26 2011-09-29 Karlsruher Institut für Technologie Massenstromsensor und verfahren zur bestimmung des massenstroms in einem rohr
US8322984B2 (en) 2007-03-29 2012-12-04 Siemens Aktiengesellschaft Pressure measurement device and method for determining wind force at wind energy installations
ITBO20130135A1 (it) * 2013-03-28 2014-09-29 Filippo Bastianini Sensore di deformazione con reticolo di bragg in fibra ottica termocompensato, resistenze agli urti, con sensibilita¿ registrabile e flangie orientabili
WO2017050766A1 (de) * 2015-09-21 2017-03-30 fos4X GmbH Sensorpatch und verfahren zum herstellen eines sensorpatches
WO2017050767A1 (de) * 2015-09-21 2017-03-30 fos4X GmbH Lichtleiter-einspannvorrichtung, faseroptischer sensor und herstellungsverfahren
CN107592787A (zh) * 2017-09-21 2018-01-16 杭州纽登科技有限公司 用塑料光栅尺定位贴装头的定位装置
DE102016100432B4 (de) * 2015-01-20 2018-07-05 Jinn Her Enterprise Co., Ltd. Automatisch vorgespannte und vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Sensorstruktur
RU2726038C1 (ru) * 2019-11-12 2020-07-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук Способ неразрушающего контроля конструкций из композиционного материала
CN111562041A (zh) * 2020-04-22 2020-08-21 江苏法尔胜光电科技有限公司 一种用于四角加压光纤研磨机的光纤光栅压力传感器
CN116164660A (zh) * 2023-04-21 2023-05-26 安徽省七星工程测试有限公司 一种光纤光栅动态挠度监测仪及监测方法
CN118169376A (zh) * 2024-03-26 2024-06-11 亿氢科技(北京)有限公司 一种能够精确测量质子交换膜尺寸变化的装置及方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115164729B (zh) * 2022-06-10 2023-05-30 澳门大学 正负双向测量的、不受振动影响的光纤光栅位移传感器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3541733C1 (de) * 1985-11-26 1986-11-20 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 8000 München Faseroptische Fabry-Perot-Einrichtung
DE2819590C2 (de) * 1977-07-27 1987-02-19 Battelle Development Corp., Columbus, Ohio Vorrichtung zur Messung der in einem festen Körper vorliegenden Spannung
DE19648403C1 (de) * 1996-11-22 1998-04-02 Thomas Dr Ing Nagel Sensor zur Erfassung von Druck- und/oder Zugkräften
US5844667A (en) * 1997-01-28 1998-12-01 Cidra Corporation Fiber optic pressure sensor with passive temperature compensation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2819590C2 (de) * 1977-07-27 1987-02-19 Battelle Development Corp., Columbus, Ohio Vorrichtung zur Messung der in einem festen Körper vorliegenden Spannung
DE3541733C1 (de) * 1985-11-26 1986-11-20 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 8000 München Faseroptische Fabry-Perot-Einrichtung
DE19648403C1 (de) * 1996-11-22 1998-04-02 Thomas Dr Ing Nagel Sensor zur Erfassung von Druck- und/oder Zugkräften
US5844667A (en) * 1997-01-28 1998-12-01 Cidra Corporation Fiber optic pressure sensor with passive temperature compensation

Cited By (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6470205B2 (en) 2000-03-13 2002-10-22 Siemens Aktiengesellschaft Medical instrument for insertion into an examination subject, and medical examination/treatment device employing same
DE10011790B4 (de) * 2000-03-13 2005-07-14 Siemens Ag Medizinisches Instrument zum Einführen in ein Untersuchungsobjekt, sowie medizinisches Untersuchungs- oder Behandlungsgerät
DE10011790A1 (de) * 2000-03-13 2001-10-11 Siemens Ag Medizinisches Instrument zum Einführen in ein Untersuchungsobjekt, sowie medizinisches Untersuchungs- oder Behandlungsgerät
FR2850745A1 (fr) * 2003-01-31 2004-08-06 Commissariat Energie Atomique Extensometre a corps d'epreuve flexible et reseaux de bragg
WO2004070314A1 (fr) * 2003-01-31 2004-08-19 Commissariat A L'energie Atomique Extensometre a corps d'epreuve flexible et reseaux de bragg
US7174061B2 (en) 2003-01-31 2007-02-06 Commissariat A L'energie Atomique Extensometer comprising a flexible sensing element and Bragg gratings
FR2904687A1 (fr) * 2006-08-01 2008-02-08 Commissariat Energie Atomique Dispositif de mesure des deformations d'un profile soumis a un ou plusieurs efforts
EP1887316A1 (de) * 2006-08-01 2008-02-13 Commissariat A L'energie Atomique Device for the measurement of deformations of a profile subject to one or more forces
US8322984B2 (en) 2007-03-29 2012-12-04 Siemens Aktiengesellschaft Pressure measurement device and method for determining wind force at wind energy installations
WO2009027951A1 (en) * 2007-08-30 2009-03-05 University Of Johannesburg A load measuring device
EP2116832A1 (de) * 2008-05-05 2009-11-11 Siemens Aktiengesellschaft Faseroptische Sensoren für mechanische Größen
US8746079B2 (en) 2010-03-26 2014-06-10 Karlsruher Institut Fuer Technologie Mass flow sensor and method for determining the mass flow in a pipe
WO2011116899A1 (de) * 2010-03-26 2011-09-29 Karlsruher Institut für Technologie Massenstromsensor und verfahren zur bestimmung des massenstroms in einem rohr
ITBO20130135A1 (it) * 2013-03-28 2014-09-29 Filippo Bastianini Sensore di deformazione con reticolo di bragg in fibra ottica termocompensato, resistenze agli urti, con sensibilita¿ registrabile e flangie orientabili
DE102016100432B4 (de) * 2015-01-20 2018-07-05 Jinn Her Enterprise Co., Ltd. Automatisch vorgespannte und vollständig von einer Feder ummantelte Lichtleiter-Sensorstruktur
CN108139236A (zh) * 2015-09-21 2018-06-08 福斯4X股份有限公司 传感器贴片及其制造传感器贴片的方法
CN108139237A (zh) * 2015-09-21 2018-06-08 福斯4X股份有限公司 光导夹持装置、光纤传感器及其制造方法
WO2017050767A1 (de) * 2015-09-21 2017-03-30 fos4X GmbH Lichtleiter-einspannvorrichtung, faseroptischer sensor und herstellungsverfahren
WO2017050766A1 (de) * 2015-09-21 2017-03-30 fos4X GmbH Sensorpatch und verfahren zum herstellen eines sensorpatches
US10684145B2 (en) 2015-09-21 2020-06-16 fos4X GmbH Sensor patch and method for producing a sensor patch
US10761261B2 (en) 2015-09-21 2020-09-01 fos4X GmbH Light guide clamping device, fiber optic sensor and production method
CN107592787A (zh) * 2017-09-21 2018-01-16 杭州纽登科技有限公司 用塑料光栅尺定位贴装头的定位装置
RU2726038C1 (ru) * 2019-11-12 2020-07-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук Способ неразрушающего контроля конструкций из композиционного материала
CN111562041A (zh) * 2020-04-22 2020-08-21 江苏法尔胜光电科技有限公司 一种用于四角加压光纤研磨机的光纤光栅压力传感器
CN116164660A (zh) * 2023-04-21 2023-05-26 安徽省七星工程测试有限公司 一种光纤光栅动态挠度监测仪及监测方法
CN118169376A (zh) * 2024-03-26 2024-06-11 亿氢科技(北京)有限公司 一种能够精确测量质子交换膜尺寸变化的装置及方法

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DE19922102B4 (de) 2004-05-13

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