DE3621669A1 - Optischer drucksensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Drucksensor gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art, der ein photoelastisches bzw. spannungsoptisches Material enthält. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein optisches Sensorsystem mit einem derartigen optischen Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 6.

Bei einem konventionellen optischen Drucksensor ist das photoelastische Material an verschiedenen Stellen mit einem Sockel fest verbunden, beispielsweise durch einen Kleber oder Binder, so daß im photoelastischen Material bleibende innere Spannungen hervorgerufen werden, wenn der Kleber oder Binder zwischen dem photoelastischen Material und dem Sockel aushärtet. Durch die auf diese Weise erzeugten inneren Spannungen werden die druckabhängigen Eigenschaften des optischen Sensors erheblich gestört. Unterscheiden sich innerhalb des Betriebstemperaturbereichs des optischen Drucksensors die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von photoelastischem Material und Sockel voneinander, so werden darüber hinaus zusätzliche innere Spannungen im photoelastischen Material in Abhängigkeit der Temperatur erzeugt, so daß sich die Detektoreigenschaften weiter verschlechtern. Wird das photoelastische Material von außen druckbeaufschlagt, so werden aufgrund der Verbindungen zwischen dem photoelastischen Material und dem Sockel weitere mechanische Spannungen im Inneren des photoelastischen Materials erzeugt, die sich den Spannungen überlagern, die nur aufgrund des zu messenden äußeren Drucks hervorgerufen werden, so daß die Druckempfindlichkeit des optischen Sensors nur gering ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Drucksensor bzw. ein optisches Sensorsystem mit einem derartigen Drucksensor zu schaffen, bei dem aufgrund von Verbindungen zwischen der photoelastischen Materialschicht und dem sie tragenden Sockel keine bleibenden mechanischen Spannungen innerhalb der photoelastischen Materialschicht erzeugt werden, die das Betriebsverhalten des optischen Drucksensors nachteilig beeinflussen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist jeweils im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 6 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein optischer Drucksensor nach der Erfindung zeichnet sich aus durch
- eine photoelastische Materialschicht, und
- einen Sockel, mit dem zwei Tragwände integral verbunden sind, auf denen die photoelastische Materialschicht aufliegt, die nur mit einer Tragwand durch einen Kleber bzw. Binder fest verbunden ist, während sie mit der anderen Tragwand frei beweglich in Kontakt steht.

Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist ein Druckelement auf der dem Sockel abgewandten Seite der photoelastischen Materialschicht angeordnet, über das die photoelastische Materialschicht druckbeaufschlagbar ist.

Vorzugsweise bilden Sockel, die beiden Tragwände und die photoelastische Materialschicht einen Hohlraum.

Die photoelastische Materialschicht ist im Zentralbereich zwischen den Tragwänden von Licht durchstrahlbar, wobei das Druckelement auf dem Zentralbereich der photoelastischen Materialschicht aufliegt.

Ein optisches Sensorsystem nach der Erfindung zeichnet sich aus durch eine Lichtquelle zur Emission von Licht, eine mit der Lichtquelle gekoppelte erste optische Faser zur Lichtübertragung, eine mit der ersten optischen Faser gekoppelte Mikrolinse zur Parallelisierung des aus der ersten optischen Faser austretenden Lichts, einen Polarisator zur Umwandlung des von der Mikrolinse kommenden Lichts in linear polarisiertes Licht, einen optischen Drucksensor zur Umwandlung des linear polarisierten Lichts in zirkular polarisiertes Licht in Abhängigkeit eines von außen wirkenden Drucks, wobei der optische Drucksensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 aufgebaut ist, einen Analysator, auf den das zirkular polarisierte Licht vom optischen Drucksensor auftrifft, eine zweite Mikrolinse zur Fokussierung des vom Analysator kommenden Lichts, eine zweite optische Faser, in die das Licht vom Analysator durch die zweite Mikrolinse eingekoppelt wird, und einen Photodetektor zum Empfang des aus der zweiten optischen Faser austretenden Lichts.

Sämtliche Bauteile des optischen Sensorsystems können beispielsweise fest miteinander verbunden oder so miteinander gekoppelt sein, daß eine optische Übertragung zwischen ihnen möglich ist.

Der optische Drucksensor selbst besteht unter anderem aus einem U-förmig aufgebauten Sockel, dessen beide Schenkel parallel zueinander verlaufen und die bereits erwähnten Tragwände darstellen. Auf den beiden Tragwänden liegtdie photoelastische Materialschicht. Sie wird parallel zu ihrer Schichtebene und in einer parallel zu den Tragwänden verlaufenden Richtung in ihrem Zentrum von Licht durchstrahlt. Ebenfalls parallel zu den Tragwänden und auf der dem Sockel abgewandten Seite liegt das Druckelement, das sich über die gesamte Länge der photoelastischen Materialschicht erstreckt. Das Druckelement befindet sich vorzugsweise oberhalb des in der Mitte liegenden Zentralbereichs der Materialschicht, der von Licht durchsetzt wird.

Die photoelastische bzw. spannungsoptische Materialschicht ist an ihrer Unterseite nur mit einer der Tragwände durch einen Kleber oder Binder fest verbunden, während sie mit der anderen Tragwand frei bewegbar in Kontakt steht. Sie kann sich also relativ zur anderen Tragwand verschieben, wenn sich die Umgebungsbedingungen oder Druckbedingungen ändern.

Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines optischen Drucksensorsystems, bei dem ein photoelastisches bzw. spannungsoptisches Material zum Einsatz kommt,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines konventionellen optischen Drucksensors,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines optischen Drucksensors nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 den optischen Drucksensor nach Fig. 3 im belasteten Zustand,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines optischen Drucksensors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6 einen Querschnitt durch einen optischen Drucksensor nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 7 einen Querschnitt durch den optischen Drucksensor nach Fig. 2, und

Fig. 8 einen weiteren Querschnitt durch einen optischen Drucksensor nach der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt den fundamentalen Aufbau eines optischen Drucksensorsystems, bei dem ein photoelastisches bzw. spannungsoptisches Material zum Einsatz kommt. Ein photoelastisches Material 1 ist zwischen einem Polarisator 2 und einem Analysator 3 angeordnet. Licht von einer Lichtquelle 6 wird über eine optische Faser 5 zu einer Mikrolinse 4 übertragen. Durch die Mikrolinse 4 wird das Licht kollimiert. Das kollimierte Licht durchsetzt den Polarisator 2 und wird durch diesen in linear polarisiertes Licht umgewandelt. Die optische Achse des Polarisators 2 ist um etwa 45° gegenüber der Druckrichtung geneigt. Das durch den Polarisator 2 linear polarisierte Licht fällt auf das photoelastische Material 1. Nach Durchsetzen des photoelastischen Materials 1 und des hinter ihm liegenden Analysators 3 trifft das linear polarisierte Licht auf die Mikrolinse 4′auf. Diese Mikrolinse 4′ ist ebenfalls eine Kollimatorlinse. Durch sie wird das einfallende Licht in eine optische Faser 5′ eingekoppelt, so daß es schließlich auf einen Photodetektor 7 auftritt. Das photoelastische Material 1 zeigt eine Doppelbrechung, wenn es von außen druckbeaufschlagt wird. Tritt Licht durch das photoelastische Material 1 hindurch, so wird eine Phasendifferenz zwischen der Richtung, in der die Druckkraft wirkt, und derjenigen Richtung, die senkrecht zur Richtung der Druckkraft liegt, hervorgerufen, so daß das linear polarisierte Licht in elliptisch polarisiertes Licht umgewandelt wird.

Tritt das elliptisch polarisierte Licht durch den Analysator 3 hindurch, dessen optische Achse senkrecht zur optischen Achse des Polarisators 2 steht, so ändert sich die Lichtintensität in Übereinstimmung mit dem äußeren Druck. Auf der Grundlage des oben beschriebenen Prinzips ist es möglich, Drucksensoren, Lastsensoren, Beschleunigungssensoren, Vibrationssensoren, akustische Sensoren, und dergleichen zu konstruieren.

Die Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines konventionellen optischen Drucksensors. Dieser optische Drucksensor läßt sich verbiegen, so daß er eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Auf einem Sockel 8 ist ein photoelastisches Material 1 fixiert bzw. befestigt. Der zu messende Druck wirkt auf das photoelastische Material 1 über ein Druckelement 9. Im vorliegenden Fall entstehen Druckspannungen im oberen Bereich des photoelastischen Materials 1, während Zugspannungen im unteren Bereich des photoelastischen Materials 1 in der Nähe des Sockels 8 entstehen, wenn das Druckelement 9 belastet wird. Durchdringt linear polarisiertes Licht entweder den oberen Bereich des photoelastischen Materials 1 oder den unteren Bereich des photoelastischen Materials 1, so wird von diesem photoelastischen Material 1 elliptisch polarisiertes Licht emittiert. Wie bereits oben beschrieben, läßt sich dann die durchgelassene Lichtmenge bzw. Intensität in Abhängigkeit des auf das photoelastische Material 1 wirkenden Drucks verändern, wenn dieses zwischen dem Polarisator 2 und dem Analysator 3 positioniert ist.

Entsprechend der Fig. 2 ist das photoelastische bzw. spannungsoptische Material 1 vorzugsweise flach bzw. eben ausgebildet. Das Druckelement 9 liegt im wesentlichen im Zentralbereich des photoelastischen Materials 1 und weist die Form einer rechteckförmigen Vollprofilstange auf. Der Sockel 8 ist U-förmig ausgebildet und hat zwei Tragwände 8′ und 8″. Auf den oberen Seiten der beiden parallel zueinander verlaufenden Tragwände 8′ und 8″ ist das photoelastische Material 1 mit Hilfe eines Klebers oder Binders 10 befestigt, so daß die Seitenbereiche der unteren Fläche des photoelastischen Materials 1 in Kontakt mit den Tragwänden 8′ und 8″ des Sockels 8 stehen. Nur diese Seitenbereiche sind also mit den oberen Seiten der Tragwände 8′ und 8″ des Sockels 8 fest verbunden. Das Druckelement 9 verläuft auf der oberen Fläche des photoelastischen Materials 1 und ebenfalls parallel zur Längsrichtung der Tragwände. Zwar eignet sich diese Anordnung zur optischen Druckmessung, jedoch besitzt sie nur eine geringe Zuverlässigkeit und Empfindlichkeit.

Der in Fig. 3 dargestellte optische Drucksensor weist diese Nachteile nicht mehr auf und kann ebenfalls in dem optischen Drucksensorsystem nach Fig. 1 verwendet werden. Auch in diesem Fall ist das photoelastische Material 1 zwischen dem Polarisator 2 und dem Analysator 3 angeordnet. Der Polarisator 2 ist eingangsseitig mit der optischen Faser 5 verbunden, während der Analysator 3 ausgangsseitig mit der optischen Faser 5′ verbunden ist. Die Verbindung mit den Fasern erfolgt jeweils über die Mikrolinsen 4 und 4′. Beispielsweise kann die Verbindung fest ausgebildet sein. Die optische Faser 5 an der Eingangsseite ist ferner mit der Lichtquelle 6 verbunden, während die optische Faser 5′ an der Ausgangsseite mit dem Photodetektor 7 verbunden ist. Auch die beiden zuletzt genannten Verbindungen können fest ausgeführt sein.

Der optische Drucksensor nach Fig. 3 enthält ein photoelastisches Material 1, einen Sockel 8 und ein Druckelement 9. Das photoelastische Material 1 ist vorzugsweise flach bzw. eben ausgebildet, während der Sockel 8 U-förmig ausgebildet ist und zwei parallel zueinander verlaufende Tragwände 8′ und 8″ aufweist. Der Sockel 8 kann aber auch eine andere konkave Form besitzen. Das photoelastische Material 1 liegt oberhalb der Tragwände 8′ und 8″ des Sockels 8, so daß es parallel zur optischen Achse bzw. Systemachse verläuft. Das photoelastische Material 1 ist nur mit einer der beiden Tragwände 8′ oder 8″ mit Hilfe des Klebers oder Binders 10 verklebt bzw. verbunden. Nur eine der beiden Seiten der unteren Fläche des photoelastischen Materials 1 ist also an einer der Tragwände des Sockels 8 durch den Kleber bzw. Binder 10 fixiert. Die andere Seite der unteren Fläche des photoelastischen Materials 1 ist nicht mit der verbleibenden Tragwand des Sockels 8 verklebt bzw. verbunden.

Gemäß der Fig. 3 ist die Seite A der unteren Fläche des photoelastischen Materials 1 auf der Tragwand 8′ des Sockels 8 mit Hilfe des Klebers oder Binders 10 fixiert. Die andere Seite C der unteren Fläche des photoelastischen Materials 1 ist dagegen nicht mit der anderen Tragwand 8″ des Sockels 8 verklebt oder verbunden. Mit anderen Worten kommt die andere Seite C der unteren Fläche des photoelastischen Materials 1 nur in Kontakt mit der anderen Tragwand 8″ des Sockels 8, ohne mit ihr verklebt oder verbunden zu sein. Innere Spannungen entstehen daher bevorzugt im Endbereich A, da dieser Endbereich A des photoelastischen Materials 1 mit der Tragwand 8′ des Sockels 8 verklebt oder verbunden ist. Dagegen entstehen im Endbereich C praktisch keine innere Spannungen, da dieser Endbereich C der unteren Fläche des photoelastischen Materials 1 von der Tragwand 8″ des Sockels 8 getrennt ist. Das bedeutet, daß innere Spannungen im Endbereich A den Zentralbereich B beider Flächen des photoelastischen Materials 1, durch den das Licht hindurchtritt, praktisch nicht beeinflussen. Die optischen Eigenschaften des Drucksensors nach der Erfindung werden daher nicht in so starkem Maße durch die Verklebung oder Verbindung zwischen dem photoelastischen Material 1 und dem Sockel 8 verändert, wie beim konventionellen optischen Drucksensor. Dies gilt auch im Hinblick auf Temperaturschwankungen, wenn sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von photoelastischem Material 1 und Sockel 8 erheblich voneinander unterscheiden. Auch in diesem Fall werden bei Temperaturschwankungen nur Spannungen im Endbereich A der unteren Fläche des photoelastischen Materials 1 erzeugt, die den Zentralbereich B praktisch unbeeinflußt lassen. Die Lichtmenge bzw. Lichtintensität wird somit durch Temperaturschwankungen nicht mehr in so starkem Maße wie bisher verändert.

Das von der Lichtquelle 6 emittierte und die optische Faser 5 sowie die Mikrolinse 4 durchlaufende Licht trifft auf den Polarisator 2 auf, so daß das einfallende Licht in linear polarisiertes Licht umgewandelt wird. Das linear polarisierte Licht durchdringt den Zentralbereich B des photoelastischen Materials 1 unterhalb des Druckelements 9. Wird das photoelastische Material 1 in diesem Fall über das Druckelement 9 druckbeaufschlagt, so werden innerhalb des photoelastischen Materials 1 Spannungen erzeugt, die dazu führen, daß das linear polarisierte Licht aufgrund der vorhandenen Doppelbrechung und in Abhängigkeit der Stärke der erzeugten Spannungen in elliptisch polarisiertes Licht umgewandelt wird, und zwar aufgrund des photoelastischen bzw. spannungssoptischen Effekts. Das elliptisch polarisierte Licht tritt dann aus dem photoelastischen Material 1 aus und durchläuft anschließend den Analysator 3.

In der Fig. 4 ist der optische Spannungssensor nach Fig. 3 in einem belasteten Zustand dargestellt. Die Spannungsverteilung innerhalb des photoelastischen Materials 1 ist dabei durch Pfeile angegeben. Wie zu erkennen ist, werden Druck- und Zugspannungen innerhalb des photoelastischen Materials 1 erzeugt, wenn dieses durchgebogen wird. Da der verbundene oder verklebte Bereich zwischen dem photoelastischen Material 1 und dem Sockel 8 relativ breit ist, wird eine ungleichmäßige Spannungsverteilung erhalten. Dies führt dazu, daß sich die Empfindlichkeit des optischen Drucksensors in Abhängigkeit des Klebe- bzw. Verbindungszustands des photoelastischen Materials ändern kann.

Diese Abhängigkeit tritt bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel nicht mehr auf. Die Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines optischen Drucksensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der optische Drucksenor enthält ein photoelastisches Material 1, einen Sockel 8, mit dem zwei Tragwände 8′ und 8″ integral verbunden sind, sowie ein Druckelement 9. Die untere Fläche des photoelastischen Materials 1 liegt auf der Tragwand 8′ des Sockels 8 auf und ist mit dieser verklebt oder in anderer geeigneter Weise verbunden. Mit der anderen Tragwand 8″ ist das photoelastische Material 1 nicht verklebt oder verbunden. Die untere Fläche des photoelastischen Materials 1 kommt lediglich mit der Tragwand 8″ in Kontakt, ohne an ihr befestigt zu sein. Über das Druckelement 9 wird auf das photoelastische Material 1 von außen ein Druck ausgeübt, um Spannungen innerhalb des photoelastischen Materials 1 zu erzeugen. Wird in diesem Zustand das photoelastische Material 1 von Licht durchdrungen, so unterliegt das Licht einer Doppelbrechung innerhalb des photoelastischen Materials 1. Auf diese Weise läßt sich die Intensität des durch die optische Sensoreinrichtung hindurchtretenden Lichts in Abhängigkeit der Stärke des Drucks auf das photoelastische Material 1 verändern.

Die Breite der jeweiligen Tragwände 8′ und 8″ ist im Vergleich zur Breite des photoelastischen Materials 1 sehr klein. Der verklebte oder verbundene Bereich zwischen dem photoelastischen Materials 1 und dem Sokkel 8 ist somit viel schmaler als beim optischen Sensor nach Fig. 3. Das hat zur Folge, daß die Ungleichförmigkeit in der Spannungsverteilung erheblich reduziert wird, ohne daß die Empfindlichkeit des optischen Drucksensors abnimmt. Er besitzt darüber hinaus eine gute Reproduzierbarkeit.

Das photoelastische Material 1 kann beispielsweise ein Polymerharz oder Glas sein. Besteht das photoelastische Material 1 aus Glas, so wird vorzugsweise Quarzglas (silica glass), Kronglas, usw. verwendet. Das polymere photoelastische Material kann Epoxidharz, Diallylphthalatharz (DAP), usw. sein. Ferner kann als photoelastisches Material auch GaP, LiNbO₃, LiTaO₃, ZnSe, Acrylharz, Polycarbonatharz und Siliconharz verwendet werden. Das Material des Sockels 8 ist z. B. Invar (35% Ni:Fe), eine Fe-Ni- Legierung, Messing, ein Polymer, usw. Der Kleber oder Binder besteht z. B. aus niedrigschmelzendem Glas, Epoxyharz, Siliconharz, einem anorganischen Kleber oder Binder, wie z. B. Silicazement, oder dergleichen.

Wird Quarzglas als photoelastisches Material verwendet, so besteht der Sockel 8 vorzugsweise aus Invar. Wird dagegen Kronglas als photoelastisches Material eingesetzt, so besteht der Sockel vorzugsweise aus einer Fe-Ni-Legierung. Bei einem photoelastischen Material aus einem Epoxidharz oder aus DAP wird vorzugsweise ein Sockel 8 aus Messing oder aus einem Polymer eingesetzt.

Wie bereits erwähnt, sind das photoelastische Material 1 und der Sockel 8 miteinander verklebt oder in anderer geeigneter Weise verbunden. Das photoelastische Material 1 kann dabei auch eine Schichtstruktur aufweisen. Dabei liegen einzelne Schichten innerhalb des photoelastischen Materials 1 senkrecht zur Schichtebene übereinander.

Mit Hilfe des photoelastischen Materials 1 innerhalb des optischen Sensors nach der Erfindung wird einfallendes, linear polarisiertes Licht in elliptisch polarisiertes Licht in Abhängigkeit des von außen wirkenden Drucks bzw. in Abhängigkeit der aufgrund des wirkenden Drucks im Inneren des photoelastischen Materials erzeugten mechanischen Spannungen umgewandelt. Die optische Achse des Analysators 3 an der Ausgangsseite des photoelastischen Materials steht senkrecht zur optischen Achse des Polarisators 2 an der Eingangsseite des photoelastischen Materials. Die durch den Analysator 3 hindurchtretende Lichtmenge bestimmt sich somit nach dem Anteil des elliptisch polarisierten Lichts. Die Lichtmenge bzw. Intensität des Lichts wird mit Hilfe des Photodetektors 7 gemessen. Durch Bildung des Verhältnisses aus der durch den Photodetektor 7 gemessenen Lichtintensität und der von der Lichtquelle 6 abgestrahlten Lichtintensität läßt sich dann der von außen auf das photoelastische Material 1 wirkende Druck ermitteln.

Die Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch einen optischen Sensor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Fall wird Quarzglas als photoelastisches Material 1 verwendet, während der Sockel 8 aus Invar besteht. Die Tragwände 8′ und 8″ sind integral mit dem Sockel 8 verbunden, um eine konkave Struktur zu bilden. Das photoelastische Material 1 ist vorzugsweise als flache, ebene Schicht ausgebildet. Das Druckelement 9 weist zwei Druckarme 9-1 und 9-2 zur Bildung eines Hohlraums auf, wobei die Druckarme 9-1 und 9-2 durch einen Bügel 9-3 miteinander verbunden sind. Im folgenden werden die Abmessungen des photoelastischen Materials 1, des Sockels 8 und des Druckelements 9 näher angegeben. Die Breite B des Sockels 8 beträgt etwa 25 mm, während die Breite b jeder Tragwand 8′ und 8″ etwa 0,5 mm beträgt. Die Höhe h einer jeden Tragwand 8′ und 8″ ist etwa 1 mm, während die Tiefe des Sockels 8 senkrecht zur Breite B etwa 25 mm beträgt. Der Sockel 8 besitzt also eine quadratische Grundfläche.

Die Breite T des photoelastischen Materials 1 beträgt etwa 20 mm, während ihre Tiefe 25 mm beträgt. Die Breite W, die Höhe H und die Tiefe des Druckelements 9 betragen etwa 6 mm, 4,5 mm und 25 mm. Die Wanddicke c der Druckarme 9-1 und 9-2 beträgt 0,5 mm, während der Innenabstand d zwischen den Druckarmen 9-1 und 9-2 etwa 5 mm beträgt. Das photoelastische Material 1 ist nur mit einer der Tragwände 8′ und 8″ mit Hilfe eines Klebers oder Binders 10 fest verbunden. Mit der anderen Tragwand 8′ oder 8″ des Sockels 8 ist das photoelastische Material 1 nicht durch einen Kleber oder Binder verbunden. Vielmehr ist es relativ zu dieser anderen Tragwand verschiebbar. Durch die beiden Druckarme 9-1 und 9-2 des Druckelements 9 wird ein Druck auf das photoelastische Material 1 ausgeübt, indem das Druckelement 9 druckbeaufschlagt wird. In der Fig. 6 ist das photoelastische Material 1 mit der Tragwand 8′ verklebt bzw. verbunden.

Werden Quarzglas als photoelastisches Material 1 und Invar als Material für den Sockel 8 verwendet, so ergeben sich folgende Werte für die transmittierte Lichtintensität für den in Fig. 7 dargestellten Fall, bei dem das photoelastische Material 1 mit beiden Tragwänden 8′ und 8″ des Sockels 8 verbunden ist, und für den in Fig. 8 dargrstellten Fall, bei dem photoelastische Material 1 nur mit einer der Tragwände 8′ oder 8″ verbunden ist:
(Beide Seiten der unteren Fläche des photoelastischen Materials 1 sind mit den Tragwänden 8′ und 8″ fest verklebt oder verbunden.) (Nur eine Seite der unteren Fläche des photoelastischen Materials 1 ist mit einer der Tragwände 8′ oder 8″ verklebt oder verbunden.)

Die Einheit der in den Tabellen angegebenen Werte ist jeweils dBm (0 dBm = 1 µW, -10 dBm = 0,1 µW und -20 dBm = 0,01 µW). Sind beide Seiten der unteren Fläche des photoelastischen Materials 1 mit den Tragwänden 8′ und 8″ des Sockels 8 über den Kleber bzw. Binder 10 fest verbunden, so ist die transmittierte Intensität nach dem Verkleben bzw. Verbinden größer als vorher, da innere Spannungen im photoelastischen Material 1 durch das Verkleben bzw. Verbinden erzeugt werden. Wird im Gegensatz dazu nur eine Seite der unteren Fläche des photoelastischen Materials 1 mit einer der Tragwände 8′ oder 8″ in Übereinstimmung mit der Erfindung verbunden, so ist die transmittierte Lichtintensität vor dem Verbinden und nach dem Verbinden gleich. Demzufolge werden durch den Kleb- oder Verbindungsvorgang keine inneren Spannungen im photoelastischen Material 1 hervorgerufen.

Im folgenden wird die Temperaturabhängigkeit des transmittierten Lichts näher erläutert, wenn für das photoelastische Material 1 BACD-11 (Glas) verwendet wird, der Sockel 8 aus NS-5 (Metall) besteht und als Kleber oder Binder 10 niedrigschmelzendes Glas (LS-0803) zum Einsatz kommt.
(Beide Seiten der unteren Fläche des photoelastischen Materials 1 sind mit den Tragwänden 8′ und 8″ fest verbunden.)

Sind beide Seiten der unteren Fläche des photoelastischen Materials 1 mit den Tragwänden 8′ und 8″ fest verbunden, so ändert sich die transmittierte Lichtmenge in Abhängigkeit der Temperatur erheblich. Ist dagegen nur eine Seite der unteren Fläche des photoelastischen Materials 1 mit einer der Tragwände 8′ oder 8″ fest verbunden, so ist die transmittierte Lichtmenge praktisch temperaturunabhängig.

Entsprechend der Erfindung werden beim oben beschriebenen optischen Sensor keine bleibenden inneren Spannungen im photoelastischen Material 1 aufgrund des Verklebungs- bzw. Verbindungsvorgang erzeugt. Schwankungen in den Detektoreigenschaften des optischen Sensors treten daher nicht mehr in so starkem Maße wie beim konventionellen optischen Sensor auf. Dies gilt auch bezüglich der temperaturabhängigen Eigenschaften des optischen Sensors, da sich unterschiedliche temperaturabhängige Ausdehnungskoeffizienten für das photoelastische Material 1 und den Sockel 8 nicht mehr störend bemerkbar machen. Bei Temperaturänderungen bleibt die Detektorempfindlichkeit unbeeinflußt, da sich die Temperaturänderungen nicht auf die transmittierte Lichtmenge auswirken, wie die letzte Tabelle zeigt.

Claims (6)

1. Optischer Drucksensor, gekennzeichnet durch
- eine photoelastische Materialschicht (1) und
- einen Sockel (8), mit dem zwei Tragwände (8′, 8″) integral verbunden sind, auf denen die photoelastische Materialschicht (1) aufliegt, die nur mit einer Tragwand (8′) durch einen Kleber bzw. Binder (10) fest verbunden ist, während sie mit der anderen Tragwand (8″)frei beweglich in Kontakt steht.

2. Optischer Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckelement (9) auf der dem Sockel (8) abgewandten Seite der photoelastischen Materialschicht (1) angeordnet ist, über das die photoelastische Materialschicht (1) druckbeaufschlagbar ist.

3. Optischer Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel (8), die beiden Tragwände (8′,8″)und die photoelastische Materialschicht (1) einen Hohlraum bilden.

4. Optischer Drucksensor nach einem der Ansprüche 1, bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelastische Materialschicht (1) im Zentralbereich zwischen den Tragwänden (8′,8″) von Licht durchstrahlbar ist.

5. Optischer Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckelement (9) auf dem Zentralbereich der photoelastischen Materialschicht (1) aufliegt.

6. Optisches Sensorsystem, gekennzeichnet durch
- eine Lichtquelle (6) zur Emmission von Licht,
- eine mit der Lichtquelle (6) gekoppelte erste optische
Faser (5) zur Lichtübertragung,
- eine mit der ersten optischen Faser (5) gekoppelte Mikrolinse (4) zur Parallelisierung des aus der ersten optischen Faser (5) austretenden Lichts,
- einen Polarisator (2) zur Umwandlung des von der Mikrolinse (4) kommenden Lichts in linear polarisiertes Licht,
- einen optischen Drucksensor zur Umwandlung des linear polarisiertes Lichts in zirkular polarisierten Licht in Abhängigkeit eines von außen wirkenden Drucks, wobei der optische Drucksensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 aufgebaut ist,
- einen Analysator (3), auf den das zirkular polarisierte Licht vom optischen Drucksensor auftritt,
- eine zweite Mikrolinse (4′) zur Fokussierung des vom Analysator (3) kommenden Lichts,
- eine zweite optische Faser (5′), in die das Licht vom Analysator (3) durch die zweite Mikrolinse (4′) eingekoppelt wird,und
- einen Photodetektor (7) zum Empfang des aus der zweiten optischen Faser (5′) austretenden Lichts.