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Die vorliegende Erfindung betrifft ein akustisches bzw.
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druckempfindliches Sensorelement nach dem Gattungsbegriff des Anspruches
1.
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In der Literatur sind verschiedene Formen von akustischen Sensoren
beschrieben worden, bei denen durch Druckschwankungen hervorgerufene Änderungen
der optischen Phase eines durch eine Lichtleitfaser übertragenen kohärenten Lichtstrahles
ausgewertet werden. In diesem Zusammenhang sei beispielsweise auf die Veröffentlichungen
von J.A.Bucaro und anderen verwiesen, die unter folgenden Titeln in folgenden Fachzeitschriften
erschienen sind:"Optical Fiber Acoustic Sensors", Applied Optics 16, 1761, (1977);
"Fiber Optic Hydrophone", J.Acoust. Soc. A., 62, No.5, 1302-4, Nov. 1977; und "Measurement
of Sensitivity of Optical Fibers for Acoustic Detection", Applied Optics 18, 938
(1979). Ferner sei auf die US-PS 4 162 397 in diesem Zusammenhang verwiesen.
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Die akustische Empfindlichkeit derartiger Einrichtungen ist der optischen
Phasenänderung &+ proportional und umgekehrt proportional der Druckänderung
P multipliziert mit der Lichtleitfaserlänge L. Für eine blanke iichtieitfaser läßt
sich diese akustische Empfindlichkeit durch folgenden Ausdruck angeben:
In dieser Gleichung bedeutet: B = Lichtfortpflanzungsgeschwindigkeit in der Lichtleitfaser
E
= Elastizitätsmodul des Lichtleitfasermaterials #= Poisson'sche Zahl für das Lichtleitfasermaterial
n = Brechungsindex des Lichtleitfasermateriales P 11P12 = Dehnungsoptische Koeffizienten
des Lichtleitfasermateriales Die Werte E, , P11 und P12 variieren für die meisten
Giasmaterialien nicht zusehr über einen großen Bereich. Für eine blanke erschmolzene
Sillkat-Lichtleltfaser wurde der Wert fur ##/## ungefähr zu 2,6 x 10-11x L ( h rad/Pa)
gemessen und verrechnet.Obgleich Sensoren mit Lichtleitfasern dieser Art sich als
nützlich für akustische Messungen bei Unterwasseranwendungen erwiesen haben, ist
deren Empfindlichkeit für die praktische Verwendung jedoch sehr gering.
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Bei der dritten Veroffentllchlng von Bucaro 'rMeasurement of sensitivity
of optimal fibers for accustic detection" wird beschrieben, daß der Kopplungskoeffizient
um eine Größenordnung größer wird, wenn anstatt einer unbeschichteten Lichtleitfaser
eine Faser verwendet wird, die aus einem mit Germanium dotierten Silikatkern mit
einer Rorsilikat-Phosphat-Umhüllung besteht und eine schützende Plastikeinhüllung
aufweist.In dieser Veröffentlichung wird vermutet, daß die Plastikeinhüllung eine
sehr viel höhere Poisson'sche Zahl und Kompressibilität als die Lichtleitfaser aufweist,
wodurch die Anordnung sehr viel mehr als eine blanke Lichtleitfaser gestreckt wird
und somit das Ansprechverhalten verbessert wird.
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Ausgehend von einem derartigen bekannten Sensorelement ist es die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dessen Ansprechempfindlichkeit
noch
weiter zu verbessern.Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten
Erfindung.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
entnehmbar.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Lichtleitfaserspirale in
einen Block aus Material eingebettet, wobei dieses Einbettungsmaterial einen geringeren
Elastizitätsmodul als das Lichtleitfasermaterial aufweist. Hierdurch wird die akustische
Empfindlichkeit eines derartigen eine Lichtleitfaser aufweisenden akustischen Sensorelementes
stark verbessert. Die Erfindung macht von dem Grundprinzip Gebrauch, daß das steifere
Material, d.h. die Lichtleitfaser in diesem Fall die größere durch den Druck zugeführte
Beanspruchung aufnimmt und dadurch tatsächlich stärker beansprucht wird als dies
bei einer mit dem gleichen Druck beaufschlagten blanken Lichtleitfaser der Fall
wäre. Durch die erhöhte Beanspruchung wird eine höhere Dehnung erzeugt und die Größe
a po und somit die akustische Empfindlichtkeit übersteigt somit diejenige einer
blanken Lichtleitfaser und auch diejenige einer einfach umhüllten Lichtleitfaser.
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Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles sei im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig.1 ein bekanntes akustisches Sensorelement mit einer LichtleitfaserO in einer
Umhüllung J; Fig.2 ein akustisches Sensorelement gemäß der Erfindung in einer ersten
Ausführungsform; und Fig.3 ein akustisches Sensorelement gemäß der Erfindung in
einer zweiten Ausführungsform
Die Empfindlichkeit des akustischen
Sensorelementes hängt von der druckinduzierten optischen Phasenverschiebung des
die Lichtleitfaser durchlaufenden Lichtstrahles ab. Diese Phasenverschiebung beruht
auf zwei Hauptursachen: der druckinduzierten Längenänderung der Lichtleitfaser und
der Änderung des Brechungsindexes der Lichtleitfaser. Die Längenänderung läßt sich
einfach durch die Elastizitätstheorie beschreiben.
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Die Brechungsindexänderung ist durch den dehnunqsoptischen Effekt
vorgegeben und hängt sogar bei isotrope beispielsweise Glas, sowohl von der axialen
als auch von der transversalen D-hn ungskc.mponente in der Lichtleitfaser ab.
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In einer einem hydrostatischen Druck ausgesetzten blanken Lichtleitfaser
sind die Beanspruchungen und Dehnungen in allen Richtungen einander gleich.Es stelltsich
heraus, daß die Auswirkungen auf die Phasenverschiebung,hervorgerufen durch die
Längenänderung,und durch die Brechungsindexänderung ein entgegengesetztes Vorzeichen
bei einer etwa gleichen Größe aufweisen, so daß der nesdmteffek.t geringer als jeder
der durch die beiden SnderWngen hervorqerufene Effekt ist.
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Wenn eine Lichtleitfaserspirale in einen Block aus Material mit geringerem
Elastizitätsmodul eingebettet wird, so werden die Beanspruchungen und Dehnungen
in der Lichtleitfaser bedeutend verändert. Die radiale Beanspruchung ist etwas größer
als im Falle der blanken Lichtleitfaser, wobei jedoch die Erhöhung der Beanspruchung
den Faktor 2 nicht überschreitet.
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Wichtiger ist, daß die axiale Beanspruchung in großem Umfang in der
eingebetteten Lichtleitfaser erhöht wird. Dies beruht darauf, daß in einer zusammengesetzten
Struktur die steifere Komponente ( die Lichtleitfaser) proportional mehr von der
Gesamtlast aufnimmt und daß die gesamte axiale Last nunmehr durch den Druck mal
dem Querschnitt der spiralförmig eingebetteten
LlchtleitfasergE
Ein Großteil der axial der eingebetteten Lichtleitfaser zugeführten Druckkraft wird
somit von dem Materlalblock auf die Lichtleitfaser selbst übertragen, so daß die
axiale Beanspruchung und die Längenänderung sehr viel größer als bei einer blanken
Lichtleitfaser werden.
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Diese erhöhte axial Beanspruchung und dementsprechend die hervorgerufene
Längenänderung der eingebetteten Lichtleitfaser erhöhen eindeutig die druckinduzierte
optische Phasenverschiebun und somit die akustische Empfindlichkeit. Es gibt jedoch
noch einen zweiten Aspekt bezüglich der Erhöhung der Empfindlichkeit einer eingebetteten
Lichtleitfaser. Da die Querbeanspruchung der eingebetteten Lichtleitfaser nicht
wesentlich erhöht wird, erhöht sich auch die Phasenverschiebung aufgrund der Brechungsindexänderung
nicht so rasch wie dies aufgrund der Längenänerung geschieht. Die ausnutzbare optische
Phasenverschiebung ist durch die Differenz zwischen den durch die Lärgenänderung
und die Brechungsindexänderung hervorgerufenen Effekten gegeben, wobei sich bei
einer eingebetteten Lichtleitfaser diese Differenz sehr viel schneller als die Längenändenu-,g
alleine erhöht.
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Die Verbesserung in der Empfindlichkeit gegenüber der blanken Lichtleitfaser
hängt von dem Verhältnis des Elastizitätsmoduls der Lichtleitfaser gegenüber dem
Elastizitätsmodul des sie umgebenden Materiales ab,und sie hängt ferner von dem
Verhältnis der Beschichtungsdicke zu dem Radius der Lichtleitfaser ab. Je größer
diese Verhältnisse gewählt werden, um so größer ist die Verbesserung hinsichtlich
der akustischen Empfindlichkeit, obgleich beim Erreichen eines ausreichend hohen
Wertes für das zweite Verhältnis durch eine weitere Steigerung dieses Verhältnisses
kaum noch eine Erhöhung der Empfindlichkeit zu erzielen ist. Die Verbesserung der
Empfindlichkeit hängt ebenfalls von
dem Wert der Poisson'schen Zahl
für die Lichtleitfaser und das Einbettungsmaterial ab.
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Gemäß Figur 2 ist ein Sensorelement 10 dargestellt, das eine optische
Lizhtleitfaser 11 ,beispielsweise erschmolzen aus Silikat,aufweist, wobei die Lichtleitfaser
in einen Block 12 aus Material eingebettet ist, das gegenüber dem Lichtleitfasermaterial
einen geringeren Elastiziztätsmodul aufweist. Dieses Material mit geringerem Elastizitätsmodul
kann ein warmhärtbares oder thermoplastisches Material, wie beispielsweise Silikongummi,
sein.
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Berechnungen haben gezeigt, daß der maximale Anstieg der akustischen
Empfindlichkeit durch die Verwendung eines Einbettungsmateriales mit einem aeringen
Elastizitätsmodul und mit einer geringen Poisson'schen Zahl erzielt werden kann.
Das Material muß ebenfalls um die Lichtleitfaser herum gießbar sein. Obgleich Materialien
mit geringen Elastitzitätsmodul zu hohen Werten bezüglich der Poisson'schen Zahl
neigen, sind viele Arten von weichplastischem Material in der Lage, eine große Erhöhung
bezüglich der Empfindlichkeit zu erzeugen. Verschiedene Silikongummimischungen und
eine weiche Polyurethanmischung sind benutzt worden,um eine Steigerung der Empfindlichkeit
in der Größenordnung von 100 im Vergleich zu der blanken optischen Lichtleitfaser
zu erzielen. Einige spezifische benutzte Materialien sind folgende: RTV 615- und
RTV 602-Silikongummi von der Firma General Electric; die durchsichtige Ferris-Gießmischung
der Firma Jewelers Aids Company; und PR-1574-Polyurethan der Firma Products Research
and Chemical Corporation.
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In einigen Anwendungsfällen wird das akustische Sensorelement einem
hohen statischen Druck ausgesetzt. Unter diesen Umständen kann es nicht wünschenswert
sein, das weicheste Einbettungsmaterial
für eine maximale Erhöhung
der akustischen Empfindlichkeit auszuwählen. Weiche Materialien mit einem geringen
Elastizitätsmodul erfahren bei einem hohen statischen Druck eine große statische
Dehnung, so daß auch die in das Material eingebettete Lichtleitfaser in hohem Maß
gedehnt wird.
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Ferner verändern sich die elastischen Eigenschaften des Einbettungsmateriales
bei großer Dehnung, wodurch die akustische Empfindlichkeit des Sensorelementes vermindert
und das Ansprechverhalten in Abhängigkeit von dem statischen Druck nicht linear
wird. Im Falle von hohem statischen Druck muß daher ein Kompromiß bezüglich des
Elnbettungsmateriales getroffen werden und es muß ein Material mit einem höheren
Elastizitätsmodul gewählt werden, so daß der statische Druck einen geringeren Einfluss
ausübt. Die akustische Empfindlichkeit wird dann geringer als bei einem weicheren
Einbettungsmaterial, aber die Lichtleitfaser ist dann nicht so bruchempfindlich
und das Ansprechverhalten des Sensorelementes hängt weniger von dem statischen Druck
ab. Viele härtere thermoplastischen und warmhärtbaren Materialien, wie beispielsweise
Epoxyde, Polystyren und Polytetrafluoräthylen sind in jenen Fällen geeignet.
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Gemäß Figur 3 ist ein Sensorelement 20 dargestellt, bei dem eine Lichtleitfaserspirale
21 in einen Zylinder aus Material eingebettet ist, wobei das Zylindermaterial einen
geringeren Elastizitätsmodul als das Lichtleitfasermaterial aufweist. Der Zylinder
22 besitzt einen hohlen Kern 23. Durch die Einbettung der spiralförmigen Lichtleitfaser
21 in die hohlzylindrische Struktur 22 mit geringerem Elastizitätsmodul läßt sich
eine Erhöhung der Beanspruchung in einigen Richtungen und in einigen Teilen der
Struktur erzielen, wenn diese einem isotropischen Druck ausgesetzt wird. Wenn beispielsweise
ein Außendruck P einer dünnwandigen hohlen Kugel zugeführt wird, so kann die tangentiale
Beanspruchung in der Kugelhülle beträchtlich größer als der Druck P sein. In gleicher
Weise kann bei Zuführung
eines Druckes P von außen zu einem dünnwandigen
hohlen Zylinder bei Verschließung der Enden dieses hohlen Zylinders durch Endplatten
die axiale Beanspruchung in den Wänden sehr viel größer als der Druck P sein. Wenn
bei einem derartigen Aufbau die Lichtleitfaser so eingebettet ist, daß sie vorherrschend
in der Richtung der maximalen Beanspruchung verläuft, so kann die druckinduzierte
axiale Beanspruchung und die daraus resultierende optische Phasenverschiebung in
der Lichtleitfaser beträchtlich gegenüber dem Fall erhöht werden, wo die Lichtleitfaser
in einen festen gleichförmigen Block aus dem gleichen elastischen Material eingebettet
ist.
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Bei einem solchen hohlen Aufbau aus einem Material mit geringerem
Elastizitätsmodul kann ein erstes Ausführungsbeispiel eine relativ dünnwandige Hohlkugel
aus dem Material mit geringem Elastizitätsmodul aufweisen, wobei die Lichtleitfaser
in das Material eingebettet ist. Ein zweites Ausführungsbeispiel kann einen relativ
dünnwandigen hohlen Zylinder aus elastischem Material umfassen, der an seinen Enden
durch Endplatten 24, 25 verschlossen ist, wobei die Lichtleitfaser in dieses Material
eingebettet ist und vorherrschend in Längsrichtung verläuft. Ein drittes Ausführungsbeispiel
umfaßt den gleichen Hohlzylinder, wobei jedoch die Lichtleitfaser vorherrschend
kreisförmig eingebettet ist.