DE3628715A1

DE3628715A1 - Faseroptischer druckdetektor

Info

Publication number: DE3628715A1
Application number: DE19863628715
Authority: DE
Inventors: Alan Lewis Harmer
Original assignee: Battelle Development Corp
Current assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Priority date: 1985-11-14
Filing date: 1986-08-23
Publication date: 1987-05-21
Also published as: GB8617906D0; CA1268640A; FR2590018B1; SE8603256D0; SE458067B; GB2183026A; JPS62118230A; FR2590018A1; JPH0648220B2; SE8603256L; GB2183026B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung des Druckes mit Hilfe einer durchstrahlten optischen Faser.

Es ist bekannt, daß durch Biegung oder Krümmung einer optischen Faser, die an einem Ende mit einer Lichtquelle und am entgegengesetzten Ende mit einem Fotodetektor versehen ist, die übertragene Lichtstrahlung abgeschwächt wird.

Es wurde festgestellt, daß die Wirkung der Querverformung als Mittel zur Variation der durch die Faser transportierten Strahlung dadurch optimiert werden kann, daß auf die Faser an gegeneinander versetzten, diametral gegenüberliegenden, in gleichen von strukturellen und optischen Faserparametern bestimmten Abständen entlang ihrer Achse angeordneten Punkten gleichzeitig Druck ausgeübt wird.

In diesem Zusammenhang wird auf einen Bericht hingewiesen, der auf Untersuchungen von G. Zeidler basiert und beim Zweiten Europäischen Kolloqium über Faseroptische Übertragung, das am 27. September 1976 in Paris stattfand, veröffentlicht wurde. Dieser Bericht befaßt sich hauptsächlich mit periodischen Krümmungen bzw. Biegungen, die in den Fasern mittels ein Paar Klemmbacken mit um die Hälfte der Wiederholperiode dieser Deformationen gegeneinander versetzten Zähnen herbeigeführt werden. Die Wiederholperiode ist eine Funktion der Wellenlänge des durch die Faser transportierten Lichts.

Verschiedene zur Messung mechanischer Kräfte geeignete Anordnungen dieser Art sind in der SE-PS 4 10 521 beschrieben. Die Nutzung der Deformation einer lichtleitenden Struktur in einem optischen Dehnungs- bzw. Spannungsmesser ist aus der US-PS 41 63 397 bekannt.

Zur periodischen Verformung einer optischen Faser, wie in der herkömmlichen Weise, Klemmbacken mit in festen Abständen angeordneten Zähnen zu verwenden, bringt schwerwiegende Nachteile mit sich. So kann ein solches Paar Klemmbacken nur auf einen Faserabschnitt begrenzter Länge eingesetzt werden und es müßten mehrere Klemmbacken mit gleicher Struktur vorgesehen werden, wenn zwei oder mehr solcher Abschnitte gleichzeitig verformt werden sollen. Wie in der obengenannten SE- PS 4 10 521 dargestellt, können als Alternative die Klemmbacken erweitert werden, so daß sie mehrere Windungen einer darumherumgewickelten Faser umfassen. Die Anordnung der Zähne in engen Abständen erfordert jedoch eine hohe Präzision, wodurch die Vorrichtung in der Herstellung sehr kostenaufwendig ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung des Druckes durch faseroptische Mittel anzugeben, welche die obengenannten Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll eine solche hochempfindliche Vorrichtung zur Umwandlung elektrischer oder mechanischer Phänomene in Lichtsignale, die über große Entfernungen übertragen werden können, bereitgestellt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zusätzlich zu einer zwischen einer Lichtquelle und einem Fotodetektor - wie oben angegeben - angeordneten optischen Faser, ein druckübertragendes Mittel auf, das mindestens einen Abschnitt dieser Faser umfaßt und einen Teil aus im wesentlichen inkompressiblen Material enthält, der in einer Vielzahl von Windungen gleichen Abstands voneinander helixartig um den Faserabschnitt gewickelt oder gewunden ist.

Aus der US-PS 42 26 504 ist ein System zum Schutz einer optischen Faser vor mechanischer Beanspruchung mit Hilfe eines weichen stoßabsorbierenden Fadens bekannt, der helixförmig innerhalb eines rohrförmigen Mantels um die Faser gewunden ist. Der bevorzugte Abstand der Windungen voneinander liegt zwischen 1/4 und 12 Zoll oder etwa 6 und 250 mm. Die Pufferwirkung des Fadens und des Mantels verhindert, daß sie wesentliche Radialdrücke auf die Faser übertragen. Im Gegensatz hierzu hat der erfindungsgemäß verwendete helix- bzw. schraubenförmig gewundene Teil aus einem im wesentlichen nicht zusammendrückbaren Material - z. B. ein Metalldraht - keine stoßabsorbierende Wirkung, sondern überträgt solche Radialdrücke genau, mit dem Ergebnis, daß sie die Faser an Punkten im Abstand von der halben Ganghöhe der Windungen verformt wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält ferner als ein Bestandteil des druckübertragenden Mittels eine flexible Hülle aus einem im wesentlichen inkompressiblen Material, die die Faser - oder zumindest den zu deformierenden Abschnitt der Faser - umhüllt. Die Innen- oder Außenwand einer solchen Schutzhülle kann auch so ausgebildet sein, daß sie eine helixartige Strukturierung, z. B. Rippen, aufweist.

Zur Erzielung einer optimalen Wirkung sollte die Ganghöhe der Windungen natürlich so gewählt werden, daß die axiale Entfernung der Druckpunkte voneinander die obengenannte Periodizitätsbedingung erfüllt. Wie im folgenden näher beschrieben, liegt die optimale Entfernung in der Größenordnung von einigen Millimetern.

Vorzugsweise ist die optische Faser von dem im wesentlichen inkompressiblen Filament (Faden, Draht oder dergleichen) umschlossen und kann in einer Matte oder dergleichen eingeschlossen sein, in der dem Sensor aufgrund der Struktur, in der er eingeschlossen ist, unweigerlich eine Biegung beigebracht wird. Es wurde festgestellt, daß die Einbringung der von dem helixartig geformten Filament umschlossenen optischen Faser in solch eine Matte und die Verwendung der Faser als Drucksensor, wobei die Orientierung der Faser ein gewisses Maß an Biegung der Faser erfordert, möglich ist, wenn der Krümmungsradius R des Drucksensors oberhalb eines Mindestkrümmungsradius gehalten wird, bei dem statische Verluste nicht auftreten. In anderen Worten, wenn das Kabel so gebogen ist, daß sein Krümmungsradius unterhalb eines vorbestimmten Mindestkrümmungsradius liegt, nehmen statische Verluste wegen des Engerwerdens der Helix mit abnehmendem Krümmungsradius der Biegung zu.

Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß der Mindestkrümmungsradius R, den das Kabel oder der Sensor aushalten kann, durch die Gleichung definiert ist, wobei
p = die Ganghöhe der Helix,
f = der Durchmesser der optischen Faser und
g = das Spiel zwischen der optischen Faser und dem Filament bedeuten, das auch als (mittlere) radiale Weite des Spalts zwischen dem Filament und der optischen Faser bezeichnet werden kann.

Erfindungsgemäß wurde ferner festgestellt, daß zwar, wie oben erwähnt, ein Metallfilament benutzt werden kann, aber bei optischen Fasern mit rundem Querschnitt sehr vorteilhaft ist, als Helix ein Polymerfilament zu verwenden. Wenn auch praktisch jedes Polymerfilament wirkungsvoll für diesen Zweck eingesetzt werden kann, so sind doch Polyamide, von denen man annehmen könnte, daß sie die besten Ergebnisse liefern würden, tatsächlich nicht so gut geeignet wie Polyester, die beim Erhitzen weniger schrumpfen.

Vorzugsweise wird das Filament mit Hilfe eines Klebstoffs, vorteilhaft mit einem Silikongummi, befestigt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer, teilweise gebrochener Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckdetektors;

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckdetektors;

Fig. 3, 4 und 5 weiteren Modifikationen, die der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ähnlich sind;

Fig. 6, 7 und 8 graphische Darstellungen betreffend die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen verbesserten Druckdetektors;

Fig. 9 in Draufsicht eine Anordnung zur Feststellung der optimalen Periodizität der Druckpunkte einer in einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 bis 5 verwendbaren optischen Faser;

Fig. 10 im Querschnitt einen Teil einer Anordnung, bei der die Vorrichtung gemäß Fig. 1 eingesetzt ist;

Fig. 11 ein Diagramm, das die für die Biegung der optischen Faser geltende Beziehung zeigt und

Fig. 12 in graphischer Darstellung die Beziehung zwischen dem übermäßigen Verlust in Dezibel und dem Krümmungsradius für Filament-Helix-Ganghöhen von einer Wellenlänge λ bzw. von drei Wellenlängen 3 λ.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Drucks mit einem Kabel 1, das eine optische Faser 2 (z. B. Lichtleitfaser) enthält, deren eines Ende durch eine Lichtquelle 3 beleuchtet wird und deren anderem Ende ein Fotodetektor 4 gegenüberliegt. Ein vorzugsweise metallischer im wesentlichen inkompressibler Faden 5, wird innerhalb einer flexiblen Hülle 6 helixartig um die Faser gewunden. Die Hülle 6 besteht ebenfalls aus einem im wesentlichen inkompressiblen Material, z. B. einer metallischen oder harzartigen Folie.

Im Betrieb wird das Kabel 1 gemäß Fig. 1 zwischen ein Paar flacher Klemmbacken gelegt, die zum Beispiel, wie in Fig. 10 dargestellt, aus einer Unterlage 10 und einer Druckplatte 11 gebildet werden. Die Unterlage 10 ist ein Teil einer Anordnung, zu der auch eine Abdeckplatte 9 gehört; sie sind durch die Säulen 12 voneinander getrennt. In dem Raum zwischen der Abdeckplatte 9 und Druckplatte 11 wird ein Druckgenerator 13, z. B. ein piezoelektrischer Wandler, vorgesehen, der sich beim Anlegen eines Wechselstroms an seinen Eingang 14 in vertikaler Richtung ausdehnt oder zusammenzieht. Solche piezoelektrische Wandler sind bekannt und z. B. bei der Firma Physik Instrumente (PI), Waldbronn/ Karlsruhe, Bundesrepublik Deutschland, erhältlich. Eine Ausdehnung des Blocks 13, der sich gegen die Abdeckplatte 9 abstützt, übt einen Druck auf die Platte 11 aus. Daraus resultiert eine relativ umgekehrte Verformung der Faser 2 an den Zeniten und Nadiren der Windungen des helixförmigen Organs 5. Wie im vorangehenden erläutert, schwächt diese Verformung das Licht ab, das von der Quelle 3 bis zum Fotodetektor 4 durch die Faser geleitet wird (Fig. 1).

Das Kabel 1 aus Fig. 1 und 10 kann mit seiner Hülle 6, die einen runden Querschnitt aufweist, in beliebiger Winkelstellung in bezug auf seine Achse zwischen die Klemmbacken 10 und 11 plaziert werden. Die Drahtspirale 5 ist jedoch einigermaßen kompressionsbeständig, so daß diese Vorrichtung nur zur Messung von Drücken oberhalb einer gewissen Mindestgröße geeignet ist. Ein druckempfindlicheres Kabel 1 a, das in Teilansicht in Fig. 2 dargestellt ist, enthält einen Draht 5 a, der abgeflachte Windungen aufweist und mit einer ähnlich abgeflachten Hülle 6 a mit im wesentlichen elliptischem Querschnitt ummantelt ist. Die lichte Weite der Hülle 6 a in in Richtung ihrer kleinen Achse entspricht dem Faserdurchmesser plus dem zweifachen Drahtdurchmesser, während ihre Weite senkrecht dazu wesentlich größer ist. Ein solches Kabel 1 a kann nur in zwei Winkelpositionen, die sich um 180° unterscheiden, zwischen die Klemmbacken 10 und 11 der in Fig. 10 gezeigten Anordnung geklemmt werden. Die Beständigkeit der langen Schenkel der Drahtschleifen gegenüber dem Radialdruck ist jedoch wesentlich geringer als die des in Fig. 1 dargestellten Drahtes.

Andererseits führt die erhöhte Verformbarkeit der Anordnung gemäß Fig. 2 dazu, daß sie unter erhöhten Drücken nicht mehr verwendet werden kann. Um diesen Nachteil zu beheben, wird die in Fig. 3 gezeigte Modifikation vorgeschlagen. Hier wird ähnlich wie in Fig. 2, ein Kabel 1 b vorgesehen, das einen Draht 5 b und eine Hülle 6 b enthält. Zusätzlich sind zwei Metallstäbe 7 vorhanden, die innerhalb der Windungen des Drahtes im Abstand die Faser 2 und an beiden Seiten flankieren. Die Dicke der Stäbe 7 ist etwas geringer als der Faserdurchmesser und wird so bemessen, daß die Verformung der Faser unter Maximaldruck begrenzt wird. Unterhalb dieser Grenze sind der Draht 5 b und die Hülle 6 b jedoch noch äusserst empfindlich gegenüber Querdrücken, die z. B. von einer Anordnung gemäß Fig. 10 ausgeübt werden.

In allen Fällen kann die die Faser umschließende Hülle auch aus einem transparenten Material bestehen, um eine visuelle Beobachtung des aus der beleuchteten Faser entweichenden Lichts zu ermöglichen. Eine solche Ausführungsform ist in Fig. 4 wiedergegeben. Gemäß Fig. 4 bildet die transparente Hülle 6 c einen Teil eines Kabels 1 c und weist dieselbe Röhrenform auf wie die Hülle 6 gemäß Fig. 1. Aus Fig. 4 geht ebenfalls hervor, daß der Metalldraht der vorangehenden Ausführungsformen durch eine helix- bzw. schraubenlinienförmige Strukturierung 5 c, d. h. eine Rippe, ersetzt werden kann, die auf der Innenfläche der Hülle integriert mit dieser geformt ist. Polyacrylate sind unter anderem ein geeignetes Material für die Hülle 6 c und ihre Rippen bzw. helixartige Erhöhung 5 c.

Ferner ist es nicht unbedingt notwendig, den schraubenförmig gewundenen Teil innerhalb einer Hülle anzuordnen. So sieht das in Fig. 5 dargestellte Kabel 1 d wie das in Fig. 1 bis 4 gezeigte Kabel aus, weist hier jedoch eine, mit einer äußeren, helixförmigen Strukturierung 5 d, d . g. einer Rippe, versehene Hülle 6 d auf. Die Rippe bzw. das helixförmige Relief der Hülle kann wiederum einen integrierten Bestandteil der Hülle darstellen. Sie kann aber auch durch teilweises Entfernen einer metallischen Schicht oder einer Schicht aus einem anderen geeigneten Material gebildet werden, welche auf der Außenfläche der in diesem Fall die optische Faser 2 dicht umschließenden Hülle 6 d haftet. Wenn das Kabel 1 d in der Anordnung gemäß Fig. 10 eingesetzt wird, wirken die Klemmbacken 10 und 11 natürlich direkt auf die Strukturierung bzw. Rippe 5 d ein, so daß die Faser 2 durch die dazwischenliegende Hülle 6 d hindurch verformt wird.

Optische Fasern können ebenfalls mit einer helixförmig verdrehten Polarisationsebene hergestellt werden. Hierzu wird zum Beispiel auf eine Veröffentlichung von A. J. Barlow, J. J. Ramskov Hansen und D. N. Payne mit dem Titel "Birefrigence and polarization mode dispersion in spun single-mode fibres", Applied Optics, Vol 20, S. 2962, September 1981, hingewiesen. In einem solchen Fall müßte das schraubenförmige druckübertragende Organ dieselbe Ganghöhe wie die verdrehte Polarisationsebene der Faser besitzen und mit dieser ausgerichtet sein.

Bei üblichen optischen Fasern, die einen Kern mit einem mittleren Brechungsindex n _c und eine äußere Zone oder einen Mantel mit niedrigerem Brechungsindex n _o aufweisen, besitzt die kritische Periodizität der Verformungen eine in der Gleichung nach Field angegebene Wellenlänge λ:

λ = 2π r/(2Δ)^1/2 (1)

In dieser Gleichung ist r der Radius des Faserkerns und

2Δ = 1-n _o ²/n _c ² (2)

Also lautet die Gleichung (1) auch

Die numerische Öffnung NA der Faser ist durch die folgende Gleichung gegeben:

NA = (n _c ²-n _o ²)^1/2 (4)

So kann der Kern-Brechungsindex n _c aus dem Mantelindex n _o und der numerischen Öffnung NA berechnet werden.

In einem speziellen Fall wurde eine Faser mit progressiv variierendem Brechungsindex verwendet, die unter der Bezeichnung Corning Nr. 41 292 205 erhältlich ist. Die Faser hatte einen Kerndurchmesser von 60 µ, einen Manteldurchmesser von 125 µ und eine numerische Öffnung von 0,201. Ihre Lichtschwächung bei Licht mit einer Wellenlänge von 820 nm betrug 4,2 dB/km. Es wurde festgestellt, daß die Faser einen Mantelindex von n _o = 4,458 und einen Kernindex von n _c = 1,472 hatte. Die Berechnung lieferte die Werte Δ = 9,33 · 10^-3 und λ = 1,380 mm.

Zur experimentellen Bestimmung der kritischen Periode λ wurden zwei Abschnitte dieser Faser zwischen ein Paar Scheiben geklemmt, die jeweils auf einer ihrer Flächen mit zehn dicht aneinander angeordneten und parallel zu einem der Durchmesser der Scheiben verlaufenden Stahlstiften versehen waren. Die Stifte auf den beiden Scheiben waren gegeneinander um ihren halben Durchmesser versetzt. Fig. 9 zeigt eine solche Scheibe 7 zusammen mit ihren Stiften 8 und einer gebogenen Faser 2, deren Verlauf mit dem zu den Stiften senkrecht verlaufenden Durchmesser einen Winkel α bildet. Durch Änderung des Winkels α wurde der Abstand der Berührungspunkte P zwischen den Faserabschnitten und den Stiften verändert. Für α = 0 entsprach dieser Abstand dem Stiftdurchmesser. Versuchsergebnisse mit drei Paar solcher Scheiben, mit Stiftdurchmessern von 1,0, 1,5 und 3,0 mm, sind in Fig. 6 graphisch dargestellt. Darin ist die Abschwächung (in dB) als Funktion des Abstands der Druckpunkte P (in mm) aufgetragen. In der graphischen Darstellung ist ein Hauptmaximum bei 1,346 mm zu sehen, was dem berechneten Wert von λ = 1,380 ziemlich nahekommt. Ein weiteres, kleineres Maximum gibt es bei 4,1 mm, was der dritten Harmonischen der Periode entspricht, d. h. 3 λ. Der Klemmdruck betrug etwa 250 g.

Fig. 7 zeigt die Variation der Abschwächung beim optimalen Abstand λ der Verformungspunkte P mit dem Klemmdruck (in g). Die Schwächung wird für eine effektive Faserlänge (welche die der Verformung unterliegenden Abschnitte umfaßt) von 29,92 mm gemessen, die durch 20 λ bei der Anordnung in Fig. 9 gegeben ist. Die Kurve gemäß Fig. 7 verläuft in einem Bereich von 100 bis 300 g fast linear, mit einer Neigung von 0,526 dB/g, wobei die Neigung die Druckempfindlichkeit der Vorrichtung darstellt. Bei einem Klemmdruck von 300 g betrug die spezifische Schwächung 4,67 dB/cm, der berechnete Verzug der Faser war 2,85 und die berechnete Belastung belief sich auf 16,5 kg/mm².

Eine Versuchsreihe, die mit einem Kabel gemäß Fig. 1 unter Verwendung einer Faser des genannten Typs durchgeführt wurde, lieferte die in der nachstehenden Tabelle I zusammengestellten Ergebnisse. Das helixförmige Organ 5 bestand aus einem Klavierdraht mit einem Durchmesser von 0,1 mm. Die Versuche Nr. 1 und Nr. 2 wurden mit einem gleichen Kabel durchgeführt, die jedoch Unterschiedliche Ganghöhen aufwiesen; sie zeigten die beträchtlich erhöhte Empfindlichkeit, wenn die Ganghöhe 2 A beträgt - d. h. der doppelte in Gleichung (3) angegebene Wert - in Übereinstimmung mit Versuch Nr. 2. Versuch Nr. 3 wurde ohne Hülle durchgeführt, während bei den Versuchen Nr. 4 und Nr. 5 Hüllen verwendet wurden, die sich von den in den beiden ersten Versuchen verwendeten Hüllen unterschieden. Die beiden numerischen Werte, die neben dem Hüllenmaterial angegeben sind, betreffen den Außen- und Innendurchmesser. Die letzten vier Versuche wurden alle mit der optimalen Ganghöhe von 2 × 1,35 mm durchgeführt.

TABELLE I

Ein weiterer Versuch, der an einem Kabel des in Fig. 1 dargestellten Typs vorgenommen wurde, das zweimal schraubenförmig um einen Zylinder mit einem Durchmesser von 1 cm gewickelt war, zeigte eine Abschwächung von 0,37 dB gegenüber 0,40 dB für eine optische Faser, die zweifach schraubenlinienförmig um einen gleichen Zylinder ohne Draht 5 und Hülle 6 gewunden war. Dieser Versuch zeigt, daß durch die Kabelstruktur die Verluste reduziert werden können, die in einer optischen Faser, welche um Bögen mit kleinem Radius gebogen ist, vorkommen.

Weiterhin wurde ein Kabel, entsprechend dem in Versuch Nr. 3 jedoch mit länglichen Drahtschleifen (gemäß Fig. 2) und einer Exzentrizität von etwa 3, getestet. Es wurde festgestellt, daß es eine Empfindlichkeit von 11,1 dB/kg aufwies. Dies stellt ungefähr den dreifachen Wert der in Versuch Nr. 3 gemessenen Empfindlichkeit dar. Wenn das Kabel in der vorstehend beschriebenen Weise um einen Zylinder mit einem Durchmesser von 1 cm gewunden wird, ergibt sich eine Abschwächung von 0,20 dB. Dies zeigt, daß der Gewinn an Empfindlichkeit nicht auf Kosten von statischen Verlusten in Biegungen großer Krümmung erhalten wird.

Weitere Versuche wurden an einer nicht umhüllten Anordnung wie in Fig. 3 durchgeführt, wobei die Stäbe 7 eine Dicke von 0,1 mm und eine Breite von 0,5 mm aufwiesen. Das Organ 5 b war ein auf beide Oberflächen der Stäbe 7 punktgeschweißter Stahldraht mit einem Durchmesser von 0,15 mm. Bei einer Ganghöhe, die wiederum gemäß der durch λ = 1,35 mm gegebenen optimalen Periodizität gewählt worden war, ergab sich eine maximale statische Empfindlichkeit für diese Struktur von 0,03 dB/g, die vergleichbar ist mit derjenigen, die bei einer zwischen gezahnte Klemmbacken geklemmte Faser erhalten wird (wie z. B. in der oben angegebenen SE-PS 4 10 521 dargestellt). Der Verlust, der bei Windung der Struktur um einen Zylinder mit einem Durchmesser von 1 cm - wie im Vorangehenden beschrieben - auftrat, betrug nur 0,098 dB.

Bei Verwendung einer solchen Struktur in einer Anordnung gemäß Fig. 10 wurde die Modulationsschleife (in %) als Funktion der von Null bis 100% der maximal übertragbaren Strahlung reichenden Intensität des übertragenen Lichts gemessen. Das angelegte Anregungssignal hatte eine Spitze-zu-Spitze-Spannungsdifferenz von 20 V, die bei einem piezoelektrischen Wandler mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 1 µ pro 100 V einer Verschiebung von 0,2 entsprach. Wie in Fig. 8 dargestellt, ergab sich bei 40% Lichtübertragung eine maximale Modulationstiefe von etwa 12%. Die Signal/Rausch-Verhältnisse für verschiedene Bandbreiten des angewandten Signals sind in der folgenden Tabelle II zusammengestellt:

TABELLE II

Durch Dividieren der Werte des Signal/Rausch-Verhältnisses durch die obengenannte Verschiebung von 0,2 µ erhält man die für das Signal/Rausch-Verhältnis von 1 notwendige Mindestverschiebung. Bei einer Bandbreite von 1 Hz gemäß der ersten Reihe der Tabelle II beträgt diese Mindestverschiebung nur 0,69 Å.

Die Modulationstiefe variiert im wesentlichen linear mit der Anregungsspannung, bis zu einem Maximum von etwa 150 V, was einer Verschiebung von 1,5 µ entspricht. Dies zeigt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verwendung als Analogmodulator hervorragend geeignet ist.

Wie aus Fig. 11 hervorgeht, kann die optische Faser 2 bis zu einem Mindest-Krümmungsradius R gebogen werden, wenn sie mit einem helixförmigen Filament 5, z. B. aus einem Polyester, umwickelt ist, ohne daß ein übermäßiger Verlust aus diesem Biegen des optischen Filaments resultiert. Dieser Mindest- Krümmungsradius ist auf die Parameter des helixförmigen Windens bezogen. Wie aus Fig. 11 ersichtlich, können die Spaltbreite g zwischen dem Filament 5 und der optischen Faser 2, die Ganghöhe p der Helix und der Durchmesser f der Faser variiert werden, um den Wert R _mm gemäß der Beziehung so einzustellen, daß die Forderungen für eine Anwendung des Sensors bei verschiedenen Matten oder dergleichen, in denen der Sensor gebogen ist, erfüllt sind.

Wie aus dem Diagramm des als Funktion des Krümmungsradius gemessenen übermäßigen Verlustes ersichtlich (Fig. 12), sind die gemessenen Werte nahe denjenigen, die aus dieser Formel, wo die Ganghöhe ungefähr gleich einer Wellenlänge λ ist, theoretisch ermittelt wurden. Es besteht eine Abweichung wenn die Ganghöhe 3 λ beträgt, aber dieser Fall ist vom praktischen Standpunkt gesehen kaum von Interesse, weil der Sensor neunmal empfindlicher gegenüber Biegen ist als bei einer Ganghöhe von λ für denselben Spalt zwischen der Faser und dem herumgewundenen Filament.

Zur Herstellung einer Filamenthelix mit der gewünschten mittleren Spaltbreite und Ganghöhe von z. B. λ = 1,35 mm, um die optische Faser, kann ein Filament aus einem Polyester um eine Mikroröhre gewunden werden, durch die hindurch die optische Faser axial geführt wird. Das Filament wird auf die Mikroröhre derart gewickelt, daß ihre Windungen sich gegenseitig berühren, d. h. mit einer Ganghöhe, die dem Durchmesser des Filaments entspricht. Der Durchmesser der Mikroröhre wird so ausgewählt, daß er das gewünschte Spiel oder die Spaltbreite zwischen der optischen Faser und der Helix bestimmt.

Wird zum Beispiel die Wicklung des Polyester-Filaments um die Mikroröhre bei einer Geschwindigkeit von 220 UpM durchgeführt, sollte die optische Faser entsprechend der Ganghöhe λ der Helix mit einer Geschwindigkeit von 220 × 1,35 mm pro Minute axial durch die Röhre gezogen werden.

Bei jeder Umdrehung wird eine Windung der Helix von der Mikroröhre auf die optische Faser übertragen, so daß sowohl die gewünschte Ganghöhe der Helix der optischen Faser als auch die gewünschte Spaltbreite entstehen, ohne daß minimale störende statische Mikrokrümmungen erzeugt werden.

Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn das Filament aus einem Polyester besteht und nach einer Glühbehandlung vor seinem Aufbringen auf die optische Faser bei Erhitzung auf 100°C nur um etwa 1% schrumpft. Im allgemeinen sollte bei Erhitzung von 20°C auf 100°C die Schrumpfung des Filaments nicht mehr als 1,5% betragen.

Claims

1. Vorrichtung zur Ermittlung des Drucks, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Faser (2) mit einem Durchmesser f vorgesehen ist, die mindestens eine Biegung mit einem Krümmungsradius R aufweist, daß eine Lichtquelle (3) vorgesehen ist, die an einem Ende der optischen Faser (2) angrenzt und einen Lichtstrahl in die optische Faser (2) einleitet, daß ein Photodetektor (4) vorgesehen ist, der den Lichtstrahl an einem gegenüberliegenden Ende der optischen Faser (2) empfängt, wobei eine Änderung des Lichtstrahls, die einen auf die optische Faser (2) ausgeübten Druck anzeigt, ermittelbar ist, und daß ein Filament (5 a bis d) aus einem im wesentlichen inkompressiblen Material um die optische Faser (2) im wesentlichen helixförmig mit einer Ganghöhe p sowie einem mittleren Abstand g der Helix und der optischen Faser (2) herumgewunden ist, wobei der Krümmungsradius R größer ist als ein durch die Beziehung definierter Minimalwert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ganghöhe p einer Wellenlänge λ des Lichtstrahls entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Helix (5) eine kreisförmige Helix ist und daß die Faser (2) einen kreisförmigen Querschnitt hat.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filament (5) aus einem Polymermaterial besteht, das eine Schrumpfung von höchstens 1,5% besitzt, wenn seine Temperatur von 20°C auf 100°C erhöht wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Filament (5) aus Polyester besteht.