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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zum Erfassen von Relativbewegungen
zwischen einem ersten Objekt und einem zweiten Objekt, insbesondere
einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil oder einem ersten
Wandteil und einem zweiten Wandteil eines Bauwerkes oder einem ersten
und einem zweiten Geländeabschnitt, wobei ein mit dem ersten
Objekt mechanisch verbindbares erstes Sensorelement und ein mit
dem zweiten Objekt mechanisch verbindbares zweites Sensorelement
vorgesehen sind, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Strukturelle
Schäden in Bauwerken und stationären Anlagen,
insbesondere das Auftreten von Rissen und deren dynamische Entwicklung
können oft dramatische Folgen für Leib und Leben
haben. Brüche in tragenden Elementen können schwerwiegende
Folgen nach sich ziehen, die bis zum Einsturz von Gebäuden
und Brücken führen. Aus diesen Gründen
ist es häufig angezeigt, die zeitliche Dynamik solcher
Schäden schon in einer sehr frühen Phase zu überwachen,
um rechtzeitig Sicherungs- oder Reparaturmaßnahmen einleiten
zu können. Nach dem derzeitigen Stand der Technik kommen
neben der aufwändigen Videoüberwachung beispielsweise piezoelektrische
Dehnungsmessstreifen zum Einsatz.
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Die
sehr häufig eingesetzte Überwachungsmethode mit
Dehnungsmessstreifen unterliegt, wie alle analoge Sensorsysteme,
welche direkt auf die Signalhöhe kalibriert werden, eine
Empfindlichkeit gegenüber Pegel-Schwankungen, verursacht
durch Schwankungen in der Stromversorgung oder durch Drifteffekte,
ausgelöst durch Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen
der Umgebung bzw. durch Lebensdauereffekte der eingesetzten Komponenten. Diese
Einflüsse müssen aufwändig kompensiert
werden, limitieren die Auflösung und können Fehlalarme auslösen.
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Aus
der
DE 43 32 621 A1 ist
eine Messeinrichtung zur Überwachung von Bauwerken, Geländebereichen
oder dgl. bekannt. Die Messeinrichtung umfasst einen Lichtwellenleiter-Biegesensor,
der einen Multimode-Lichtwellenleiter (GI) aufweist und in Form
einer Schleife angeordnet ist. Mehrere bogenförmige Sensorabschnitte
(S) sind zwischen Trägerplatten angeordnet, die gegenüber
den Sensorabschnitten bewegbar mit Bauwerks- bzw. Geländebereichen
fest verbunden sind. An den Lichtwellenleiter-Biegesensor ist eine
Lichtquelle und ein Lichtempfänger mit Auswerteinrichtungen
für Lichtdämpfungswerte angeschlossen. Der Lichtwellenleiter-Biegesensor
ist in Form von mehreren Schleifen angeordnet. Der Lichtwellenleiter-Biegesensor
besteht aus Gradient-Index-Multimode-Lichtwellenleiterabschnitten
(GI) und damit verbundenen Step-Index-Multimode-Lichtwellenleiterabschnitten
(SI), wobei die Sensorabschnitte (S) von Gradient-Index-Multimode-Lichtwellenleitern
(GI) gebildet sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der o. g. Art
hinsichtlich der Zuverlässigkeit zu verbessern, hinsichtlich
des Anwendungsspektrums zu erweitern und hinsichtlich der Handhabung
zu vereinfachen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor
der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren
Ansprüchen beschrieben.
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Bei
einem Sensor der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Sensorelemente derart relativ zueinander bewegbar angeordnet
sind, dass eine erste Fläche des ersten Sensorelementes einer
zweiten Fläche des zweiten Sensorelementes zugewandt ist
und sich diese Flächen bei einer Relativbewegung der Sensorelemente
aufgrund einer Relativbewegung der Objekte mit konstantem Abstand relativ
zueinander bewegen, wobei das erste Sensorelement mindestens eine
erste Übertragungsvorrichtung zum Zuleiten eines Signals
an den Sensor aufweist und das zweite Sensorelement mindestens eine
zweite Übertragungsvorrichtung zum Wegleiten des Signals
von dem Sensor aufweist, wobei die erste und zweite Übertragungsvorrichtung
derart angeordnet und ausgebildet sind, dass das Signal nur bei mindestens
einer vorbestimmten Relativposition zwischen den beiden Sensorelementen
von mindestens einer ersten Übertragungsvorrichtung auf
mindestens eine zweite Übertragungsvorrichtung überkoppelt.
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Dies
hat den Vorteil, dass aus dem überkoppelten und von dem
Sensor weggeführten Signal auf einfache Weise auf eine
relative Position der beiden Sensorelemente zueinander geschlossen
und dadurch eine Relativbewegung der Sensorelemente und damit der
Objekte detektiert werden kann.
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Eine
Vorbestimmung einer Messrichtung für die Relativbewegung
der beiden Objekte erzielt man dadurch, dass die Sensorelemente
in einer Führung derart angeordnet sind, dass die beiden
Sensorelemente bei einer Relativbewegung der beiden Objekte zueinander
eine eindimensionale Relativbewegung ausführen.
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Eine
einfache Detektion von N verschiedenen Relativpositionen der Sensorelemente
des Sensors erzielt man dadurch, dass N erste und N zweite Übertragungsvorrichtungen
derart angeordnet sind, dass bei einer n-ten Position, mit n = 1
bis N und n eine ganze Zahl, das Signal von der n-ten ersten Übertragungsvorrichtung
auf die n-te zweite Übertragungsvorrichtung überkoppelt
und die übrigen N – 1 ersten und zweiten Übertragungsvorrichtungen
derart relativ zueinander angeordnet sind, dass ein Überkoppeln
des Signals im Wesentlichen blockiert ist.
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Eine
einfache Detektion von 2N verschiedenen
Relativpositionen der Sensorelemente des Sensors erzielt man dadurch,
dass N erste und N zweite Übertragungsvorrichtungen derart
angeordnet sind, dass bei einer n-ten Relativposition, mit n = 1
bis 2N und n eine ganze Zahl, das Signal
von mindestens einer k-ten ersten Übertragungsvorrichtung
auf mindestens eine k-te zweite Übertragungsvorrichtung, mit
k = 1 bis N und k eine ganze Zahl, überkoppelt.
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Einen
besonders funktionssicheren Sensor ohne die Gefahr von Störungen
durch Hochfrequenzeinstreuungen sowie ohne die Notwendigkeit einer elektrischen
Spannung oder eines elektrischen Stromes am Ort des Sensors selbst,
so dass der Sensor explosionsgeschützt ausgebildet ist,
erzielt man dadurch, dass das Signal eine elektromagnetische Welle
im Wellenlängenbereich von Licht, insbesondere mit einer
Wellenlänge von 300 nm bis 800 nm, ist und die erste und
die zweite Übertragungsvorrichtung jeweils ein Lichtwellenleiter
ist, wobei freie Enden der ersten Lichtwellenleiter auf der ersten
Fläche des ersten Sensorelementes und freie Enden der zweiten Lichtwellenleiter
auf der zweiten Fläche des zweiten Sensorelementes angeordnet
sind, wobei die Enden der ersten Lichtwellenleiter derart ausgebildet
sind, dass das Licht aus den ersten Lichtwellenleitern an deren
Enden in Richtung der zweiten Fläche austritt und die Enden
der zweiten Lichtwellenleitern derart ausgebildet sind, dass Licht,
welches aus Richtung der ersten Fläche auf das Ende eines
zweiten Lichtwellenleiters auftrifft, in diesen zweiten Lichtwellenleiter
eintritt.
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Eine
Vergrößerung der Anzahl der detektierbaren Relativstellungen
der beiden Sensorelemente zueinander erzielt man dadurch, dass die
zweiten Lichtwellenleiter im Bereich von deren auf der zweiten Fläche
angeordneten Enden und beabstandet von diesen wenigstens eine weitere
Stelle aufweisen, welche derart ausgebildet ist, dass Licht, welches aus
Richtung der ersten Fläche auf diese weitere Stelle auftrifft,
in diesen zweiten Lichtwellenleiter eintritt.
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Eine
besonders funktionssichere Anordnung der Übertragungsvorrichtungen
mit eineindeutiger Zuordnung von jeweils einer ersten Übertragungsvorrichtung
zu einer zweiten Übertragungsvorrichtung erzielt man dadurch,
dass die Enden der ersten Lichtwellenleiter auf einer ersten Geraden
und die Enden der zweiten Lichtwellenleiter auf einer zweiten Geraden
angeordnet sind, wobei die erste Gerade relativ zur zweiten Geraden
um einen vorbestimmten Winkel verkippt ist.
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Einen
besonders einfach herzustellenden Sensor erzielt man dadurch, dass
die erste oder die zweite Gerade senkrecht zu einer Richtung der
Relativbewegung der beiden Sensorelemente zueinander ausgerichtet
ist.
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Eine
einfache Aus- und Einkoppelstelle aus den ersten Lichtwellenleitern
heraus bzw. in die zweiten Lichtwellenleiter hinein erzielt man
dadurch, dass erste und zweite Lichtwellenleiter einen Kern und
einen Mantel aufweisen, wobei an den auf der ersten und zweiten
Fläche angeordneten Enden der ersten und zweiten Lichtwellenleiter
der Kern eines jeweiligen Lichtwellenleiters den Mantel in axialer
Richtung überragt, wobei eine Endfläche des Kerns
relativ zur Längsachse des jeweiligen Lichtwellenleiters
um einen vorbestimmten Winkel, insbesondere um 45°, abgeschrägt
ausgebildet ist.
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Eine
alternative einfache Aus- und Einkoppelstelle aus den ersten Lichtwellenleitern
heraus bzw. in die zweiten Lichtwellenleiter hinein erzielt man
dadurch, dass erste und zweite Lichtwellenleiter einen Kern und
einen Mantel aufweisen, wobei an den auf der ersten und zweiten
Fläche angeordneten Enden der ersten und zweiten Lichtwellenleiter
der Kern eines jeweiligen Lichtwellenleiters den Mantel in axialer
Richtung überragt, wobei an einer Endfläche des
Kerns ein zusätzliches optisches Element angeordnet ist,
welches das in dem Lichtwellenleiter geführte Licht aus
dem Lichtwellenleiter auskoppelt und um einen vorbestimmten Winkel,
insbesondere um 45°, abgibt bzw. welches das auf das zusätzliche
optisches Element einfallende Licht um einen vorbestimmten Winkel,
insbesondere um 45°, ablenkt und in den Lichtwellenleiter
einkoppelt.
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Einen
besonders einfachen Aufbau des Sensors ohne die Gefahr von Störungen
durch Hochfrequenzeinstreuungen sowie ohne die Notwendigkeit einer
elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes am Ort des
Sensors selbst, so dass der Sensor explosionsgeschützt
ausgebildet ist, erzielt man dadurch, dass das Signal eine elektromagnetische
Welle im Wellenlängenbereich von Licht, insbesondere mit
einer Wellenlänge von 300 nm bis 800 nm, ist und die mindestens
eine erste Übertragungsvorrichtung ein erster Lichtwellenleiter
ist, wobei mindestens ein freies Ende des mindestens einen ersten Lichtwellenleiters
auf der ersten Fläche des ersten Sensorelementes angeordnet
ist, wobei die mindestens eine zweite Übertragungsvorrichtung
ein optischer Reflektor, insbesondere ein Retroreflektor, ist, welcher
auf der zweiten Fläche des zweiten Sensorelementes angeordnet
ist, wobei die Enden der ersten Lichtwellenleiter derart ausgebildet
sind, dass das Licht aus den ersten Lichtwellenleitern an deren Enden
in Richtung der zweiten Fläche austritt und die optischen
Reflektoren derart ausgebildet sind, dass diese Licht, welches aus
Richtung der ersten Fläche auf diese auftrifft in Richtung
der ersten Fläche derart zurück reflektieren,
dass das reflektierte Licht wieder in den jeweiligen ersten Lichtwellenleiter
eintritt. Der erste Lichtwellenleiter dient somit zusammenwirkend mit
dem optischen Reflexionselement zum Wegleiten des Signals von dem
Sensor, so dass weniger Übertragungsvorrichtungen erforderlich
sind.
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Eine
besonders einfache Auswertung der weggeleiteten Signale mit Zuordnung
zu einer bestimmen Relativposition der Sensorelemente erzielt man
dadurch, dass jede als optischer Reflektor ausgebildete zweite Übertragungsvorrichtung
mindestens einen, insbesondere mehrere, Reflexionselemente aufweist,
die derart auf der zweiten Fläche angeordnet sind, dass
bei einer Relativbewegung der beiden Sensorelemente zueinander ein
Ende eines vorbestimmten ersten Lichtwellenleiters den aus diesem
austretenden Lichtstrahl in Abhängigkeit von der Relativposition
der Sensorelemente zueinander immer nur auf jeweils eines der Reflexionselemente
von einer vorbestimmten zweiten Übertragungsvorrichtung
richtet.
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Zum
funktionssicheren Unterscheiden von verschiedenen Relativpositionen
der Sensorelemente zueinander sind die Reflexionselemente der zweiten Übertragungsvorrichtung
als Bitmuster auf der zweiten Fläche angeordnet.
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Zum
Einkoppeln der optischen Signale in die ersten Lichtwellenleiter
und zum Auswerten der über die ersten Lichtwellenleiter
rückgeführten Signale sind die ersten Lichtwellenleiter
an einem dem ersten Sensorelement abgewandten Ende mit einem optischen
Sender, insbesondere mit mindestens einer LED, und einem optischen
Empfänger, insbesondere mit mindestens einer Photodiode,
mit Auswerteinheit verbunden.
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Eine
besonders funktionssichere Anordnung der Übertragungsvorrichtungen
mit eineindeutiger Zuordnung von jeweils einer ersten Übertragungsvorrichtung
zu einer zweiten Übertragungsvorrichtung erzielt man dadurch,
dass die Enden der ersten Lichtwellenleiter auf einer ersten Geraden
und optische Reflektoren auf einer zweiten Geraden angeordnet sind,
wobei die erste Gerade relativ zur zweiten Geraden um einen vorbestimmten
Winkel verkippt ist.
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Einen
besonders einfach herzustellenden Sensor erzielt man dadurch, dass
die erste oder die zweite Gerade senkrecht zu einer Richtung der
Relativbewegung der beiden Sensorelemente zueinander ausgerichtet
ist.
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Eine
einfache Aus- und Einkoppelstelle aus den ersten Lichtwellenleitern
heraus bzw. in die zweiten Lichtwellenleiter hinein erzielt man
dadurch, dass der mindestens eine erste Lichtwellenleiter einen Kern
und einen Mantel aufweist, wobei an dem auf der ersten Fläche
angeordneten Ende des ersten Lichtwellenleiters der Kern den Mantel
in axialer Richtung überragt, wobei eine Endfläche
des Kerns relativ zur Längsachse des Lichtwellenleiters
um einen vorbestimmten Winkel, insbesondere um 45°, abgeschrägt
ausgebildet ist.
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Eine
alternative einfache Aus- und Einkoppelstelle bei den ersten Lichtwellenleitern
erzielt man dadurch, dass der mindestens eine erste Lichtwellenleiter
einen Kern und einen Mantel aufweist, wobei an dem auf der ersten
Fläche angeordneten Ende des ersten Lichtwellenleiters
der Kern den Mantel in axialer Richtung überragt, wobei
an einer Endfläche des Kerns ein zusätzliches
optisches Element angeordnet ist, welches das in dem ersten Lichtwellenleiter geführte
Licht aus dem Lichtwellenleiter auskoppelt und um einen vorbestimmten
Winkel, insbesondere um 45°, abgibt.
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Eine
besonders einfache Zuordnung von weggeleitetem Licht zu einer bestimmten
Relativposition der beiden Sensorelemente zueinander erzielt man
dadurch, dass wenigstens zwei, insbesondere alle ersten Lichtwellenleiter
jeweils eine von den anderen ersten Lichtwellenleitern unterschiedliche Lichtwellenlänge übertragen.
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Die
Lichtwellenleiter sind beispielsweise als Glasfaserkabel ausgebildet.
Besonders funktionssichere, einfach in Herstellung und Verarbeitung
zu handhabende sowie mechanisch robuste und gegen mechanische Krafteinwirkung
unempfindliche Lichtwellenleiter erzielt man dadurch, dass diese
als Kunststofffaserkabel ausgebildet sind.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Diese zeigt in:
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1 eine
erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Sensors in schematischer Darstellung,
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2 die
erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Sensors gemäß 1 nach einer
Relativbewegung von Sensorelementen,
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3 eine
zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Sensors in schematischer Darstellung,
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4 eine
dritte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Sensors in schematischer Darstellung,
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5 eine
schematische Detailansicht von zwei Lichtwellenleitern der ersten
bevorzugen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Sensors und
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6 eine
schematische Detailansicht von einem Lichtwellenleiter und einem
Retroreflektor der zweiten bzw. dritten bevorzugten Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Sensors.
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Die
in 1 und 2 dargestellte, erste bevorzugte
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Sensors umfasst ein erstes Sensorelement 10, welches zum
Befestigen an einem ersten Objekt ausgebildet ist, und ein zweites
Sensorelement 12, welches zum Befestigen an einem zweiten
Objekt ausgebildet ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind das erste und zweite Objekt Teile einer Wand eines Bauwerkes
beidseits eines die Wand aufweisenden Risses 14.
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Der
erfindungsgemäße Sensor dient zum Überwachen
des Risses 14, d. h. zum Detektieren von Relativbewegungen
der beiden Teile der Wand benachbart zu dem Riss 14, die
zu einer Veränderung des Risses 14 führen,
wobei im Wesentlichen eine Vergrößerung des Risses 14 von
Interesse ist, da dies Rückschlüsse auf die strukturelle
Integrität sowie Tragfähigkeit der Wand und ggf.
die strukturelle Integrität des gesamten Bauwerkes ermöglicht. Obwohl
die Erfindung nachfolgend in Bezug auf eine Rissüberwachung
beschrieben wird, ist die Erfindung nicht auf einen Riss in einer
Wand eines Bauwerkes beschränkt. Der erfindungsgemäße
Sensor ist bei allen Situationen anwendbar, bei denen sich zwei
Objekte relativ zueinander Bewegen und zwischen diesen Objekten
ein Spalt bzw. Abstand ausgebildet ist, welcher sich durch die Relativbewegung
der beiden Objekte in seinen Abmessungen bzw. Dimensionen ändert.
Andere Beispiele für derartige Anwendungsbereiche des erfindungsgemäßen
Sensors sind Verwerfungen in Böden, Gesteinen oder Felsen
von Landschaftsformationen, zwei an sich getrennte Bauteile eines
Bauwerkes, wie Träger und Wände, sowie Bruchteile
eines bereits teilweise eingestürzten Bauwerkes.
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Die
beiden Sensorelemente 10, 12 sind derart angeordnet
und ausgebildet, dass sich diese bei einer Relativbewegung der Objekte
ebenfalls relativ zueinander mit den Objekten mitbewegen, wobei eine
erste Fläche 16 des ersten Sensorelementes 10 einer
zweiten Fläche 18 des zweiten Sensorelementes 12 zugewandt
ist (vgl. 5 und 6). Bei
der Relativbewegung der Sensorelemente 10, 12 in
eine Richtung 20 bewegen sich die beiden Flächen 16, 18 relativ
zueinander mit konstantem Abstand 22. Dieser konstante
Abstand 22 ist aus 5 und 6 für zwei
verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Sensors ersichtlich.
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Der
erfindungsgemäße Sensor der ersten bevorzugten
Ausführungsform gemäß 1, 2 und 5 weist
erste Übertragungsvorrichtungen 24 in Form von
ersten Lichtwellenleitern auf, die mit ihren freien Enden 26 auf
der ersten Fläche 16 des ersten Sensorelementes 10 entlang
einer ersten Geraden 28 angeordnet sind.
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Weiterhin
sind zweite Übertragungsvorrichtungen 30 vorgesehen,
die mit ihren freien Enden 32 auf der zweiten Fläche 18 des
zweiten Sensorelementes 12 entlang einer zweiten Geraden 34 angeordnet
sind. Die beiden Geraden 28 und 34 befinden sich
in einer Ebene parallel zu der ersten und zweiten Fläche 16, 18 und
sind zueinander um einen vorbestimmten Winkel verkippt. Hierdurch
stehen sich bei verschiedenen Relativpositionen der beiden Sensorelemente 10, 12 zueinander
jeweils unterschiedliche Paare von Enden 26, 32 gegenüber,
wie in 5 dargestellt. Dies bedeutet, dass sich die Enden 26, 32 von
einem Paar Lichtwellenleiter 24, 30 auf einer
dritten Geraden 36 befinden, die senkrecht zur relativen Bewegungsrichtung 20 bzw.
senkrecht zu den Flächen 16, 18 bzw.
senkrecht zu einer von den Geraden 28, 34 aufgespannten
Ebene ausgerichtet und angeordnet ist. Hierdurch kann ein von dem
ersten Lichtwellenleiter 24 zum ersten Sensorelement 10 übertragenes
Signal an den zweiten Lichtwellenleiter 30 überkoppeln,
wie nachfolgend näher beschrieben wird. Die ersten Lichtwellenleiter 24 sind
an deren von dem ersten Sensorelement 10 abgewandten Ende
mit einem optischen Sender 40 verbunden, der ein optisches
Signal aussendet, welches dementsprechend von den ersten Lichtwellenleiter 24 zum ersten
Sensorelement übertragen wird. Die zweiten Lichtwellenleiter 30 sind
an deren von dem zweiten Sensorelement 12 abgewandten Enden
mit einem optischen Empfänger 42 verbunden, welcher
ein von den zweiten Lichtwellenleitern 30 von dem zweiten Sensorelement 12 weggeleitetes
optisches Signal detektieren, wobei der optische Empfänger 42 derart ausgebildet
ist, dass dieser feststellen kann, von welchem oder welchen der
zweiten Lichtwellenleiter 30 das optische Signal übertragen
wird.
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In 1 ist
eine erste Relativposition der beiden Sensorelemente 10, 12 zueinander
dargestellt, wobei in einem Bereich 38 die Enden 26, 32 von
einem Paar Lichtwellenleiter 24, 30 auf einer
dritten Geraden 36 liegen und sich somit in einer Überkoppelposition
befinden, d. h. in einer Position, in der ein Signal aus einem der
ersten Lichtwellenleiter 24 in einen der zweiten Lichtwellenleiter überkoppelt.
Alle übrigen Enden 26, 32 der Lichtwellenleiter 24, 30 befinden
sich keiner derartigen Überkoppelposition, so dass bei
allen übrigen Lichtwellenleitern 24, 30 ein Überkoppeln
des Signals blockiert bzw. nicht möglich ist. In 2 ist
eine zweite Relativposition der beiden Sensorelemente 10, 12 zueinander
dargestellt, wobei der Bereich 38, bei dem sich zwei Enden 26, 32 von
einem Paar Lichtwellenleiter 24, 30 auf einer
dritten Geraden 36 in einer Überkoppelposition
befinden, nun ein anderes Paar von Lichtwellenleitern 24, 30 betrifft.
Bei dem zuvor gemäß 1 in Überkoppelposition
befindliche Paar von Lichtwellenleitern 24, 30 ist
ein Überkoppeln von dem ersten Lichtwellenleiter 24 auf
den zweiten Lichtwellenleiter 30 nicht mehr möglich
bzw. blockiert, da sich diese aufgrund der Relativbewegung zwischen
den beiden Sensorelementen 10, 12 nicht mehr auf
einer dritten Geraden 36 befinden. Somit können
durch Bestimmen in dem optischen Empfänger 42 desjenigen
zweiten Lichtwellenleiters 30, welcher das optische Signal überträgt,
vier verschiedene Relativpositionen der Sensorelemente 10, 12 zueinander
eindeutig detektiert werden. Da das Überkoppeln des optischen
Signals zwischen zwei Enden 26, 32 nicht abrupt
beginnt und endet, sondern mit zunehmender Annäherung von zwei
Enden 26, 32 an eine Gerade 36 kontinuierlich zunimmt
und mit zunehmender Entfernung von einer dritten Geraden 36 wieder
kontinuierlich abnimmt, können von dem optischen Empfänger 42 auch
Relativpositionen der Sensorelemente 10, 12 zwischen denjenigen
Relativpositionen, an denen zwei Enden 26, 32 genau
auf einer dritten Geraden 36 liegen, d. h. bei maximaler Überkopplung
des Signals von dem ersten Ende 26 eines ersten Lichtwellenleiters 24 auf das
zweite Ende 32 eines zweiten Lichtwellenleiters 30,
detektiert werden.
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In
der beispielhaften Ausführungsform gemäß 1 und 2 ist
die Anordnung der Enden 26, 32 derart getroffen,
dass je nach Relativpositon der Sensorelemente 10,12 immer
nur bei einem Paar von ersten und zweiten Lichtwellenleitern 24, 30 ein maximales Überkoppeln
des Signals stattfindet bzw. bei jeder Relativposition der Sensorelemente 10, 12 zueinander
immer nur maximal ein Paar von Enden 26, 32 auf
einer dritten Geraden 36 mit maximalem Überkoppeln
liegt. Dies ist jedoch lediglich beispielhaft. Die Anordnung kann
alternativ auch derart getroffen werden, dass an verschiedenen Relativpositionen
der Sensorelemente 10, 12 zueinander, zwei, mehrere
oder alle Paare von Enden 24, 30 auf einer dritten
Geraden 36 mit maximalem Überkoppeln liegen. Hierzu
könnten die ersten und/oder zweiten Lichtwellenleiter 24, 30 beispielsweise
mit jeweils mehreren freien Enden 26, 32 ausgebildet
sein oder es könnte jeder einzelne erste und/oder zweite
Lichtwellenleiter 24, 30 an zusätzlichen
Stellen beabstandet von dem jeweiligen Ende 26 bzw. 32 derart
ausgebildet sein, dass auch dort ein Auskoppeln des Signals aus
dem ersten Lichtwellenleiter 24 bzw. ein Einkoppeln des
Signals in den zweiten Lichtwellenleiter 30, möglich
ist. Ein Beispiel für eine derartige Anordnung ist später
anhand von einer dritten bevorzugten Ausführungsform dargestellt.
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Das Überkoppeln
des Signals von einem ersten Ende 26 eines ersten Lichtwellenleiters 24 in
bzw. auf ein zweites Ende 32 eines zweiten Lichtwellenleiters 30 ist
für die erste bevorzugte Ausführungsform gemäß 1 und 2 schematisch
in 5 veranschaulicht. Die Lichtwellenleiter 24, 30 weisen
jeweils einen Mantel 44 und einen Kern 46 auf.
An den Enden 26, 32 überragt der Kern 46 den
Mantel 44, so dass sich über einen vorbestimmten
Endbereich des jeweiligen Lichtwellenleiters 24, 30 ein
freiliegender Abschnitt des Kerns 46 ergibt. Eine Endfläche 48 des Kerns 46 ist
relativ zur dritten Geraden 36 um einen vorbestimmten ersten
Winkel bzw. relativ zu einer Längsachse des Lichtwellenleiters 50 um
einen vorbestimmten zweiten Winkel abgeschrägt ausgebildet.
Dieser vorbestimmte erste und zweite Winkel beträgt in
der dargestellten Ausführungsform beispielhaft 45°.
Dies führt dazu, dass an den Enden 26 der ersten
Lichtwellenleiter 24 das von diesen übertragene,
optische Signal an der Endfläche 48 im Wesentlichen
total reflektiert wird und in Richtung bzw. parallel zur dritten
Geraden 36 bzw. senkrecht zur Längsachse 50 bzw.
senkrecht zur Bewegungsrichtung 20 aus dem Ende 26 des
ersten Lichtwellenleiters 24 austritt. Durch die im Wesentlichen
identische Ausbildung des zweiten Endes 32 des zweiten
Lichtwellenleiters 30 koppelt dieses optische Signal durch
eine Totalreflexion an der Endfläche 48 in den
zweiten Lichtwellenleiter 30 ein. Es ist aus 5 unmittelbar ersichtlich,
dass das Überkoppeln des optischen Signals nur dann erfolgt,
wenn die beiden Enden 26, 32 von zwei Lichtwellenleitern 24, 30 entsprechend
zueinander ausgerichtet sind. Dieses Überkoppeln erfolgt
dann maximal, wenn sich die beiden Enden in der zuvor beschriebenen Überkoppelposition,
d. h. beide auf der dritten Geraden 36, befinden. Jedoch auch
benachbart zur Überkoppelposition, d. h. wenn sich beide
Enden 26, 32 nahe einer gemeinsamen dritten Geraden 36 befinden,
erfolgt bereits ein Überkoppeln mit entsprechend verringerter
Amplitude im Vergleich zum maximalen Überkoppeln an der Überkoppelposition.
Die Totalreflexion an den Endflächen 48 kann noch
dadurch unterstützt werden, dass die Endflächen
mit einer entsprechend optisch wirksamen Schicht beschichtet bzw.
verspiegelt sind, oder ein zusätzliches optisches Element
zur Ablenkung des ausgekoppelten optischen Signals in Richtung der
dritten Geraden 36 vorgesehen ist. In letzterem Fall kann dann
ggf. auf die abgeschrägt Ausbildung der Endfläche 48 verzicht
werden und die Fläche für die Totalreflexion in
dem zusätzlichen optischen Element, wie beispielsweise
einem Prisma, ausgebildet sein.
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3 und 6 zeigen
eine zweite, alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors.
In 3 sind funktionsgleich Teile mit gleichen Bezugszeichen,
wie in 1, 2 und 5 bezeichnet,
so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung
der 1, 2 und 5 verwiesen
wird. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß 1 und 2 sind
bei der zweiten Ausführungsform gemäß 3 die
zweiten Übertragungsvorrichtungen 30 nicht als
Lichtwellenleiter, sondern als Reflektoren, insbesondere als Retroreflektoren, ausgebildet,
so dass die zweiten Übertragungsvorrichtungen 30 ein
aus einem ersten Ende 26 eines ersten Lichtwellenleiters 24 austretendes
optisches Signal im Wesentlichen in diejenige Richtung zurück reflektieren,
aus der das optische Signal auf die zweite Übertragungsvorrichtung 30 aufgetroffen
ist, wie in 6 dargestellt. Das Überkoppeln
des optischen Signals auf eine jeweilige zweite Übertragungsvorrichtung 30 führt
somit dazu, dass das optische Signal zurück in den ersten
Lichtwellenleiter 24 eingekoppelt wird. Anstatt eines zweiten
Lichtwellenleiters, wie in der ersten Ausführungsform gemäß 1 und 2,
benutzt die zweite Übertragungsvorrichtung 30 somit
den ersten Lichtwellenleiter 24 zum Wegführen
des optischen Signals von dem Sensor. Auf diese Weise kann ein vollständiger
zweiter Satz von Lichtwellenleitern eingespart werden. Der gesamte Aufbau
wird einfacher zu handhaben und zu montieren. Der optische Empfänger
ist hierbei mit den von dem ersten Sensorelement 10 abgewandten
Enden der ersten Lichtwellenleiter 24 verbunden. Hierzu weisen
die ersten Lichtwellenleiter 24 eine entsprechende Y-Weiche 52 an
den vom ersten Sensorelement 10 abgewandten Ende auf, wie
in 3 dargestellt. Alternativ sind optischer Sender
und Empfänger 40, 42 in einem einzigen
Gerät integriert, so dass auf die Y-Weiche 52 verzichtet
werden kann.
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4 zeigen
eine dritte, alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Sensors. In 4 sind funktionsgleich Teile
mit gleichen Bezugszeichen, wie in 1, 2, 3, 5 und 6 bezeichnet,
so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung
der 1, 2, 3, 5 und 6 verwiesen
wird. Im Unterschied zur zweiten Ausführungsform gemäß 3 sind
auf der zweiten Fläche des zweiten Sensorelementes 12 mehrere zweite Übertragungsvorrichtungen 30 in
Form von Reflektoren in der Art eines Bitmusters vorgesehen. Diese
dritte Ausführungsform wird beispielsweise dadurch realisiert,
dass die zweite Fläche des zweiten Sensorelementes vollflächig
mit einem Reflektor beschichtet ist und auf diese Reflektorschicht
eine Maske mit Ausnehmungen in Form des gewünschten Musters
aufgelegt ist. Bei dieser Ausführungsform gibt es vorbestimmte
Relativpositionen der Sensorelemente 10, 12 zueinander,
bei denen das optische Signal nicht nur bei einem, sondern auch
bei zwei, mehreren oder allen ersten Lichtwellenleiter 24 auf die
zweiten Übertragungsvorrichtungen 30 überkoppelt
und über dementsprechend zwei, mehreren oder allen ersten
Lichtwellenleitern 24 zurück zum optischen Empfänger
geleitet wird. Auf diese Weise kann der optische Empfänger
mehrere, fein abgestufte Relativpositionen der Sensorelemente 10, 12 zueinander
eineindeutig detektieren. Bei der beispielhaften Darstellung in 4 liegt
eine Relativposition der beiden Sensorelemente 10, 12 vor,
bei der bei drei der vier ersten Lichtwellenleiter 24 ein Überkoppeln
auf jeweils eine zweite Übertragungsvorrichtung 30 erfolgt,
bzw. bei drei Paaren von ersten Lichtwellenleitern 24 und
zweiten Übertragungsvorrichtungen 30 jeweils ein
Ende 26 und ein Reflektor 30 auf einer dritten
Geraden 36 angeordnet sind.
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Der
erfindungsgemäße Sensor ermittelt die mechanische
Verschiebung zweier Bezugspunkte, welche durch die Dynamik einer
Schadstruktur, wie beispielsweise eine Rissöffnung ausgehend
von einer vorbestimmten, initialen Referenzposition heraus, hervorgerufen
wird. Die zu messende Verschiebung wird nicht, wie beispielsweise
beim Dehnungsmessstreifen, durch einen analogen elektrischen Messwert
wiedergegeben. Stattdessen überstreichen die Enden 26, 32 eines
oder mehrerer Lichtwellenleiter 24, 30 in definierten
Positionen angebrachte Koppelstellen 38, die entweder das
von einem ersten Lichtwellenleiter 24 ausgesandte Licht
bzw. optische Signal weiterleiten (Transmissionsanordnung, vgl. 1, 2 und 5)
oder reflektieren (vgl. 3, 4 und 6).
Der Zustand der Wirksamkeit einer solchen optischen Kopplung entspricht
der binären EINS, während das Nichtvorhandensein
einer optischen Kopplung einer binären NULL entspricht.
Dieses Messverfahren ist sehr unempfindlich gegenüber Pegelschwankungen
aller Art, so lange der analoge Schwellwert für die Zuordnung
der binären Zustände Null und Eins nicht im Bereich
möglicher Störsignale liegt. Im Gegensatz zu bekannten Sensoren
ist keine aufwändige Kalibrierung des Systems auf eine
analoge Signalpegelhöhe nötig. Durch Parallelisierung
n solcher Koppelelemente in verschiedenen Positionen auf der Messachse
können bis zu n, mit speziellen binären Kodierverfahren
bis zu 2n verschiedene binär kodierte
Messwerte ausgegeben werden.
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Bei
der ersten beispielhaften Ausführungsform gemäß der 1 und 2 treten
zwei auf gegeneinander verschiebbaren Schlitten (Sensorelemente 10, 12)
angeordnete Lichtwellenleiterbündel (24, 30)
miteinander in Funktion.
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Die
beiden Schlitten (Sensorelemente 10, 12) sind
jeweils auf den beiden Seiten des zu untersuchenden Risses 14 außerhalb
der Schadzone befestigt. Die Enden 26, 32 der
Lichtwellenleiter 24, 30 sind so geformt, dass
sie als Umlenkspiegel (Fläche 48) dienen und das
Licht von einem in den anderen Lichtwellenleiter koppeln sobald
sie in der richtigen Position relativ zueinander angeordnet sind,
wie aus 5 und 6 ersichtlich.
Das übergekoppelte Licht wird dann an einem vom Sensor
abgewandten Ende eines jeweiligen zweiten Lichtwellenleiters 30 (1 und 2)
oder ersten Lichtwellenleiters 24 (3 und 4)
detektiert.
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Bei
der zweiten und dritten Ausführungsform gemäß der 3 und 4 ist
auf einem der beiden gegeneinander verschiebbaren Schlitten (Sensorelement 10 oder 12)
ein Lichtleiterbündel aus Lichtwellenleitern 24 angeordnet,
wobei die Enden 24 der Lichtwellenleiter 24 derart
ausgebildet sind, dass sie als Umlenkspiegel (Fläche 48)
dienen. Auf der zweiten Fläche 18 des anderen
Schlittens (zweites Sensorelement 12 oder 10)
sind reflektierende Elemente 30 in der Weise positioniert,
dass sie, sobald sie in der geeigneten Position zum liegen kommen,
das aus dem darunter liegenden Faserende 26 des ersten
Schlittens 10 austretende Licht wieder dorthin reflektiert
wird. Dieser Zustand entspricht der binären EINS. Trifft
das austretende Licht nicht auf eine Licht reflektierende Position 30 des
zweiten Schlittens 12, entspricht dies der binären
NULL.
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Das
reflektierte Signallicht bzw. optisches Signal) wird beispielsweise über
einen 50:50-Leistungsteiler 52 (3) zum Empfänger
geführt. Ein nachgeschalteter Komparator entscheidet, ob
die Höhe des Signalpegels eine binäre EINS oder
binäre NULL darstellt. Alle zusammenlaufenden binäre
Informationen werden anschließend in einem Mikrocontroller-System
zur Auswertung gebracht. Beim Aufbau von n Fasern können
n verschiedene Messwerte aufgelöst werden.
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Die
Positionierung der einzelnen reflektierenden Zonen 30 wird
beispielsweise durch eine vollständig reflektierende Oberfläche
der Schlittenunterseite 18 in Kombination mit einer austauschbaren Lochblende
realisiert. Eine aufwändigere, aber genauer auflösende
und mit einem größeren Messbereich versehene Realisierung
der Erfindung ist die Anordnung der reflektierenden Flächen 30 in
einem binär kodierten Muster, wie in 4 dargestellt.
Mit der in 4 dargestellten Anordnung der
reflektierenden Flächen 30 kann man bei n Fasern
2n verschiedene Messwerte als Bitmuster
darstellen Um die Nutzbarkeit der Erfindung für den Anwender
zu unterstützen, wird das den Messwert repräsentierende
Bitmuster zur Auswertung und Abspeicherung von einem in der Steuereinheit
befindlichen Mikrocontroller verarbeitet.
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Die
Steuereinheit kann entweder direkt mit dem Sensor zusammengebaut
sein oder räumlich von den Sensorelementen 10, 12 getrennt
und über eine Lichtwellenleiter-Verbindung mit dem Sensor verbunden
sein. Diese Verbindung ist beispielsweise steckbar ausgeführt.
Durch Programmierung des Mikrocontrollers legt der Anwender fest,
bei welchen Schwellwerten der Verschiebungen der beiden Schlitten 10, 12 gegeneinander
eine Warn- oder Alarmmeldung ausgelöst wird. Gleichzeitig
wird jeder Messwert mit einem Zeitstempel versehen. Eine sinnvolle
Erweiterung der Steuereinheit stellt die Integration einer I/O-Schnittstelle
zur Außenwelt dar, über die Messdaten ausgelesen
und der weiteren externen Verarbeitung zugeführt werden.
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Eine
vereinfachte, kostengünstigere Variante ist die Verwendung
verschiedenfarbiger Lichtquellen an jedem individuellen ersten Lichtwellenleiterstrang 24.
In dieser Konfiguration kann auf eine opto-elektrische Wandlung
und computergestützte Auswertung verzichtet werden. In
diesem Fall umfasst der optische Empfänger 42 eine
Mattscheibe, auf mit bloßem Auge eine entsprechende Leuchtfarbe
ablesbar ist. Aus der Farbe des vom Sensor weggeführten
Lichtes schließt der Beobachter dann auf die eingetretene Verschiebung
der Schlitten 10, 12 relativ zueinander und damit
auf eine Veränderung des Risses.
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Ein
besonderer Vorteil der Verwendung eines optischen Signals liegt
auch darin, dass am Ort der Messung, also beispielsweise am Ort
des überwachenden Risses in einer Wand, keine elektrischen Ströme
oder Spannungen vorhanden sind. Somit kann der erfindungsgemäße
Sensor auch in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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