DE19922102A1 - Fibre Bragg grating sensor device for detecting physical dimensions incorporates a light waveguide with fibre Bragg grating fastened under pre-tension between two locking elements - Google Patents
Fibre Bragg grating sensor device for detecting physical dimensions incorporates a light waveguide with fibre Bragg grating fastened under pre-tension between two locking elementsInfo
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Abstract
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.The invention relates to a fiber Bragg grating sensor arrangement to determine physical quantities in which an optical fiber, in which the fiber Bragg grating is inscribed, in the immediate area of the fiber Bragg grating between two clamps elements is attached preloaded.
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.Fiber Bragg grating sensors are in different types guides for determining physical quantities such as force, Pressure, strain, displacement, temperature already known. In an optical fiber that has an inscribed fiber Bragg grating has, an optical signal is fed, the through the fiber Bragg grating back-reflected signal via an off unit of value is evaluated. The signal becomes a loading tune the wavelength of the back-reflected signal divides, detects and amplifies and by means of appropriate Evaluates hardware and software. This evaluation and implementation of the optical signal into the respective physical measurand is done with high accuracy.
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.For example, from US 5,844,667 is a temperature compensated pressure sensor known that a pressure membrane on points that with a inscribed in an optical fiber Nes fiber Bragg grating is connected, via its back reflection tated signals pressure changes recorded and evaluated can be. The temperature compensation takes place via the Use of materials with different dimensions coefficients and about the geometric dimensions of Kom pension elements.
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.The disadvantage of this solution is that to take advantage of the maxi possible stretch of the fiber Bragg grid very large mem fire diameters are necessary, the pressure sensors large Ab measurements or with small diaphragms knives falsify the measurement.
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.From the publication DE 196 48 403 C1 is also a Sensor for detecting pressure and / or tensile forces known, in which an optical fiber with an integrated fiber Bragg Grid in an expansion body immediately above and below the Bragg grid is firmly integrated. The expansion body tensions in doing so the light guide before train and grasp it components good. Changes in tension or pressure cause a change in length of the fiber Bragg grating and thus changes in the wavelength the signal reflected back by the fiber Bragg grating, which of the evaluation technology for evaluating the thereby captured th physical quantity is supplied.
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.This sensor is only for the detection of compressive or tensile forces usable, other physical quantities, such as displacement or It cannot measure speed. Moreover the sensor only works in a limited measuring range.
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.The measuring range of the Bragg grating sensor is determined by the maximum possible strain on the fiber Bragg Grid. A glass fiber with a primary coating breaks at one Elongation of approximately 4% of the fiber Bragg grating length. If you assume a grid length of approx. 10 mm, corresponds to one Change in length of approx. 400 µm. Since the area for fiber Bragg grating before being written into the optical fiber coat and then recoated, the maxi drops male strain to approx. 3%. For safety reasons and ensuring the life of the fiber optic generally the stretch range to max. 1%. This means that the length available for measurement gene change of the fiber Bragg grating is a maximum of 100 µm. Known sensor arrangements are therefore, for example, for di correct measurement of displacement in mm ranges settable. The measuring ranges for pressure or acceleration are also Inclination measurement due to the relatively minimal strain bean Optical fiber stress is limited or inaccurate. By The clamping length of the optical fiber can be increased larger or more variable measuring ranges can be achieved, however this also increases the dimensions of the sensors considerable, what is in terms of costs, manufacturing costs and possible areas of application has a negative impact.
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.It is therefore an object of the invention to provide a fiber Bragg grating To create a sensor arrangement of relatively small size with which measuring ranges adapted to special circumstances are recorded can and with which the determination of different physika sizes.
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.According to the invention the object is achieved in that the Optical fiber along its longitudinal axis at least in the area of Clamping points firmly connected to a beam-like part is that is claimed on bending and that in the area we at least one clamping point arranged a bracket is that the optical fiber at a predetermined distance from neutral fiber of the beam-like part holds.
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.With this solution according to the invention, the measuring range of respective physical size the respective circumstances by adjusting the effective elongation of the fiber Bragg grating to the maximum allowable elongation due to a distance Arrangement of the fiber Bragg grating in relation to the neutral one Adjusted fiber of the beam-like part. Thereby the Her Position of fiber Bragg grating sensors of small dimensions and simple constructive execution possible.
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.After an advantageous embodiment of the invention Arrangement are in the area of both clamping points bracket elements arranged so that the optical fiber in over their Longitudinal axis equal distance to the longitudinal axis of the beam-like Partly connected to this.
Damit lassen sich Faser-Bragg-Gitter-Sensoren zur Erfassung unterschiedlichster physikalischer Größen realisieren.This allows fiber Bragg grating sensors to be detected realize different physical sizes.
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.According to another advantageous embodiment of the Invention According to the arrangement, the distance between the optical fiber and beam-like part depending on the intended measuring range of the respective physical quantity.
Dabei liegt eine Abstandsänderung in solchen Größenordnungen, die keine wesentlichen Änderungen der Abmessungen der Sensor anordnung bedingen.A change in distance is of such magnitudes the no significant changes in the dimensions of the sensor order.
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.From a constructive and cost perspective, it is advantageous if that at least one clamping element simultaneously as a spacer ter is trained. This also increases the measuring accuracy the sensor arrangement increases because the distance between the on tension points and between optical fiber and beam-like Part is precisely defined.
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.To realize different measuring ranges and for Er Achieving an optimal measuring accuracy shows the bar-like Part of an appropriate bending stiffness and consists of an elastic material.
In weiteren vorzugsweisen Ausbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung werden Sensoren zur Erfassung unterschiedlicher physikalischer Größen beschrieben.In further preferred configurations of the invention Arrangement are sensors for detecting different physical quantities are described.
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. After that, a displacement or strain sensor is there characterized in that the beam-like part is fixed at one end is clamped and for path or displacement measurement on free end with a shear force for realizing displacement exercise paths in the mm range.
Dabei ist der Abstand zwischen Lichtleitfaser und balkenarti gem Teil beziehungsweise die Höhe der Halterungselemente ab hängig von der vorgesehenen maximalen Verschiebungsweglänge der Anordnung.The distance between the optical fiber and the beam type according to part or the height of the mounting elements depending on the intended maximum displacement path length the arrangement.
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.This embodiment of the arrangement according to the invention is based on measuring an elongation of the fiber Bragg grating, the propor tional the elongation of the top of the beam-like part Action of a shear force on the free end of the beam art is partly. This force causes the bal to bend Ken-like part and thereby to a shift of the free End, whose path length is measurable. There is an over setting the measuring path of the displacement length into an elongation of the fiber Bragg grating about the change in distance of two Points on the bending line of the one-sided clamped beam-like part. Depending on this shift it comes to the stretching of the optical fiber and the inside written fiber Bragg grating. This change in length reflects reflected back through the fiber Bragg grating Wavelength again, which is by means of a known evaluation can be determined. With the distance of the fiber Bragg grating to the longitudinal axis of the beam-like part and the distance of the Clamping points the transmission ratio is determined. With the respective geometric and material side Aus formation of the beam-like part takes place the adaptation of Adjustment force to the respective application. This arrangement thus enables path translations in the mm range, preferably of up to 5 mm, in an elongation of the fiber Bragg grating from Max. 1% of the fiber Bragg grating length.
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. According to a further embodiment of the invention This arrangement is designed for pressure measurement that the bar-like part is designed as a membrane and the Optical fiber with inscribed fiber Bragg grating in over their clamping length equals the distance to the surface of the membrane is arranged. Here, the bending deformation due to Nor painting pressure stress caused.
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.According to this embodiment, the distance between Fiber Bragg grating and membrane used to measure pressure in areas to be able to capture that normally in the stretch range of maximum 1% with a small size of the sensor are measurable.
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.To increase the life of the sensor arrangement and for ver avoid damage due to excessive pressurization it is further provided that at least one stop for Limitation of the maximum compression set is arranged.
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.After a further advantageous training of the fiction According to the arrangement, this is for acceleration or Vibration measurement that an inertial mass piece on beam-like part is attached.
Dabei weist die Anordnung wenigstens einen Anschlag zur Be grenzung der Schwingungsamplitude auf.The arrangement has at least one stop for loading limit the vibration amplitude.
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.This configuration of the arrangement is also structurally simple and executed inexpensively. Adjusting the maximum possible Chen elongation of the fiber Bragg grating to the desired measurement area is without significant size change due to ent Talking training of the bracket elements just as easy possible, as in the previously described embodiments.
Des weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zur Tempera turkompensation Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungs koeffizienten eingesetzt werden.Furthermore, it is provided according to the invention that for tempera tur compensation materials with different expansion coefficients are used.
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. The temperature compensation takes place in that the Expansion coefficient and the geometric dimensions of the Clamping elements in relation to the expansion coefficients the beam-like part and the fiber Bragg grating as well whose geometric dimensions are chosen so that the resulting thermal constraints on the fiber Bragg grating and the thermo-optical effect called change in wavelength can be compensated.
Dadurch wird die Genauigkeit der Messung erhöht und der Stör faktor der Temperaturabhängigkeit der Lichtleitfasern fast völlig kompensiert.This increases the accuracy of the measurement and the interference factor of the temperature dependence of the optical fibers almost completely compensated.
Die erfindungsgemäße Anordnung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt dabei inThe arrangement according to the invention is described below with reference to Embodiments are explained in more detail. The associated Drawing shows in
Fig. 1 einen Dehnungssensor in prinzipieller Schnittdarstel lung, Fig. 1 lung a strain sensor in principle Schnittdarstel,
Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines Drucksensors und Fig. 2 shows the basic structure of a pressure sensor and
Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau eines Beschleunigungs- oder Schwingungssensors. Fig. 3 shows the basic structure of an acceleration or vibration sensor.
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.According to FIG. 1 to 3 consists of each fiber Bragg grating sensor from the sensor housing 1, arranged therein, beam-like part 2 in the form of a bending beam or membrane and the optical waveguide arrangement mounted thereon. The Lichtleiteranord voltage consists of the fiber optic cable 3 , which is inserted into the sensor housing 1 through a strain-relieving cable receptacle 4 . From there, the exposed Lichtleitfa water 5 , in which the fiber Bragg grating 6 is inscribed, is continued. At a certain distance on both sides of the fiber Bragg grating 6 , the optical fiber 5 is glued into a clamping element 7 , 8 under prestress. For temperature compensation, the clamping elements 7 , 8 are made of a material with a large coefficient of expansion, for example brass, and have a certain length. The bending beam is made of a material with a lower expansion coefficient, such as spring steel. The temperature compensation is also carried out by means of precalculated geometric dimensions of both the optical fiber 5 and the bending beam 2 and the clamping elements 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.The clamping elements 7 , 8 are also simultaneously designed as holding elements for spacing, so that it is ensured that the optical fiber 5 has a calculated distance from the longitudinal axis of the bending beam 2 over the entire length between the clamping elements 7 , 8 .
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.In Fig. 1, a sensor arrangement for determining a path or a shift in basic representation is shown. Thereafter, the bending beam 2 is firmly clamped on one side in a clamping block 9 . The free end 10 is provided with a fastening device 11 for a tension element, not shown in the drawing, which is not explained in detail. The tension element, for example a steel wire, is fastened by means of a crimp sleeve 12 and connected to the object to be measured. Every shift or change of path on the object causes the bending beam 2 to bend, so that an expansion of the fiber Bragg grating 6 and a change in the optical signal reflected back therein, which is also shown and evaluated via the evaluation unit, not shown in the drawing.
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.This sensor arrangement also determines the physical quantities high precision, their characteristic is over a large tempera door range almost linear. The mechanical effort is on Because of the simple principle of retranslating a relative large displacement path in a fiber Bragg lattice strain of a maximum of 1% of the fiber Bragg lattice length, the Sen sensor arrangement has a relatively high long-term stability. To protect against contamination by dust, moisture and the like. Ä. the sensor housing is tight. Likewise, the cable introduction and implementation for the tension element with sealing medium equipped.
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.To further increase the life of the sensor arrangement or to increase the variability of the application, the sensor arrangement can also be designed twice, that is, in a sensor housing 1 , two optical fibers 5 with a written fiber Bragg grating 6 are arranged on the bending beam, if necessary if an optical fiber 5 is destroyed, the measurement results of the second can be evaluated without the entire measurement arrangement having to be renewed.
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.In Fig. 2 in a basic representation a sensor arrangement is shown for the determination of pressures. This has as a beam-like part 2, a membrane that is clamped on all sides. Here too, the clamping elements 7 , 8 simultaneously serve as spacers, the height of the spacers being dimensioned as a function of the pressure measuring range. Each pressurization or change on a measurement object within a predetermined measurement range leads to translation into an expansion or change in elongation of the fiber Bragg grating 6 within its maximum allowable expansion range.
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.In order to limit the maximum pressurization, two stops 13 , 14 are arranged in the sensor housing 1 , the clamping element 7 , 8 opposite. This prevents overextension of the fiber Bragg grating 6 .
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. Fig. 3 shows a constructed on the same principle acceleration or vibration sensor. For vibration excitation of the bending beam 2 , an inertial mass piece 15 is glued to the side of the bending beam 2 opposite the optical fiber 5 . The actual sensor arrangement is tightly enclosed by the sensor housing 1 . For this purpose, the housing is formed in two parts and provided with a tightly closing cover 16 , so that the sensor arrangement according to FIG. 2 can also be used for acceleration or vibration measurement with only a few design changes. The bending beam 2 is firmly clamped in the sensor housing 1 with both ends. Here, too, the height of the clamping elements 7 , 8 , which also serve as spacers, can be variably adjusted depending on the respective measuring range for the vibration or acceleration measurement and without major changes in the size of the sensor arrangement.
Zur Begrenzung der Schwingungsamplitude ist im Inneren des Sensorgehäuses 1 ein Anschlag 17 angeordnet, der auf das Träg heitsmassestück 15 gerichtet ist.To limit the vibration amplitude, a stop 17 is arranged in the interior of the sensor housing 1 , which is directed to the inertial mass piece 15 .
Auch diese Sensoranordnung weist die Vorteile auf, die bereits zu den Anordnungen nach Fig. 1 und 2 beschrieben worden sind. This sensor arrangement also has the advantages which have already been described for the arrangements according to FIGS. 1 and 2.
11
Sensorgehäuse
Sensor housing
22nd
balkenartiges Teil, Biegebalken oder Membran
beam-like part, bending beam or membrane
33rd
Lichtleitkabel
Fiber optic cable
44th
Kabelaufnahme
Cable intake
55
Lichtleitfaser
Optical fiber
66
Faser-Bragg-Gitter
Fiber Bragg grating
77
Einspannelement
Clamping element
88th
Einspannelement
Clamping element
99
Spannblock
Clamping block
1010th
freies Ende
free end
1111
Befestigungsvorrichtung
Fastening device
1212th
Crimphülse
Crimp sleeve
1313
Anschlag
attack
1414
Anschlag
attack
1515
Trägheitsmassestück
Inertial mass piece
1616
Abdeckung
cover
1717th
Anschlag
attack
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