DE3140584A1

DE3140584A1 - Vorrichtung zum abfuehlen einer beschleunigung mit optischer faser

Info

Publication number: DE3140584A1
Application number: DE19813140584
Authority: DE
Inventors: Clayton J. East Aurora N.Y. Schneider jun.
Original assignee: Calspan Corp
Current assignee: Calspan Corp
Priority date: 1980-10-15
Filing date: 1981-10-13
Publication date: 1982-08-19
Also published as: US4353259A

Description

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Vorrichtung zum Abfühlen einer

Beschleunigung mit optischer Faser

Allgemein - richtet sich die Erfindung auf ein Beschleunigungssystem mit optischer Faser (Lichtleiter). Die Erfindung wird allgemein bei Beschleunigungsmessern angewendet und insbesondere bei solchen Beschleunigungsmessern, welche opto-elektrische Abfühlelemente haben.

Beschleunigungsschalter und Sensoren sind bekannt. Im allgemeinen bestehen sie aus einer von einer Feder gehalterten Masse, wobei die Bewegung der Masse mechanisch mit dem Schleifer eines Potentiometers verbunden oder auf andere Weise mit einer Einrichtung zur Anzeige oder zum Schalten gekoppelt ist. Die bekannten Vorrichtungen sind im allgemeinen groß und nicht für hohe Beschleunigungswerte geeignet. Außerdem haben sie Kontakte, die der Korrosion, Verunreinigungen und sich verändernden Druckniveaus ausgesetzt sind, die alle eine lange Standzeit dieser bekannten Vorrichtungen erheblich verringern, sei es im aktiven oder inaktiven Zustand in der Zwischenzeit. Beschleunigungssensoren werden in großem Umfang bei der Überwachung des Startens von Projektilen, Geschossen und Raketen verwendet, um Transportgerätschaften für hohe Geschwindigkeiten richtig zu gestalten, ist es notwendig, die Wirkungen auf Aufbauten und Leute zu kennen, wenn sie bekannten Beschleunigungskräften unterworfen sind. In allen diesen Fällen sind Instrumente erforderlieh, welche die Beschleunigung messen und erfassen.

Die Erfindung schafft einen einfachen, groben, kompakten Erdbeschleunigungskraft- und Rotationssensor, welcher die Biegeeigenschaften eines freitragend angeordneten bzw. einseitig eingespannten optischen Faserstabes oder einer optischen Faserstange ausnutzt. Die Masse des Stabes bzw. der Stange ist dann das Trägheitselement des Sensors, und seine Steifheit sorgt für die Rückstellkraft. In das eine Ende

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-Ί-

des Stabes eingeführtes Licht wird am anderen Ende bei einer vorbestimmten Auslenkposition erfaßt/ die eine Beschleunigung eines vorbestimmten Betrages anzeigt.

Gegenstand der Erfindung ist daher auch die Schaffung einer Beschleunigungsanzeige mit einem optischen Faserstab als Abfühlelement. Mit Vorteil wird auch ein Beschleunigungssensor erfindungsgemäß geschaffen, bei welchem der optische Faserstab mechanisch verklinkbar ist.

Günstig ist es gemäß der Erfindung auch, wenn der Beschleunigungssensor mit dem optischen Faserstab diskrete Stufen für Beschleunigungsgrößen aufweist. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist die Faseroptik einen Beschleunigungssensor mit Änderungssatz bzw. Betrag der Änderung (rate of change) auf. Mit Vorteil wird durch die Maßnahmen der Erfindung eine kompakte Anzeigevorrichtung geschaffen zum direkten visuellen Auslesen der Beschleunigung in dem optischen Fasersystem, und es ist bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch günstig, einen Rotationssensor vorzusehen, der als Abfühlelement eine optische Faserstange aufweist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Vorderansicht der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform,

Fig. 3 die Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Beschleunigungssensors mit Verklinkeinrichtung bzw. Sperre für den optischen Faserstab,

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines Beschleunigungssensors mit optischer Faserstange zum Abfühlen der Beschleuni-

-δι gungsgrößen in verschiedenen Schritten,

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht des in Fig. 4 veranschaulichten Sensors,

Fig. 6 eine schematische Seitenansicht einer anderen Ausführungsform eines kompakten Beschleunigungssensors

mit optischem Faserstab zum direkten Lesen, Fig. 7 eine schematische Vorderansicht der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform,

Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf eine andere Ausführungsform von Beschleunigungssensor mit optischem Faserstab mit finderungsbetrag (rate of change) ,

Fig. 9 ein schematisches Diagramm einer geeigneten elektronischen Schaltung für den in Fig. 8 dargestellten Sensor,

Fig. 10 die schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform als Rotationssensor mit optischer Faserstange, Fig. 11 eine Seitenansicht der in Fig. 10 veranschaulichten Ausführungsform,

Fig. 12 eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors mit optischer Faserstange, der einen Begrenzungsanschlag und einen optischen Faserstab aufweist, welcher eine Kopplung mit einer äußeren Lichtquelle und einem Detektor vorsieht, und Fig. 13 eine Seitenansicht eines in Fig. 12 dargestellten Sensors.

Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen schematisch eine typische Ausführungsform der Erfindung. Der optische Faserstab 11 ist mit seinem Ende 12 freitragend bzw. einseitig eingespannt gehaltert, wobei das Ende 12 im Halterungsaufbau 13 in Kunststoff gegossen ist. Der Halterungsaufbau 13 ist zu Darstellungszwecken als transparenter Kunststoff veranschaulicht. Im allgemeinen ist ein opakes Material bevorzugt, um etwaige unerwünschte Lichtreflexionen zu verhindern. Wenn der Halterungsaufbau 13 sich im Ruhezustand befindet, ist der Stab oder die Stange 11 in der gezeigten Position. Wenn der Halterungsaufbau 13 beschleunigt wird,

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wie durch den Beschleunigungsvektor * 14 dargestellt ist, wird der optische Faserstab zurückgebogen, wie in gestrichelter Form dargestellt ist,, wobei der Betrag der Biegung eine Funktion der Größe des Beschleunigungsvektors 14 ist. Die Erfindung ist nicht in kritischer Weise empfindlich auf die Beschleunigungsrichtung. Änderungen der Beschleunigungsrichtung bis zu _+15° sind im allgemeine vernachlässigbar. Of-.fensichtlich ist die empfindlichste Richtung für kleine Bewegungen des Stabes die Richtung um 90° gegenüber der Ruhe-

10- position des Stabes. Im allgemeinen ist der Sensor so ausgerichtet, daß die Beschleunigungsrichtung im wesentlichen unter rechten Winkeln zur Nominalposition des Stabes liegt, urn die Beschleunigungsgröße anzuzeigen. Selbstverständlich ist die Stange oder der Stab unter dem Einfluß von Beschleunigungskräften nicht mehr gerade, sondern gekrümmt. Beschleunigungskräfte (_+) mit einer Vektorrichtung 15, die im wesentlichen längs der Stabachse liegen, haben im allgemeinen auf die Vorrichtung keine Wirkung.

Wenn Lichtenergie in das Ende 12 des Stabes 11 eingeführt wird, wird sie aus dem freien Ende 16 des Stabes austreten. Wenn der Halterungsaufbau 13 einer Beschleunigung unterworfen wird, die ausreicht, um den optischen Faserstab 11 in die Stellung 17 zu biegen, tritt das aus dem freien Ende des Stabes herauskommende Licht in den kurzen Abschnitt 18 des optischen Faserstabes ein, der in herkömmlicher Weise mit dem Lichtdetektor 19 gekoppelt ist, und sorgt für ein elektrisches Signal auf dem Leiter 20. Die Frequenz der Lichtenergie ist nur insofern kritisch, als die Lichterfassungseigenschaften des Detektors 19 verträglich bzw. kompatibel mit den Lichtemissionseigenschaften des Emitters 21 sind. Herkömmliche lichtemittierende Dioden sind für den Emitter geeignet, und PIN-Fotodioden sind für den Detektor geeignet. Eine herkömmliche Glühlampe kann als Lichtquelle verwendet werden, und eine Fotozelle oder ein Fotowiderstand kann als Lichtdetektor verwendet werden. Die an den Leitern 22 der Li chi quelle angelegte Erregerspannung kommt von einer herkömmlichen Quelle, z.B. einer Batterie geeig-

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-ιοί neter elektrischer Parameter für die verwendete Lichtquelle.

Die Erfindung sorgt für ein Ausgangssignal auf den elektrischen Leitern 20 bei vorbestimmten Beschleunigungsbetrag (jener, welcher die optische Faserstange 11 in die Position 17 biegt).. Dieses Signal steht zur weiteren Verwendung an, z.B. zur Verringerung der Eingangsenergie, welche den Körper, an dem der Sensor angebracht ist, zur Beschleunigung bringt. Damit kann die Beschleunigung des Körpers unter einer bestimmten Größe gehalten werden. Als weiteres Anwendungsbeispiel des hier offenbarten Beschleunigungssensors kann die Vorrichtung ein Signal hervorrufen, welches zur Verringerung der Bremstätigkeit bei einer Vorrichtung verwendet werden kann, die zu schnell verlangsamt wird. In ähnlicher Weise kann die Beschleunigung über einer bestimmten Größe gehalten werden, wobei der optische Faserstab im allgemeinen in einer über den Detektor hinaus liegenden. Position, wie z.B. bei 23 gezeigt ist, gehalten wird, und wenn die Beschleunigung sich auf den vorbestimmten Betrag, wie durch ein Ausgangssignal angezeigt ist, verlangsamt, wird die den Stabhalterungsaufbau 13 tragende Vorrichtung beschleunigt, um den Stab in eine Position vom Detektor fort zu bewegen, wie z.B. bei 23 gezeigt ist. Bei dieser Praxis wird erfindungsgemäß leicht die Länge und der Querschnitt eines freitragenden Stabes bestimmt ebenso wie die Anordnung des Detektors für die erwünschte Auslenkung oder Verbiegung (innerhalb der elastischen Grenzen des Stabes), und zwar für eine bestimmte Beschleunigungsgröße, wobei die bekannten physikalischen Konstanten und Biegecharakteristiken der optischen Faserstäbe in Betracht gezogen werden.

Die Ausfuhrungsformen gemäß der Erfindung können ferner so abgestimmt werden, daß die Stabverbiegung oder -auslenkung in einer speziellen Ausführungsform auf eine spezielle Beschleunigungsgröße dadurch eingestellt wird, daß der freitragende Stab mit einem elastischen Anstrich in geeigneter Weise bemalt wird. Ein Acryllack mit feinverteiltem Metallpulver gefüllt ist ein geeigneter Anstrich. Durch das Be-

streichen des Stabes in der Nähe seines freien Endes (in erster Linie Zuführen von Masse zu dem sich bewegenden System) läßt den Stab für eine gegebene Beschleunigung sich weiter biegen. Das Bestreichen des Stabes in der Nähe der Halterung bringt die Tendenz, daß mehr ein Steifigkeitseffekt als ein Masseneffekt hinzugefügt wird, und es ist eine größere Beschleunigung notwendig, um dasselbe Abbiegen oder Äuslenken vorzusehen. Die Ausbreitungsrichtung des Lichtes durch dieses System ist irrelevant, d.h. 21 könnte ebensogut der Detektor sein wie 19 der Lichtemitter. Es ist nicht notwendig, daß die das Licht emittierende Einrichtung und die das Licht erfassende Einrichtung neben dem freitragend angeordneten Körper vorgesehen sind. Die optischen Faserstäbe 1 1 und 18 können sich nach außerhalb des speziellen Aufbaues 13 erstrecken, wie in den Fig. 12 und 13 durch die optischen Faserstäbe 120 und 121 veranschaulicht ist. Die optischen Faserstäbe sind dann in an sich bekannter Weise mit einem Emitter und einem Detektor im Abstand oder in der Entfernung gekoppelt.

Fig. 3 veranschaulicht schematisch einen Beschleunigungssensor, der ähnlich dem oben gerade beschriebenen ist, mit der Ausnahme, daß er ein vorspringendes Band oder eine Leiste 30 für das Anhalten einer weiteren Bewegung des Stabes unter Beschleunigungskräften aufweist, welche den angezeigten Wert überschreiten. Wenn die Beschleunigung des den optischen Faserstab halternden Aufbaues also gleich oder größer als der vorbestimmte Wert ist, wird ein Ausgangssignal vorgesehen. Der Halterungsaufbau, der in Fig. 3 veranschaulicht ist, weist auch eine vorspringende Lippe 32 auf, welche den optischen Faserstab verklinkt oder sichert, derart, daß der Sensor in der Position "ein" bleibt, wenn die geplante Beschleunigungsgröße einmal erhalten ist. Ähnliche Sensoren ohne das Merkmal mit der Verklinkung sind in Fig.

10 gezeigt. Fig. 4 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, die Stufenanzeigen der Beschleunigungsgrößen vorsieht. Im allgemeinen ist die Lichtquelle 40 am festen Ende des freitragenden optischen Faserstabelementes 41 an-

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gekoppelt. Das freie Ende des Stabes 41 bewegt sich von der Ruheposition allmählich vom Lichtdetektor 42 vorbei an den Lichtdetektoren 43 bis 47, bei entsprechender Zunahme der Beschleunigungsgrößen des Halterungsaufbaues 48. Das Verbiegen bzw. die Auslenkung des optischen Faserstabes 41 wird im allgemeinen so kalibriert, daß ein Ausgangssignal aus den Detektoren 43 bis 47 eine Anzeige einer vorbestimmten Beschleunigungsgröße vorsieht. Fig. 5 ist eine Seitenansicht der in Draufsicht in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform. Um den Lichtemitter und den Lichtdetektor so umzukehren, daß der Lichtdetektor am festen Ende des Stabes 41 angeordnet ist, ist es erforderlich, die Lichtquellen für jede Beschleunigungsgröße separat zu kodieren, z.B. durch Farbe, und vorzusehen, daß der Detektor auf die Kodierung reagiert.

Die Fig. 6 und 7 zeigen einen G-Messer (Erdbeschleunigungsmesser) mit einfachem Aufbau, direktem visuellem Lesen und kontinuierlicher Anzeige. Durch das Anordnen einer Vielzahl von optischen Faserstäben 60 am Lichtaufnahmeende des In- .

strumentes nebeneinander wie in einem Stapel ist eine kontinuierliche Anzeige vorgesehen. Die Länge und der Durchmesser des optischen Faserstabes 61 hängt von dem gewünschten Bereich der Instrumentenskala ab. Die Darstellung in Fig. 7 veranschaulicht ein Instrument, welches die Beschleunigung in Werten von G anzeigt. Instrumente mit längeren, dünneren optischen Faserstäben, welche in Brüchen des Wertes G lesen, oder Instrumente, die auf das Lesen in Fuß/Sekunde/Sekunde oder Meter/Sekunde/Sekunde kalibriert sind, können leicht von den Benutzern dieser Erfindung hergestellt werden. Die Batterie 62 und der Schalter 63 können in einer Ausnehmung 64 in dem Aufbau des Instrumentes enthalten sein, um eine vollständig in sich geschlossene bzw. unabhängige Einheit vorzusehen. Die Lichtquelle für das direkte visuelle Lesen ist in typischer Weise eine herkömmliche Mikroglühlampe. Zur Schaffung eines elektronischen Instrumentes mit kontinuierlichem Lesen für das Zusammenwirken mit anderen elektronischen Steuerschaltungen sind die

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stapeiförmige angeordneten und Licht aufnehmenden optischen Faserstäbe zu einzelnen Lichtdetektorvorrichtungen verlängert, wie z.B. die oben veranschaulichten Fotodioden.

Fig. 8 veranschaulicht schematisch einen Beschleunigungs- . sensor mit- Änderungsbetrag oder Geschwindigkeit der Änderung (rate of change) bzw. einen Sensor, welcher die Geschwindigkeit der Besehleunigungsveränderung anzeigt. Der Änderungsbetrag bzw. die Geschwindigkeit der Veränderung der Beschleungung-da/dt wird im allgemeinen Stoß oder Ruck genannt. Die Lichtquelle 80 schafft einen Lichtstrahl zum optischen Faserstab 81. In einer speziellen Ausführungsform sind lichtaktivierte siliciumgesteuerte Gleichrichter 82, und 84 in herkömmlicher Weise mit kurzen Längen des optisehen Faserstabes 85 bzw. 86 bzw. 87 gekoppelt, um die geeigneten Lichtdetektoren vorzusehen. Ein Beispiel einer geeigneten elektronischen Schaltung ist schematisch in Fig. 9 gezeigt. Bei dieser besonderen Ausführungsform bringt das Biegen des optischen Faserstabes 81 durch die Beschleunigungskraft von 1 G diesen in Flucht mit dem Detektor 83. Zwei G (zweifache Erdbeschleunigung) bringt den Stab in Flucht mit dem Detektor 84. Eine Steigerung der Beschleunigungskraft läßt das freie Ende des Stabes allmählich die Lichtdetektoren 83 und 84 überstreichen. Somit kann man sehen, daß bei der hier beschriebenen speziellen Ausführungsform als Beispiel eines Rucksensors beim Verstreichen einer Sekunde, wenn das freie Stabende vom Detektor 83 zum Detekgor 84 kommt, der Änderungsbetrag bzw. die Geschwindigkeit

der Beschleunigungsänderung 1 G pro Sekunde ist. 30

Der Betrieb einer geeigneten elektronischen Schaltung zur Schaffung eines Signals für eine herkömmliche Darstellung oder für eine konventionelle Benutzung mit einem Zählwerk entweder für die Lesezeitintervalle oder die 1/Zeit-Intervalle ist in Fig. 9 gezeigt. In Ruhe, d.h. wenn das Licht in den Detektor 82 kommt, erscheint ein großes Signal über der Last 91. Die Detektoren 83 und 84 sind im Zustand "aus". Wenn der Detektor 83 aus ist, erscheint im wesentlichem kein

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Signal über der Last 92. Wenn der optische Faserstab vom Detektor 82 zum Detektor 83 verbogen oder ausgelenkt wird, leitet der Detektor 83, und über der Last 92 erscheint ein Spannungssignal, und LASCR 82 wird abgeschaltet. Wenn sich der optische Faserstab 81 vom Detektor 83 zum Detektor 84 bewegt, le.itet der Detektor 84 zum Abschalten des Detektors 83, und die Spannung verschwindet an der Last 92. Die Impulswellenform 93 veranschaulicht das Signal über der Last 92, welches während des Zeitintervalles zugegen ist, wenn sich der optische Faserstab vom Detektor 83 zum Detektor bewegt. Die ODER-Gatteranordnung der Detektoren 82 und 84 ist notwendig, um die Schaltung richtig sequentiell zu ordnen oder zurückzusetzen, sonst würde der Detektor 83 ohne LASCR 82 im leitenden Zustand bleiben, sobald der Stab in die Ruheposition zurückkehrt.

Ein Rotationssensor mit optischem Faserstab ist schematisch in den Fig. 10 und 11 dargestellt. Die dort gezeigte Ausführungsform hat zwei Abfühlelemente 100 und 101 mit optischem Faserstab. Ein einziger Sensor kann .zum Abfühlen der Rotation benutzt werden. Ein einziger Sensor, der einem schrägen Stoß ausgesetzt ist (d.h. einer Beschleunigung senkrecht zur Achse, um welche die Vorrichtung gedreht wird), würde jedoch in einer normalen Weise funktionieren und eine Ausgangsanzeige vorsehen, die nicht unterschieden wäre von einer Anzeige der Drehung. Deshalb kann ein einziger Sensor nicht zwischen einer Zentrifugalkraft unterscheiden, die von der Drehung herrührt, und einer Trägheitskraft, die von der Beschleunigung herrührt, welche in einer Richtung stattfindet, die einem Radius durch den Sensor entsprechen würde (die Zentrifugalkraft kann als eine Trägheitskraft betrachtet werden, die von einer Beschleunigung zum Rotationszentrum hin kommt).

Eine schräg oder diagonal verlaufende Beschleunigung in einer radialen Richtung durch die Ausführungsform mit den zwei Sensoren gemäß Darstellung würde versuchen, einen optischen Faserschalter zu schließen, würde aber auch versu-

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chen, ferner den anderen zu öffnen. Deshalb würde kein fehlerhaftes Äusgangssignal zur Anzeige der Drehung erzeugt. Die Zuverlässigkeit der Ausführungsformen mit Abfühlen der Drehung₇ welche extremen Vibrationen unterworfen sind, können ferner dadurch verbessert werden, daß ein dritter Sensor hinzugefügt wird, wobei der Winkelabstand zwischen jedem dieser drei Sensoren näherungsweise 120° ist. Drei derart angeordnete Sensoren verringern auch die Vieldeutigkeit bzw. Unbestimmtheit der Schaffung eines Ansprechens auf die JO Drehung um eine Achse unter 90° zu der gewünschten Abfühlachse.

Bei der in den Fig. 10 und 11 dargestellten Ausführungsform sind die zwei freitragend angeordneten Abfühlelemente 100 und 101 mit optischer Faserstange in einer optischen Reihenanordnung verbunden. Ein herkömmlicher Lichtemitter 102 führt Lichtenergie in den Faserstab 100 ein. Nachdem der optische Faserstab aus dem Halterungsaufbau 104 austritt und in den freien Raum der Kerbe eintritt, wird er ein freitragender oder einseitig eingespannter Körper und funktioniert in der oben beschriebenen Weise. Wenn das freie Ende des Stabes 100 sich gegen den Anschlag 105 bewegt, wird Licht in dem festen Ende 101a des optischen Faserstabes 101 aufgenommen und schreitet durch ihn (101) zu dem freien Ende seines freitragenden Körpers fort. Wenn deshalb die geplante (oder größere) Drehgeschwindigkeit (Drehzahl) erreicht ist, kommt das freie Ende des Stabe 101 auch an seinem Anschlag 106 zur Ruhe, und das aus seinem freien Ende austretende Licht wird von dem optischen Faserstab 107 auf— gegriffen, der mit dem Detektor 103 gekoppelt ist, welcher dann ein elektrisches Ausgangssignal vorsieht, welches die Drehung anzeigt. Die Lichtquelle 102 und der Lichtdetektor 103 können vertauscht werden, da die Richtung des Lichtes, welches in der optischen Reihenschaltung läuft, inkonsequent bzw. nicht folgerichtig oder nicht nachfolgend ist. Wie oben angedeutet, werden die körperlichen Maße der optischen Faserstäbe 100 und 101 so hergestellt, daß ein Schließen des Zentrifugalschalters bei der gewünschten

-16-Drehzahl vorgesehen wird.

Ein Ausgangssignal aus dem Lichtdetektor kann gegebenenfalls von dem Ringrotationssensor 104 entfernt werden, der in üblicher Weise an der Vorrichtung angebracht ist, die auf Drehung überwacht wird, und zwar in beliebiger Weise. Bei einigen Beispielen kann der sich drehende Aufbau unabhängig oder in sich geschlossen sein und das Signal innen so benutzen wie bei Ausführungsformen, die zum Abfühlen der Drehung von Projektilen benutzt werden, bei welchen das Rotationssignal dazu ausgenutzt wird, das Projektil scharf zu machen. Das Signal kann durch herkömmliche Schleifringe von einem Stück der sich drehenden Maschine entfernt werden. Bei der in den Fig. 10 und 11 dargestelten Ausführungsform sind eine herkömmliche Batterie und ein kleiner elektromagnetischer Strahlungswandler in dem Behause 108 enthalten, um ein Signal auszusenden, welches extern vom Rotationsaufbau für die weitere Verwendung aufgegriffen wird.

Die Fig. 12 und 13 sind vorstehend erwähnt. Der Halterungsaufbau 122 dieser Ausführungsform sorgt für einen Überlaufanschlag 123, um eine unerwünschte Beschädigung infolge übergroßer Kräfte zu verhindern.

Leerseite

Claims

3U0584 Dr. Dieter Weber Klaus Seiffert Patentanwälte Dipl.-Chem. Dr. Dieter Weber . Dlpl.-Phy β. Klaus Belffeit Poetfach β14Β · Θ2ΟΟ Wiesbaden Deutsches Patentamt Zweibrückenstr. 8000 München D-6200 Wiesbaden I GuBtav-Freytajj-StraBo 2G Telefon 06121/87 2720 Telegrammadresse: Willpaienl Telex ι-4-186247 Postscheck: F5rankfurt/Maln 67β3-βΟ2 Bank: Dresdner Bank AG, Wiesbaden, Konto-Nr. 27Θ807 (BLZ 510800 80) 1 7026 12. Oktober 1981 Sf/Wh Calspan Corporation, Buffalo, 'New York, USA Vorrichtung zum Abfühlen einer Beschleunigung mit optischer Faser Priorität: Serial No. 197 vom 15. Oktober 1980 in USA Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Abfühlen einer Beschleunigung zum Erfassen der Beschleunigungsgröße/ mit einem Halterungsaufbau, gekennzeichnet durch
a) eine optische Faserstange (Lichtleiter) mit einer bestimmten Biegecharakteristik mit einem ersten Ende, welches steif in dom Halterungsaufbau angeordnet ist, und einem zweiten Ende, welches über

einen bestimmten Bogen der Verbiegung durch die Beschleunigungsgröße bewegbar ist,

b) eine Lichtquelle,

c) eine Einrichtung zur Aufnahme des Lichtes zur Schaffung einer Ausgangsanzeige,

und-dadurch gekennzeichnet, daß.

d) die Lichtquelle und die Aufnahmeeinrichtung in dem Halterungsaufbau derart angeordnet sind, daß sie mit der optischen Faserstange zusammenwirken, wodurch Licht aus der Lichtquelle über die optische Faserstange in optische Verbindung mit dem Lichtdetektor an dem vorbestimmten Verbiegungsbogen der Faserstange kommt, wodurch der Lichtdetektor die Beschleunigungsgröße des Halterungsaufbaues anzeigt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungssensor derart angeordnet ist, daß der Verbiegungsbogen bzw. Ablenkungsbogen der optischen Faserstange in einer Ebene liegt, welche den Vektor der Beschleunigungsgröße enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zum Erfassen einer Vielzahl von Beschleunigungsgrößen, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faserstange eine bestimmte Biege-Charakteristik hat, mit einem ersten Ende, welches starr im Halterungsaufbau angeordnet ist, und einem zweiten Ende, welches über einen Biege- bzw. Ablenkungsbogen bewegbar ist, daß die Lichtquelle optisch mit dem ersten Ende der optischen Faserstange gekoppelt ist und daß eine Vielzahl von Lichtdetektoren in bestimmtem Abstand voneinander in dem Haiterungsaufbau längs des Verbiegungsbogens angeordnet ist zur Aufnahme von Licht, welches aus dem abgebogenen oder ausgelenkten Ende der optischen Faserstange austritt, ein Ausgangssignal vorsieht, welches auf eine entsprechende vorbestimmte Beschleunigungsgröße anspricht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Erfas-

sen einer Stoßgröße und. Vorsehen einer Anzeige, die auf einen Änderungsbetrag der Beschleunigung des Halterungsaufbaues anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faserstange mit der bestimmten Biegecharakteristik und einem ersten starr in dem Halterungsaufbau angeordneten Ende sowie einem zweiten Ende, welches über einen ersten Auslenkungsbogen bewegbar ist, welcher auf eine erste Beschleunigungsgröße anspricht, ausgestattet ist und über einen zweiten Auslenkungsbogen bewegbar ist, welcher auf eine zweite Beschleunigungsgröße anspricht, die Lichtquelle optisch mit dem ersten Ende der optischen Faserstange gekuppelt ist, ein erster Lichtdetektor, der ein Ausgangssignal vorsieht, in dem Halterungsaufbau zur Aufnahme des Lichtes aus dem zweiten Ende der optischen Faserstange an dem ersten Auslenkungsbogen angeordnet ist, daß ein zweiter Lichtdetektor, welcher ein Ausgangssignal vorsieht, in dem Halterungsaufbau zur Aufnahme von Licht aus dem zweiten Ende der optischen Faserstange an dem zweiten Auslenkungsbogen angeordnet ist, und daß eine Einrichtung mit dem Ausgangssignal des ersten Lichtdetektors und dem Ausgangssignal des zweiten Lichtdetektors derart zusammenwirkt, daß ein Signal geschaffen wird, welches eine Funktion des Zeitintervalls zwischen dem Ausgangssignal des ersten Lichtdetektors und dem Ausgangssignal des zweiten Lichtdetektors ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Beschleunigungsanzeige, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faserstange mit der bestimmten Biegecharakteristik starr an einem Ende in dem Halterungsaufbau angeordnet ist, wobei ihr anderes Ende frei und durch eine Beschleunigungskraft ablenkbar oder verbiegbar ist, eine Haltstellung in dem Halterungsaufbau zum Anhalten der Bewegung des freien Endes der optischen Faserstange an einer ausgelenkten Position vorgesehen ist, die der vorbestimmten Beschleunigungsgröße entspricht, daß eine Lippe bzw. ein Rand von dom Halterungsaufbau vorspringt zur Aufnahme der Stange, nachdem diese im wesentlichen

gegen einen Anschlag durch die Beschleunigungsgröße verbogen oder abgelenkt war, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist mit einer Lichtquelle und einem Lichtdetektor, die jeweils optisch mit einem entsprechenden Ende des Stabes oder der optischen Faserstange gekoppelt ist, wenn das freie Ende des Stabes neben dem Anschlag angeordnet ist, zur Anzeige, daß der Halterungsaufbau eine vorbestimmte Beschleunigungsgröße erfahren hatte.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur. Schaffung eines Rotationssensors zur Anzeige der Rotation eines Körpers um eine Rotationsachse herum eine Mehrzahl von Beschleunigungssensoren mit optischem Faserlichtkreis von einem ersten zu einem letzten Sensor vorgesehen ist, mit einem Lichteingangssignal und einem Lichtausgangssignal und einer Abfühlrichtung, wobei die Sensoren in einem Abstand von der Drehachse bezüglich der Abfühlrichtung· jedes der auf einem Radius der Rotationsachse angeordneten Sensoren .

unter einem Winkelabstand angeordnet sind, daß eine Einrichtung vorgesehen ist zur Anordnung der Vielzahl der Beschleunigungssensoren in Reihe bezüglich der optischen Lage vom ersten Sensor zum letzten Sensor, eine Einrichtung zum Einführen von Licht in den Lichteingang des ersteii Beschleunigungssensors und eine Einrichtung zum Erfassen des Lichtausgangssignals aus dem letzten Beschleunigungssensor vorgesehen sind, wodurch die Drehung des Körpers angezeigt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Beschleunigungssensoren im wesentlichen gleiche Charakteristiken haben und in einer Radialebene bei im wesentlichen gleichen Abständen von der Drehachse und in im wesentlichen gleichmäßigem Winkelabstand angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Anordnung der Vielzahl von

-δ-Beschleunigungssensoren in optischer Reihenlage eine optische Faserstange bzw. einen optischen Faserstab aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halterungsaufbau zur Anzeige, daß er eine vorbestimmte oder größere Beschleunigungsgröße erfahren hat, die optische Faserstange mit einer bestimmten Biegecharakteristik aufweist, die starr an einem Ende in dem Halterungsaufbau angeordnet ist, wobei das andere Ende des Stabes frei und durch eine Beschleunigungskraft verbiegbar bzw. auslenkbar ist, eine Anhalteposition in dem Halterungsaufbau vorgesehen ist für den Anschlag der Bewegung des freien Ende des Stabes bei einer Verbiege- bzw. Auslenkungsposition, welche der vorbestimmten Beschleunigungsgröße entspricht, und daß eine Einrichtung eine Lichtquelle und einen Lichtdetektor aufweist, die jeweils optisch mit einem entsprechenden Ende des Stabes gekoppelt sind, wenn das freie Ende des Stabes neben dem Anschlag angeordnet ist zur Anzeige, daß der Halterungsaufbau die vorbestimmte oder eine größere Beschleunigungsgröße erfahren hat.