DE3322046A1

DE3322046A1 - Lichtleiter-druck- und eindringsensor

Info

Publication number: DE3322046A1
Application number: DE19833322046
Authority: DE
Inventors: Gunthard Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Born; Gunther Dipl.-Phys. Dr. 8012 Ottobrunn Sepp
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1983-06-18
Filing date: 1983-06-18
Publication date: 1984-12-20
Also published as: DE3322046C2

Description

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Lichtleiter-Druck- und Eindringsensor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druck- und Eindringsensor mit einem im oder am Boden verlegten umhüllten Lichtleiterkabel zur Überwachung von Geländeabschnitten.

Durch die DE-PS 28 10 971 ist ein Lichtleiterkabel zur Überwachung eines Raumes oder Geländes bekanntgeworden, das beim überfahren der gesicherten Fläche über ein angeschlossenes Gerät Alarm auslöst. Der hierfür verwendete Lichtleiter enthält eine oder mehrere Lichtleitfasern, denen ein mit Scherflächen versehener und bei Belastung deformierbarer Mantel zugeordnet ist.

Durch die DE-AS 20 23 542 ist ein flexibles Lichtleiterkabel bekanntgeworden, das mit einem Lichtleiter und einer ihn umgebenden Schutzhülle versehen ist, welche den Lichtleiter mit durch Abstandsmittel gesichertem Abstand umgibt, wobei diese Abstandsmittel gemäß der gestellten Aufgabe mit einer möglichst kleinen Fläche auf dem Lichtleiter aufliegen.

Zum weiteren Stand der Technik zählt ferner die DE-PS 31 01 647, die ein Verfahren zur Herstellung eines kratzfreien Lichtleiters offenbart.

Alle diese bekannten Lichtleiter haben sich in der Praxis gemäß ihrer Aufgabenstellung bewährt. Für eine vielseitigere Verwendung aber ist bei diesen Lichtleitern die Druckempfindlichkeit -zu gering und der Ausfall des Sensors bei Faserbruch gegeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu beseitigen und eine Sensoreinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei

der die Empfindlichkeit beachtlich erhöht wird und auch bei einfachem Faserbruch noch einwandfreie Detektierung auch kleiner Druckbelastungen gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird in überraschend zuverlässiger und einwandfreier Weise durch die in den Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen gelöst. In der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele abgehandelt und das Wesen der Erfindung in den Figuren der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Eindringdetektors mit angeschlossenem Lichtleiterkabel;

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Lichtleiterkabels. · .

Der allgemeine Erfindungsgedanke geht davon aus, einem an sich bekannten Eindringsensor, wie er in der Fig. 1 in einem schematischen Blockschaltbild zugrundegelegt ist, ein speziell ausgebildetes Lichtleiterkabel 11, das bei einer Druckbelastung eine starke Kopplung von niedrigen in bestimmte hohe Ausbreitungsmoden aufweist, zuzuordnen und außerdem, den Sender 13 und den Empfänger 14 mit sogenannten "Modenblenden". 15, 16 zu versehen. Die Modenblende 15 gewährleistet, daß nur niedrige Ausbreitungsmoden in' die Glasfaser 20 eingespeist werden, sie kann bei geeigneter Lichtquelle und Lichteinkopplung entfallen. Die Modenblende 16 dämpft diese niedrigen Ausbreitungsmoden stark und läßt die aufgrund der äußeren Belastung des Lichtleiterkabels 11 und der periodischen Störstruktur in.höhere Ausbreitungsmoden eines der Modenblende 16 entsprechenden Modenbereiches transformierte Strahlung durch

(s. ζ. B. IEEE Trans.. Microwave Theory Tech., Vol. MTT-23, pp. 106-120, Jan. 1975). Dadurch wird die Sensorempfindlichkeit wesentlich erhöht.

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Als Modenblende kann beispielsweise eine Glasfaserspule mit einem bestimmten Durchmesser verwendet werden (siehe vorherige Quellenangabe), die selektiv bestimmte Moden dämpft, oder es kann ein Stück sogenannter "single-mode-Faser" eingefügt werden, die alle hohen Ausbreitungsmoden dämpft.

Unter einer "single-mode-Faser" ist eine Glasfaser zu verstehen, die nur die niedrigste mögliche Ausbreitungsmode zuläßt.

Das vorgeschlagene Lichtleiterkabel 11, das auch als Sensorkabel bezeichnet werden kann, ist in einem Querschnitt in Fig. 2 schematisch dargestellt. Hier ist die Glasfaser 20 mit einer sogenannten harten Störstruktur periodisch umwickelt oder umsponnen und von einer elastisch deformierbaren, eng anliegenden Hülle mit hoher Rückstellkraft umgeben. Bei Belastung ist nun eine hohe Kopplung zwischen den Moden gegeben, deren Wellenlängendifferenz gleich der Periodenlänge der Störstruktur ist. Hierbei hat die höhere Mode höhere Verluste in der Glasfaser 20, die zusätzlich dadurch verstärkt werden, daß an dem Faserausgang die entsprechende Modenblende 16 angeordnet ist. Dadurch wird die Empfindlichkeit des Sensors wesentlich erhöht.

Nun ist durchaus die Möglichkeit gegeben, daß das Sensorkabel 11 im Einsatz beim überfahren durch schwere Fahr- zeuge - wie Panzer etc. - zu Bruch geht. Ist dieser Bruch sozusagen "einfach" bzw. glatt - also nicht mit einer "Pulverisierung" der Glasfaser verbunden - so bleibt die Funktionsfähigkeit des Sensors erhalten, da die elastisch deformierbare, selbstzentrierende Umhüllung 12 bzw. der Umhüllungsschlauch 22 die beiden Glasfaserenden wieder in eine zentrierte Gegenüberstellungsposition führt. Die Kontrollelektronik 17 führt lediglich eine Ausgleich des konstanten Reflexionsverlustes in Form einer adaptiven

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Regelung durch, und somit ist der Sensor 10 wieder voll benutzbar.

Für die ideale Glasfaser für den vorliegenden Sensor wird entgegen den sonst üblichen Forderungen eine hohe Empfindlichkeit gegen das sogenannte "microbending" gewünscht. Darunter versteht man die Dämpfungsverluste bei Verbiegen der Faser innerhalb von Faserlängen, die nicht mehr beliebig groß gegen die Faserdicke sind.

Die bisher erwünschten Bedingungen einer hohen Reiß- und Quetschfestigkeit, sowie eines weitgehend kleinen Bruchradius werden auch hier gefordert.

Durch die vorbeschriebenen Maßnahmen ist nun ein Eindringsensor 10 geschaffen, der nicht nur eine weitaus höhere Empfindlichkeit besitzt, sondern der auch noch bei einfachem Faserbruch funktionstüchtig bleibt, da durch die umhüllende Ausgestaltung - wie vorbeschrieben - die Faserbruchenden automatisch wieder aneinandergehalten und zentriert werden. Der Ausgleich der Zusatzdämpfung nach Faserbruch erfolgt automatisch durch die Kontrollelektronik 17, so daß in der Funktionstüchtigkeit und -kontinuität keine Einbußen entstehen. Als sogenannte Störstruktur

21 kann eine Faser aus Kevlar verwendet werden. Als Material für den elastisch deformierbaren Umhüllungsschlauch

22 mit hoher Rückstellkraft eignen sich elastische Kunststoffe und als Tragfädenumspinnung Kevlar.

Claims

-Χ'- 10.6.83

BTO1 Kre/we

Lichtleiter-Druck- und Eindringsensor

Patentansprüche

( 1. Druck- und Eindringsensor mit einem im oder am Boden verlegten umhüllten Lichtleiterkabel zur Überwachung von Geländeabschnitten, dadurch gekennzeichnet , daß zur Erhöhung der Empfindlichkeit dem Eindringsensor (10)

a) ein Lichtleiterkabel (11) zugeordnet ist, das mit einer selbstzentrierenden Umhüllung (12) hoher Rückstellkraft und periodischer Störstruktur der Glasfaser (20) versehen ist und

b) dem Sender (13) sowie dem Empfänger (14) des Eindringsensors (10) je eine auf die periodische Struktur der Umhüllung (12) abgestimmte Modenblende (15, 16) für Moden niedriger bzw. hoher Ordnung zugeordnet sind.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Modenblende (15, 16) eine Glasfaserspule mit einem der gewünschten Modenordnung entsprechenden Durchmesser dient.
3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß als Modenblende (15, 16) eine sogenannte "single-mode-Faser" verwendet wird.
4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Umhüllung des Lichtleiterkabels (11) sich zusammensetzt aus einer um die Glasfaser (20) periodisch gewundenen harten Störstruktur (21), über die ein elastisch deformierbarer,

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selbstzentrierender Umhüllungsschlauch (12) gepreßt ist,der seinerseits von einer Schutzhülle mit einer Tragfädenumspinnung (22) ummantelt ist.
5. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Windungsperioden der Störstruktur (21) gleich der Wellenlängendifferenz der durch die beiden Modenblenden (15, 16) selektierten Moden niedriger und hoher Ordnung ist.
6. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Glasfaser (20) hochempfindlich gegen "micro-bending" ist.