DE3441792C1 - Faseroptischer Kraftsensor, insbesondere Drucksensor - Google Patents

Description

• Wie man in den F i g. 1 und 2 erkennt, sind auf der Unterseite 7 der Sensorplatte 4 symmetrisch zum Mittelpunkt der scheibenförmigen Sensorplatte 4 in der Nähe des Randes der Sensorplatte 4 sechs erste Führungszapfen 8 angeordnet, die sich rechtwinklig von der Unterseite 7 der Sensorplatte 4 ausgehend in F i g. 1 nach unten erstrecken. In der Nähe der vorderen Enden 9 der ersten Führungszapfen 8 sind Durchgangsbohrungen 10 vorgesehen. Die Führungszapfen 8 mit ihrcn Durchgangsbohrungen 10 bewegen sich mit der Sensorplatte 4 vertikal im Sensorgehäuse 1, wenn die Sensorplatte 4 durch eine Kraft in Richtung des Pfeiles 5 gedrückt wird oder in entgegengesetzter Richtung durch eine Zugkraft bewegt wird.
• Den ersten Führungszapfen 8 an der Sensorplatte 4 sind zweite Führungszapfen 11 zugeordnet, die auf der Innenseite des Sensorgehäuses 1 symmetrisch zur Längsachse des Sensorgehäuses 1 in gleichen Abständen angeordnet sind. Bei dem in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind sechs zweite Führungszapfen 11 vorgesehen. In der Nähe der nach innen weisenden Enden 12 der zweiten Führungszapfen 11 sind wie bei den ersten Führungszapfen 8 Durchgangsbohrungen 13 vorgesehen. Die Abmessungen der ersten Führungszapfen 8 und der zweiten Führungszapfen 11 sowie deren Befestigungspunkte an der Sensorplatte 4 und am Sensorgehäuse 1 sind so gewählt, daß die Durchgangsbohrungen 10 der ersten Führungszapfen 8 gegenüber den Durchgangsbohrungen 13 der zweiten Führungszapfen 11 in Richtung auf die Mittellängsachse des Sensorgehäuses 1 verschoben sind und unterhalb der Ebene liegen, in der sich die Durchgangsbohrungen 13 befinden.
• Durch die Durchgangsbohrungen 10 der ersten Führungszapfen 8 und die Durchgangsbohrungen 13 der zweiten Führungszapfen 11 ist ein Lichtwellenleiter 14 geführt, der infolge der speziellen Anordnung der Durchgangsbohrungen 10,13 in etwa wellenförmig oder zickzackförmig bezüglich der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ebenen verläuft.
• Der Lichtwellenleiter 14 ist mit einem in F i g. 2 dargestellten HeNe-Laser 15 gekoppelt, durch den Licht in das erste Ende 16 des Lichtwellenleiters 14 eingespeist wird. Der Lichtwellenleiter 14 gelangt durch eine seitliche Öffnung 17 in das Innere des Sensorgehäuses 1 und von dort zu einem der zweiten Führungszapfen 11. Danach durchquert der Lichtwellenleiter 14 einen der erslen Führungszapfen 8. Der nächste Stützpunkt des Lichtwellenleiters 14 ist wiederum einer der zweiten Führungszapfen 11. Schließlich gelangt der Lichtwellenleiter 14 wieder zum zweiten Führungszapfen 11 in der Nähe der seitlichen Öffnung 17. Über eine zweite seitliche Öffnung 18 verläßt der Lichtwellenleiter 14 das Sensorgehäuse 1. Das zweite Ende 19 des Lichtwellenleiters 14 ist mit einer Photodiode 20 gekoppelt, die entsprechend der am zweiten Ende 19 des Lichtwellenleiters 14 austretenden Lichtintensität ein elektrisches Signal erzcugt, dessen Größe ein Maß für die Verformung des Lichtwellenleiters 14 und damit des auf den Lichtwellenleiter 14 über die Sensorplatte 4 einwirkenden Druckes ist.
• Der Lichtwellenleiter 14 ist der Reihe nach durch die verschiedenen Durchgangsbohrungen 10,13 verschieblich geführt, während er an den seitlichen Öffnungen 17, 18 fest eingeklemmt ist. Die mechanische Spannung des Lichtwellenleiters 14 zwischen den Durchgangsbohrungen 10, 13 kann durch eine Justiervorrichtung, die die Länge des Lichtwellenleiters 14 verändert, eingestellt werden. Es ist zweckmäßig, die Länge des Lichtwellenleiters 14 an den Durchführungen in den seitlichen Öffzungen 17,18 zu justieren.
• Durch jede vertikale Verschiebung der Sensorplatte 4 in dem Sensorgehäuse 1 wird die Biegung des Lichtwellenleiters 14 um die Durchgangsbohrungen 10, 13 verändert. Mit zunehmender Verbiegung des Lichtwellenleitcrs 14 nimmt die optische Transparenz ab.
• Der Mittelpunktsabstand der Durchgangsbohrungen 10 und der Durchgangsbohrungen 13 ist verschieden gewählt, um dadurch zu erreichen, daß sich die ersten Führungszapfen 8 zwischen den zweiten Führungszapfen 13 selbsttätig zentrieren. Drehbewegungen und Verschiebungen der Plattenachse gegenüber der Sensorgehäuseachse werden dadurch vermieden.
• Um eine möglichst reibungsfreie und präzise, vertikale Bewegung der Sensorplatte 4 zu gewährleisten, muß die mechanische Lichtwellenleiter-Spannung zwischen allen Durchgangs bohrungen 10, 13 gleich sein. Dies erreicht man dadurch, daß die einzelnen Durchgangsbohrungen 10, 13 keine scharfen Kanten, sondern abgerundete Kanten aufweisen. Der Lichtwellenleiter 14 kann dann gut in den Durchgangsbohrungen 10, 13 gleiten.
• Die Gleitfähigkeit kann weiter verbessert werden, wenn der Lichtwellenleiter 14 mit einem Gleitmittel versehen ist oder wenn das Sensorgehäuse 1 teilweise oder ganz ein Schmiermittelbad enthält.
• Die Anzahl derDurchgangsbohrungen 10, 13 kann sowohl größer als auch kleiner als in den F i g. 1 und 2 gewählt sein. Die Abstände der Durchgangsbohrungen 10, 13 voneinander betragen etwa 0,5 bis 4 cm. Der Lichtwellenleiter 14 hat zwischen den Durchgangsbohrungen 10, 13 aufgrund seiner eigenen Biegespannung noch eine Krümmung, d. h. er ist nicht so straff gespannt, daß er praktisch eine Gerade zwischen den Durchgangsbohrungen 10, 13 bildet bzw. in einer Ebene liegt.
• In einem solchen Fall würde jede zusätzliche Beanspruchung zum Bruch des Lichtwellenleiters 14 führen.
• In den F i g. 1 und 2 erkennt man, daß der Lichtwellenleiter 14 nicht straff gespannt ist. Dabei stellt sich der Lichtwellenleiter 14 aufgrund seiner Elastizität stets so ein, daß die Krümmung, die ihm durch die Durchgangsbohrungen 10, 13 aufgezwungen wird, ein Minimum ergibt. Die Federkraft des Lichtwellenleiters 14 verhindert das Auftreten scharfer Knicke an den Durchgangsbohrungen 10, 13. Beim Verschieben der Sensorplatte 4 nach unten wird der Abstand der Durchgangsbohrungen 10 von den Durchgangsbohrungen 13 größer, wobei die Spannung des Lichtwellenleiters zunimmt und damit die Krümmung in der Nähe der Führungszapfen 8, 11.
• Dies führt zu einer Zunahme der optischen Dämpfung des Lichtwellenleiters 14, was mit Hilfe der Photodiode 20 erfaßt wird.
• Es versteht sich, daß in dem verfügbaren Meßbereich von einigen Millimetern die Lichtwellenleiter-Spannung nie so groß werden darf, daß der Lichtwellenleiter 14 an den Durchgangsbohrungen 10,13 abknickt. Hieraus ergibt sich auch die maximal zulässige Lichtwellenleiter-Spannung. Eine Überdehnung des Lichtwellenleiters 14 des Sensors bei Überdruck wird zweckmäßigerweise durch den Anschlagring 3 oder eine sonstige Sperre verhindert. jedoch ist es auch möglich, den Abstand zwischen den vorderen Enden 9 der Führungszapfen 8 und dem in F i g. 1 nicht dargestellten Sensorboden so kurz zu bemessen, daß die ersten Führungszapfen 8 am Boden aufstehen, sobald die zulässige Sensorauslenkung erreicht ist. Ein oberer, oberhalb der Sensorplatte 4 liegender Anschlagring wäre abweichend von der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform dann erforderlich, wenn der Sensor auch als Zugsensor eingesetzt werden soll bzw. wenn auch Zugkräfte auftreten können.
• Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand zweier Durchgangsbohrungen 10, 13 mindestens 10 mm, um einen Hub der Sensorplatte 4 von etwa 1 mm sicherzustellen. Kleinere Abstände verringern die zulässige Auslenkung. Der Winkel, der zwischen zwei benachbarten Durchgangsbohrungen 10 und der jeweils dazwischenliegenden Durchgangsbohrung 13 aufgespannt wird, beträgt für eine optimale Empfindlichkeit etwa 120 bis 140". Daraus ergibt sich, daß mindestens drei und maximal sechs erste Führungszapfen 8 bzw. zweite Führungszapfen 11 für eine kreisförmige Anordnung, wie sie in der F i g. 2 als Ausführungsbeispiel veranschaulicht ist, verwendet werden sollten. Die in F i g. 2 dargestellte Maximalzahl von jeweils sechs ersten Führungszapfen 8 und sechs zweiten Führungszapfen 11 wurde bevorzugt gewählt, da mit wachsender Zahl von Führungszapfen 8,10 die Sensorplatte 4 gegen eventuelle Kippbewegungen bei ungleichmäßiger Belastung besser geschützt ist Falls Kippbewegungen ausgeschlossen werden können, sind auch weniger Führungszapfen 8,11 ausreichend.
• Um die Zahl der Einspannpunkte für den Lichtwellenleiter 14 zu erhöhen und um auf diese Weise die Empfindlichkeit des Sensors bei Verschiebungen der Sensorplatte 4 zu steigern, kann der Lichtwellenleiter 14 auch in mehr als einer Windung durch die gleichen oder durch zusätzliche Durchgangsbohrungen geführt werden. Da mit zunehmender Zahl der Durchgangsbohrungen 10, 13 die Dämpfung des Lichtwellenleiters 14 zunimmt, läßt sich die Windungszahl aus Intensitätsgründen nicht beliebig steigern. Als Lichtwellenleiter 14 können herkömmliche Stufenprofilfasern verwendet werden, jedoch wird mit diesen lediglich eine geringe Empfindlichkeit erreicht Sehr hohe Empfindlichkeiten lassen sich mit Monomode-Lichtwellenleitern erzielen.
• Mit solchen Monomode-Lichtwellenleitern läßt sich eine Auflösung von 0,1 um für die Verschiebung der Sensorplatte 4 erzielen. Bei einem Hub von 0,6 mm ergibt sich eine Änderung der Transparenz des Lichtwellenleiters 14 um vier Größenordnungen gemäß einem semilogarithmischen Verlauf. Die Abhängigkeit der Transparenz von der angelegten Kraft erstreckt sich ebenfalls über vier Größenordnungen, wobei eine Auflösung von 10-4 N erreicht wird, wenn die Anordnung so getroffen ist, daß Kräfte bis etwa 0,8 N auswertbar sind. Statt des Einsatzes der oben erwähnten Monomode-Lichtwellenleiter mit einem Durchmesser von 125 um und einemdn=0,004 können auch spezielle Stufenprofillichtwellenleiter verwendet werden, die geringe Brechzahldifferenzen zwischen dem Kern und dem Mantel (40031610005) sowie Kerndurchmesser zwischen 30 um und 230 um aufweisen.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Faseroptischer Kraftsensor, insbesondere Drucksensor, mit einem über eine Sensorplatte verformbaren Lichtwellenleiter, der an seinem ersten Ende an eine Lichtquelle und an seinem zweiten Ende an einen Lichtdetektor angekoppelt ist, dessen Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Verformung des Lichtwellenleiters in seiner Intensität moduliert ist, wobei der Lichtwellenleiter abwechselnd durch mit der Sensorplatte verbundene bewegliche erste Führungszapfen und durch am Sensorgehäuse angeordnete feststehende zweite Führungszapfen geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorgehäuse (1) rohrförmig ist, daß die Sensorplatte (4) kreisscheibenförmig ist und daß in den beweglichen an der Sensorplatte (4) befestigten ersten Führungszapfen (8) und in den an der Innenseite des Sensorgehäuses (1) befestigten zweiten Führungszapfen (11) Durchgangsbohrungen (10,13) ausgebildet sind, durch die sich der Lichtwellenleiter erstreckt.
2. 2. Faseroptischer Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungszapfen (8, 11) symmetrisch entlang zweier konzentrischer Kreisbahnen im Sensorgehäuse (1) angeordnet sind.
3. 3. Faseroptischer Kraftsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (14) in mehreren Windungen wellenförmig durch die Führungszapfen (8,11) geführt ist
4. 4. Faseroptischer Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsbohrungen (10, 13) abgerundete Kanten aufweisen.
5. 5. Faseroptischer Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorplatte (4) ein Anschlagring (3) zugeordnet ist.
6. 6. Faseroptischer Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorinnenraum mit einer Schmierflüssigkeit gefüllt ist, in die die Führungszapfen (8, 11) eintauchen.
7. 7. Faseroptischer Kraftsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (14) durch seitliche Öffnungen (17, 18) in das Sensorgehäuse (1) eingeführt ist und daß an den Öffnungen (17, 18) Klemmeinrichtungen zur Einstellung der Lichtwellenleiter-Spannung vorgesehen sind.

   Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Kraftsensor, insbesondere Drucksensor, mit einem über eine Sensorplatte verformbaren Lichtwellenleiter, der an seinem ersten Ende an eine Lichtquelle und an seinem zweiten Ende an einen Lichtdetektor angekoppelt ist, dessen Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Verformung des Lichtwellenleiters in seiner Intensität moduliert ist, wobei der Lichtwellenleiter abwechselnd durch mit der Sensorplatte verbundene bewegliche erste Führungszapfen und durch am Sensorgehäuse angeordnete feststehende zweite Führungszapfen geführt ist.

   Ein derartiger faseroptischer Kraftsensor ist aus der DE-OS 28 19590 bekannt, und verfügt über eine Vielzahl von Führungszapfen, die im rechten Winkel im Randbereich zweier sich gegenüberliegender Platten angeordnet sind. Da die Führungszapfen als glatte zylindrische Zapfen ausgebildet sind, ist die genaue Lage des Lichtwellenleiters von Montagezufällen abhängig. Außerdem besteht die Gefahr, daß der Lichtwellenleiter gegenüber den Führungszapfen verrutscht, was insbcsondere immer dann wahrscheinlich ist, wenn der Kraftsensor heim Messen von Zug- oder Druckkräften Vibrationen und Schwingungen ausgesetzt ist Die mit einem Verrutschen des Lichtwellenleiters verbundene Krünlmungsänderung des Lichtwellenleiters führt zu vcrfälschten Meßergebnissen und einer fehlenden Langzeitstabilität. Außerdem hat der bekannte Kraftsensor den Nachteil, daß die beiden mit den Führungszapfen versehenen Platten über eine dritte, als Ausleger bezeichnete Platte verbunden sind, so daß die auf den bekannten Kraftsensor einwirkenden Kräfte nicht ausschließlich zur Verformung des Lichtwellenleiters eingesetzt sind.

   Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen Kraftsensor zu schaffen, der sich durch eine hohe Empfindlichkeit und Langzeitstabilität auszeichnet.

   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Sensorgehäuse rohrförmig ist, daß die Sensorplatte kreisscheibenförmig ist und daß in den beweglichen, an der Sensorplatte befestigten ersten Führungszapfen und in den an der Innenseite des Sensorgehäuses befestigten zweiten Führungszapfen Durchgangsbohrungen ausgebildet sind, durch die sich der Lichtwellenleiter erstreckt.

   Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird neben einer Selbstzentrierung der Sensorplatte im Sensorgehäuse eine definierte Führung des Lichtwellenleiters er reicht, die unabhängig von vorangegangenen Messungen ist. Insbesondere besteht keine Gefahr einer axialen Verschiebung der Lichtwellenleiter bezüglich der Führungszapfen als Folge einer Vibration.

   Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

   In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen faseroptischen Kraftsensor im Querschnitt in einer Ansicht entlang der Linie l-l der F i g. 2 und F i g. 2 eine Ansicht von unten auf den faseroptischen Kraftsensor gemäß F i g. 1.

   Der in F i g. 1 in einer Schnittansicht dargestellte faseroptische Drucksensor verfügt über ein Sensorgehäuse 1, das als Rohrstutzen mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist, wie auch in F i g. 2 zu erkennen ist.

   In der Nähe des oberen Randbereiches 2 ist im Innern des Sensorgehäuses ein Anschlagring 3 befestigt, gegen den eine scheibenförmige Sensorplatte 4 durch eine in Richtung des Pfeiles 5 wirkende Kraft andrückbar ist.

   Zwischen dem oberen Randbereich 2 und der Sensorplatte 4 ist ein Ringspalt 6 vorgesehen, so daß die Sensorplatte 4 mit ihrem Rand nicht am oberen Randbereich 2 in ihrer Bewegung gehindert wird.