DE3701632A1

DE3701632A1 - Optical sensor

Info

Publication number: DE3701632A1
Application number: DE19873701632
Authority: DE
Inventors: Hans W Haefner
Original assignee: Pfister GmbH
Current assignee: Pfister GmbH
Priority date: 1987-01-21
Filing date: 1987-01-21
Publication date: 1988-08-04

Abstract

An optical sensor uses an optical test fibre which is embedded into a force- or pressure-transmitting material, particularly an elastomeric material.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor mit mindestens einem faserförmigen Lichtwellenleiter, der unter dem Einfluß eines Parameters, insbesondere einer Kraft, eines Druckes oder dergleichen seine Lichtübertragungseigenschaften ändert, wobei diese Änderung zur Messung des Parameters herangezogen wird.The invention relates to an optical sensor with at least a fibrous optical fiber that is under the influence a parameter, in particular a force, a pressure or the like changes its light transmission properties, this change being used to measure the parameter becomes.

In dem Aufsatz "Faseroptische Sensoren", R. Kist, in der Zeit schrift "Technisches Messen", Juni 1984, werden verschiedene Anwendungsmöglichkeiten von faserartigen Lichtwellenleitern in der Meßtechnik beschrieben und es wird auf die Vorteile der artiger faseroptischer Sensoren näher eingegangen. Hervorzu heben sind dabei die außerordentlich hohe Auflösung, der ein fache Aufbau auf Grund des Wegfalls von Wandlern und die un mittelbar mögliche digitale Erfassung und Verarbeitung der ge messenen Signale. Dabei werden die faseroptischen Sensoren unterteilt in vielwellige Fasern, bei der die Meßgröße die In tensität, die Frequenz oder die Laufzeit eines Lichtsignals beeinflußt und in einwellige Fasern, bei denen vor allem die Amplitude, Phase und/oder Polarisation des Lichtsignals zur Messung herangezogen wird.In the essay "Fiber Optic Sensors", R. Kist, in time "Technical measuring", June 1984, become different Applications of fiber-like optical fibers in the measuring technique described and it is on the advantages of like fiber optic sensors discussed in more detail. Out are the extraordinarily high resolution, the one fold structure due to the elimination of converters and the un indirectly possible digital acquisition and processing of the ge measured signals. The fiber optic sensors divided into multi-wave fibers, in which the measured variable is the In intensity, the frequency or the transit time of a light signal influenced and in single-wave fibers, in which especially the Amplitude, phase and / or polarization of the light signal for Measurement is used.

Die bisherigen Entwicklungen beschränken sich im wesentlichen auf Laboruntersuchungen. So wurde beispielsweise ein Licht wellenleiter zur Messung von Parametern von Flüssigkeiten in diese eingetaucht. Aus der DE-PS 35 41 733 ist es ferner be kannt, eine Faser metallisch zu ummanteln und auf einer Träger struktur durch Schweißen oder galvanisches Einbetten zu fixieren. Die Haftfestigkeit und Temperaturbeständigkeit einer solchen Verbindungstechnik ist nicht unkritisch, wie in der Druckschrift im einzelnen ausgeführt wird.The developments so far are essentially limited on laboratory tests. For example, there was a light waveguide for measuring parameters of liquids in this immersed. From DE-PS 35 41 733 it is also be knows to coat a fiber metallic and on a support structure by welding or galvanic embedding fix. The adhesive strength and temperature resistance of a such connection technology is not uncritical, as in the Document is executed in detail.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen faseroptischen Sensor anzugeben, der bei hoher Meßgenauigkeit verhältnis mäßig unempfindlich gegen äußere Einflüsse ist und äußerst einfach hergestellt werden kann.The invention has for its object a fiber optic Specify the sensor, the ratio with high accuracy is moderately insensitive to external influences and extremely can be easily manufactured.

Der erfindungsgemäße optische Sensor besitzt die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1.The optical sensor according to the invention has the features of Characteristic of patent claim 1.

Durch die Einbettung des faserartigen Lichtwellenleiters wird dieser gegen mechanische und chemische Einflüsse gut geschützt. Da das Schichtmaterial Kräfte bzw. Drucke vollständig auf den Lichtwellenleiter überträgt, ergibt sich eine verhältnismäßig hohe Meßgenauigkeit.By embedding the fiber-like optical fiber it is well protected against mechanical and chemical influences. Since the layer material completely forces or pressures on the Optical fiber transmits, there is a proportionate high measuring accuracy.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen optischen Sen sors sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Preferred developments of the optical sensor according to the invention sors are characterized in the subclaims.

Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen optischen Sensors ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigenFurther features and advantages of the optical according to the invention Sensors result from the following description of Exemplary embodiments with reference to the drawing. Show it

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips des erfindungsgemäßen optischen Sensors, Fig. 1 is a schematic representation for explaining the principle of the optical sensor according to the invention,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors, Fig. 2 is a plan view of a first embodiment of an optical sensor of the invention,

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht des optischen Sen sors nach Fig. 2 im Schnitt, Fig. 3 is a schematic side view of the optical sen sors of FIG. 2 in section,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors, Fig. 4 is a plan view of a further embodiment of the sensor according to the invention,

Fig. 5 eine Seitenansicht des Sensors nach Fig. 4, Fig. 5 is a side view of the sensor of Fig. 4,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer anderen Art von optischen Sensor gemäß der Erfindung im Schnitt, Fig. 6 shows an embodiment of a different kind of optical sensor of the invention in section;

Fig. 7 eine Draufsicht auf einen wesentlichen Teil des Sensors nach Fig. 6 und Fig. 7 is a plan view of an essential part of the sensor of Fig. 6 and

Fig. 8 eine gegenüber der Fig. 6 modifizierte Ausführungs form eines erfindungsgemäßen optischen Sensors im Schnitt, Fig. 8 shows a comparison with FIG. 6 modified execution form of an optical sensor according to the invention in section;

Fig. 9 einen Kraftmeßteppich mit optisch in Reihe geschal teten optischen Sensoren und Fig. 9 shows a force measuring carpet with optically switched in series optical sensors and

Fig. 10 eine besonders geeignete Lichtwellenleiterkombi nation. Fig. 10 is a particularly suitable fiber optic combination nation.

In Fig. 1 ist beispielsweise das Prinzip eines erfindungsge mäßen optischen Sensors dargestellt, der als sogenannter Mach- Zehnder-Sensor arbeitet.In Fig. 1 the principle of a erfindungsge MAESSEN optical sensor is illustrated, for example, which operates as a so-called Mach-Zehnder sensor.

Von einer monochromatischen Lichtquelle 1, etwa einer Laser diode wird Licht über einen Polarisator 2 an einen Koppler 4 a angelegt, der das Licht auf einen Meßlichtwellenleiter 3 a und einen Referenzlichtwellenleiter 3 b aufteilt. Das aus den beiden Lichtwellenleitern 3 a, 3 b austretende Licht wird an einen weiteren Koppler 4 b angelegt, in fotoelektrischen Elementen 5 detektiert, deren elektrische Ausgangssignale in einem Pro zessor 6 zu einem Ausgangswert verarbeitet werden, der in einer Anzeige 7 zur Anzeige kommt.From a monochromatic light source 1 , such as a laser diode, light is applied via a polarizer 2 to a coupler 4 a , which divides the light into a measuring light waveguide 3 a and a reference light waveguide 3 b . The light emerging from the two optical fibers 3 a , 3 b is applied to a further coupler 4 b , detected in photoelectric elements 5 , the electrical output signals of which are processed in a processor 6 to an output value which is shown in a display 7 .

Das bisher beschriebene Prinzip ist bekannt. Erfindungswesent lich ist die Einbettung des Meßlichtwellenleiters 3 a in einem kraftübertragenden Material 10, bevorzugt elastomeres Material, das eine Kraft F im wesentlichen vollständig auf den Meßlicht wellenleiter 3 a überträgt. Ferner wird der Referenzlichtwellen leiter 3 b frei von dem Einfluß der Kraft F angeordnet. Er kann dabei in einem Hohlraum 12 des Materials 10 geführt sein; alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, den Referenz lichtwellenleiter 3 b zur Temperaturkompensation außerhalb des elastomeren Materials 10 in der Nähe desselben anzubringen.The principle described so far is known. Essential to the invention is the embedding of the measuring light waveguide 3 a in a force-transmitting material 10 , preferably elastomeric material, which transmits a force F essentially completely to the measuring light waveguide 3 a . Furthermore, the reference light wave guide 3 b is arranged free from the influence of the force F. It can be guided in a cavity 12 of the material 10 ; alternatively, it is also possible, the reference optical fiber 3 b for temperature compensation outside of the elastomeric material 10 in the vicinity thereof to install.

Das in Fig. 1 dargestellte Meßprinzip ist das eines Zweistrahl interferometers, wobei bei dem Mach-Zehnder-Interferometer die durch die Kraft F im Meßlichtwellenleiter 3 a bewirkte Phasen verschiebung gegenüber dem Licht im Referenzlichtwellenleiter 3 b zur Messung herangezogen wird. Unter dem Einfluß der Kraft F verändert sich nämlich bei allseitigem Druck des elastomeren Materials 10 auf den Meßlichtwellenleiter 3 a dessen Brechzahl n, was zur einer entsprechenden Phasenverschiebung führt. Eine andere Änderung der Lichtübertragungseigenschaften des Meß lichtwellenleiters 3 a wäre eine Längenänderung auf Grund der Kraft F oder eine Durchbiegung.The measuring principle shown in Fig. 1 is that of a two-beam interferometer, with the Mach-Zehnder interferometer, the phase shift caused by the force F in the measuring optical waveguide 3 a relative to the light in the reference optical waveguide 3 b is used for measurement. Under the influence of the force F in fact of the elastomeric material 10 changes with pressure from all sides to the Meßlichtwellenleiter 3a whose refractive index n, which leads to a corresponding phase shift. Another change in the light transmission properties of the measuring fiber 3 a would be a change in length due to the force F or a deflection.

Das in Fig. 1 dargestellte Prinzip des Zweistrahl-Interfero meters nach Mach-Zehnder ist nur ein Beispiel für den Einsatz eines einwelligen Lichtwellenleiters. Andere Möglichkeiten sind in den genannten Veröffentlichungen beschrieben, ein schließlich der Anwendung von vielwelligen Lichtwellenleitern.The principle of the two-beam interferometer according to Mach-Zehnder shown in Fig. 1 is only one example of the use of a single-wave optical fiber. Other possibilities are described in the publications mentioned, including the use of multi-wave optical fibers.

Wesentlich für die Erfindung ist die Art und Weise, wie die Lichtwellenleiter vorteilhaft untergebracht sind.What is essential to the invention is the way in which the Optical fibers are advantageously housed.

Fig. 2 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen optischen Sensors 20, der bevorzugt eine flächige Ausführung besitzt, das heißt, bei dem die Höhe oder Dicke wesentlich geringer ist als die Längen- und Breitendimension. Fig. 2 shows a practical embodiment of an inventive optical sensor 20 , which preferably has a flat design, that is, in which the height or thickness is significantly less than the length and width dimension.

Der Sensor 20 besteht aus einer Schicht aus kraftübertragendem Material, bevorzugt elastomerem Material, in dem ein Meßlicht wellenleiter 13 a meanderförmig als obere Lage 23 eingebettet ist. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist dann der Bezugslichtwellen leiter 13 b in Röhren 22 ebenfalls meanderförmig in der Schicht 21 geführt. Der Referenzlichtwellenleiter 13 b ist somit kräfte frei angeordnet. Lichtwellenleiterkabel 14, 16 verbinden den Meßlichtwellenleiter 13 a mit den Kopplern 4 a bzw. 4 b der Fig. 1. In gleicher Weise ist der Referenzlichtwellenleiter 13 b über Lichtleiterkabel 18, 19 an die Koppler 4 a, 4 b angeschlossen.The sensor 20 consists of a layer of force-transmitting material, preferably elastomeric material, in which a measuring light waveguide 13 a is embedded in a meandering shape as the upper layer 23 . As can be seen from Fig. 3, the reference light wave guide 13 b in tubes 22 is also meandering in the layer 21 . The reference light waveguide 13 b is thus freely arranged. Optical fiber cables 14 , 16 connect the measuring optical fiber 13 a to the couplers 4 a and 4 b of FIG. 1. In the same way, the reference optical fiber 13 b is connected via optical fiber cables 18 , 19 to the couplers 4 a , 4 b .

Aus den Fig. 2 und 3 ergibt sich, daß der Meßlichtwellen leiter 13 a auf Grund der meanderförmigen Führung eine erheb liche Länge aufweist, die zwischen Bruchteilen von Metern und einigen km liegen kann. Der Referenzlichtwellenleiter 13 b besitzt bevorzugt, jedoch nicht notwendigerweise die gleiche Länge wie der Meßwellenleiter 13 a. Bei Einwirkung einer Kraft F auf die Oberfläche der Schicht 21 wird diese Kraft voll ständig auf den Meßlichtwellenleiter 13 a übertragen und das in ihm sich fortpflanzende, einwellige Licht wird in seiner Phase deutlich gegenüber dem Licht im Referenzlichtwellenleiter 13 b verschoben. Diese Phasendifferenz läßt sich äußerst genau feststellen, so daß sich eine sehr Auflösung ergibt.From Fig. 2 and 3 it follows that the measuring light waveguide 13 a has a considerable length due to the meandering guide, which can be between fractions of meters and a few km. The reference optical fiber 13 b preferably has, but not necessarily the same length as the measurement waveguide 13 a. When a force F acts on the surface of the layer 21 , this force is continuously transferred to the measuring optical waveguide 13 a and the propagating, single-wave light is shifted in phase significantly compared to the light in the reference optical waveguide 13 b . This phase difference can be determined extremely precisely, so that there is a very high resolution.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform eines er findungsgemäßen optischen Sensors 30, bei dem eine Schicht 21 aus elastomerem Material zwischen zwei Stahlplatten 32, 34 an geordnet ist, so daß sich eine gleichmäßige Verteilung einer auf die obere Stahlplatte 32 wirkenden Kraft F in der Schicht 31 ergibt. FIGS. 4 and 5 show a further embodiment of he inventive optical sensor 30, in which a layer 21 of elastomeric material between two steel plates 32, 34 to be sorted, so that a uniform distribution of force acting on the upper steel plate 32 force F in layer 31 results.

Abweichend von dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 ist der Referenzlichtleiter 23 b in einem größeren Hohlraum 36 ge trennt von dem Meßlichtwellenleiter 23 a seitlich von diesem angeordnet. Ferner wurde der Meßlichtwellenleiter 23 a in zwei übereinander angeordneten sich kreuzenden Lagen 24 und 26 meanderförmig gelegt, wodurch eine weitere Verlängerung des Meßlichtwellenleiters 23 a möglich ist. Dabei kann der Ab stand der beiden Lagen so gewählt sein, daß keine Lichtkopp lung zwischen ihnen auftritt.Deviating from the embodiment of FIGS. 2 and 3, the reference optical fiber 23 separates from the Meßlichtwellenleiter b ge 23 a side of this placed in a larger cavity 36. Furthermore, the measuring light waveguide 23 a was placed in two superimposed, intersecting layers 24 and 26 in a meandering manner, whereby a further extension of the measuring light waveguide 23 a is possible. The position of the two layers can be selected so that no light coupling occurs between them.

Alternativ dazu könnte eine der Lagen 24, 26 auch getrennt herausgeführt sein und nur einen derartigen Abstand von der anderen Lage haben, daß bei Krafteinwirkung eine Lichtaus kopplung aus der eigentlichen Meßlichtwellenleiterlage in die andere Lage erfolgt, die dann zur Lokalisierung der Kraftein wirkung auf die Schicht 31 verwendet werden kann. Bei einer derartigen Anordnung würde die obere Stahlplatte 32 bevor zugt entfallen.Alternatively, one of the layers 24 , 26 could also be led out separately and only have such a distance from the other layer that, when force is applied, a light is coupled out from the actual measuring light waveguide layer into the other layer, which then acts on the layer to localize the force 31 can be used. With such an arrangement, the upper steel plate 32 would be omitted before given.

Wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 erfolgt ein entsprechender Anschluß an die Koppler 4 a und 4 b über Licht leiterkabel 44, 46, 48, 49. As in the embodiment of FIGS. 2 and 3, a corresponding connection to the couplers 4 a and 4 b is made via optical fiber cables 44 , 46 , 48 , 49 .

Ist der Meßlichtwellenleiter und der Referenzlichtwellenleiter nicht gleich lang, dann muß dies selbstverständlich bei der elektronischen Auswertung im Prozessor 6 entsprechend berück sichtigt werden.If the measuring optical waveguide and the reference optical waveguide are not of the same length, this must of course be taken into account accordingly in the electronic evaluation in the processor 6 .

Durch Einbettung der Meß- und Referenzlichtwellenleiter in die elastomere Schicht lassen sich superflache Meßstrecken, ähn lich Fördergurten oder dergleichen mit Verfahren herstellen, wie sie auch bei der Herstellung von Fördergurten aus elasto merem Material verwendet werden.By embedding the measuring and reference light waveguides in the elastomeric layer can be super flat measuring sections, similar Lich produce conveyor belts or the like with processes, just like in the production of conveyor belts from elasto merem material can be used.

Da der Referenzlichtwellenleiter in oder in der Nähe der elastomeren Schicht, etwa in der druckfreien Kammer 36 oder in den beispielsweise durch Rohre gebildeten Öffnungen 26 ge führt ist, werden Temperaturänderungen wirksam kompensiert.Since the reference optical waveguide is in or in the vicinity of the elastomeric layer, for example in the pressure-free chamber 36 or in the openings 26, for example formed by pipes, temperature changes are effectively compensated for.

Bisher wurde angenommen, daß das kraftübertragende Material, in dem die Lichtwellenleiter eingebettet sind, ein elastomeres Material ist, wobei dieses bevorzugt blasenfrei hergestellt sein sollte. Dies kann entweder durch Aushärtung des elasto meren Materials im Vakuum oder durch Zentrifugalgießen erreicht werden, wie dies nachstehend noch näher erläutert wird.It has previously been assumed that the force-transmitting material, in which the optical fibers are embedded, an elastomer Material is, which is preferably made bubble-free should be. This can be done either by curing the elasto meren material in vacuum or by centrifugal casting as will be explained in more detail below.

An die Stelle des elastomeren Materials kann auch ein Material von wesentlich größerer Härte treten, wenn dieses die auf die Schicht ausgeübten Kräfte bzw. Drucke vollständig oder zumindest gleichförmig weitergibt. Als ein derartiges Material käme auch Glas in Frage, wobei die bevorzugt aus Glas bestehenden Lichtwellenleiter in eine geschmolzene Glasfritte eingebettet werden, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Lichtwellen leiter besitzt.A material can also replace the elastomeric material of much greater hardness occur when this on the Layer applied forces or pressures completely or at least passes uniformly. As such a material would come also glass in question, the preferred consisting of glass Optical fiber embedded in a melted glass frit that have a lower melting point than the light waves head.

Die Fig. 6 bis 8 zeigen eine weitere Ausführungsform des er findungsgemäßen optischen Sensors in Anwendung auf eine Kraft meßzelle, wie sie beispielsweise in der WO 86/03 584 beschrieben ist. FIGS. 6 to 8 show measurement cell, another embodiment of he inventive optical sensor as applied to a force as is for example described in WO 86/03 584th

Im Inneren eines topfförmigen Gehäuses 52 ist ein Kolben 54 unter Bildung eines engen Ringspaltes 55 geführt. Ein Raum 56 zwischen der Unterseite des Kolbens 54 und dem Boden des Ge häuses 52 ist mit einem elastomeren Material gefüllt, in dem ein Meßlichtwellenleiter 58 eingebettet ist, der mit den Kopplern 4 a, 4 b (Fig. 1) über Lichtleiterkabel 66, 67 in Ver bindung steht.A piston 54 is guided inside a pot-shaped housing 52 to form a narrow annular gap 55 . A space 56 between the bottom of the piston 54 and the bottom of the Ge housing 52 is filled with an elastomeric material in which a measuring light waveguide 58 is embedded, which with the couplers 4 a , 4 b ( Fig. 1) via fiber optic cables 66 , 67 is connected.

Ein Bezugslichtwellenleiter 62 ist unabhängig vom Meßlicht wellenleiter 58 untergebracht, beispielsweise in einer an der Unterseite des Gehäuses 52 ausgebildeten Öffnung 60, die mittels einer Deckplatte 64 verschließbar ist. Der Referenz lichtwellenleiter 62 steht wiederum über Lichtleiterkabel 68, 69 mit den Kopplern 4 a und 4 b in Verbindung.A reference light waveguide 62 is housed independently of the measuring light waveguide 58 , for example in an opening 60 formed on the underside of the housing 52 , which can be closed by means of a cover plate 64 . The reference optical fiber 62 is in turn connected via optical fiber 68 , 69 to the couplers 4 a and 4 b .

Der Meßlichtwellenleiter 58 und bevorzugt auch der Referenz lichtwellenleiter 62 können eine erhebliche Länge zwischen Bruchteilen eines Meters und einigen hundert Meter. Die Licht wellenleiter können wiederum meanderförmig ein- oder mehrlagig geführt sein. Eine alternative Form wäre eine spiralförmige, bifilare Ausbildung mit umgebogenem inneren Ende.The measuring optical waveguide 58 and preferably also the reference optical waveguide 62 can have a considerable length between fractions of a meter and a few hundred meters. The light waveguide can in turn be meandering one or more layers. An alternative form would be a spiral, bifilar formation with a bent inner end.

Fig. 8 zeigt eine gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 6 modifizierte Ausführungsform eines optischen Sensors 70, bei dem der Referenzlichtwellenleiter weggelassen ist. Dies ist dann möglich, wenn eine Temperaturkompensation nicht erfor derlich ist und zur Messung ein Impulsverfahren, etwa in einem vielwelligen Lichtwellenleiter verwendet wird. FIG. 8 shows an embodiment of an optical sensor 70 modified from the embodiment according to FIG. 6, in which the reference optical waveguide is omitted. This is possible when temperature compensation is not necessary and a pulse method is used for the measurement, for example in a multi-wave optical waveguide.

Fig. 7 zeigt die Draufsicht auf die Ausführungsformen nach Fig. 6 und 8, zur Erläuterung der Herausführung der Licht leiterkabel 66, 67, 68, 69. Fig. 7 shows the top view of the embodiments according to FIGS. 6 and 8, for explaining the leading out of the light guide cables 66 , 67 , 68 , 69 .

Das bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen verwendete elastomere Material kann bevorzugt Silikon-Kautschuk sein. Weitere verwendbare Stoffe sind in der genannten WO 86/03 584 angegeben. Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Sensoren können die in dieser Veröffentlichung erläuterten Verfahren verwendet werden, wobei die Aushärtung des elastomeren Materials entweder in Vakuum erfolgt oder ein Zentrifugalgießen verwendet wird. Hierdurch läßt sich blasenfreies elastomeres Material herstellen, das Kräfte bzw. Drucke vollständig auf den Meß lichtwellenleiter 58 überträgt.The elastomeric material used in the various exemplary embodiments can preferably be silicone rubber. Further usable substances are specified in the mentioned WO 86/03 584. The methods explained in this publication can be used in the production of the sensors according to the invention, the curing of the elastomeric material either taking place in a vacuum or using centrifugal casting. In this way, bubble-free elastomeric material can be produced, which transmits forces or pressures completely to the measuring fiber 58 .

Fig. 9 zeigt eine Reihenschaltung mehrerer in Abstand zuein ander angeordneter Kraftmeßzellen mit optischem Sensor gemäß den Fig. 6 bis 8, wobei die Lichtwellenleiter durch Licht leiterkabel 80 bzw. 82 in Reihe geschaltet sind. Anfang und Ende werden wieder mit den Kopplern 4 a, 4 b (Fig. 1) ver bunden. Auf diese Weise läßt sich ein ausgedehnter Kraft meßteppich herstellen. Fig. 9 shows a series connection of several at a distance to each other arranged load cells with an optical sensor according to FIGS . 6 to 8, wherein the optical fibers are connected in series by fiber optic cables 80 and 82 respectively. Beginning and end are again with the couplers 4 a , 4 b ( Fig. 1) a related party. In this way, an extensive force measuring carpet can be produced.

Fig. 10 zeigt einen Lichtwellenleiteraufbau, gemäß dem min destens drei, im Ausführungsbeispiel vier Lichtwellenleiter 90 zueinander parallel verlaufend zusammengeschmolzen sind. In dem sich in der Mitte ergebenden Hohlraum kann dann der Referenzlichtwellenleiter 92 angeordnet werden. Fig. 10 shows an optical waveguide structure according to the min are melted together least three, in the embodiment, four optical waveguide 90 parallel to each other extend. The reference optical waveguide 92 can then be arranged in the hollow space resulting in the middle.

Eine derartige Lichtleiterkombination kann dann an Stelle der Meßlichtwellenleiter meanderförmig oder spiralförmig oder dergleichen in die elastomere Schicht eingebettet werden. Die Meßlichtwellenleiter 90 werden dann miteinander in Reihe ge schaltet und es besteht eine exakte Längenbeziehung zwischen den Meßlichtwellenleitern 90 und dem Referenzlichtwellen leiter 92.Such a light guide combination can then be embedded in the elastomeric layer instead of the measuring light waveguide in a meandering or spiral shape or the like. The measuring light waveguide 90 are then connected to each other in series and there is an exact length relationship between the measuring light waveguides 90 and the reference light waveguide 92 .

Die äußeren Meßlichtwellenleiter 90 werden durch Druck be lastet, was zu elastischen Spannungen in Längs- und Querrich tung in den Meßlichtwellenleiter 90 führt, wodurch sich der Brechungsindex in diesen Lichtquellenleitern ändert. Der Be zugswellenleiter 92 wird von den Druckänderungen nicht beein flußt. The outer measuring optical waveguide 90 are loaded by pressure, which leads to elastic tensions in the longitudinal and transverse direction in the measuring optical waveguide 90 , whereby the refractive index changes in these light source conductors. Be the reference waveguide 92 is not influenced by the pressure changes.

Obwohl in Zusammenhang mit Fig. 1 optische Sensoren mit ein welligen Lichtleitern beschrieben wurden, können beliebige andere Lichtwellenleiter wie Side-Hole-Fasern, mit Draht um wickelte Fasern, gedrehte Fasern mit druckentlasteter Referenzfaser zum Einsatz kommen. Das optische Meßprinzip ist auch nicht auf ein Zweistrahl-Interferometer nach Mach-Zehnder beschränkt, sondern die Erfindung ist bei beliebigen anderen Meßverfahren anwendbar.Although optical sensors with a wavy light guide have been described in connection with FIG. 1, any other optical waveguide such as side-hole fibers, fibers wound with wire, twisted fibers with pressure-relieved reference fiber can be used. The optical measuring principle is also not limited to a Mach-Zehnder two-beam interferometer, but the invention can be used in any other measuring method.

Wie bei Dehnungsmeßstreifen-Vorrichtungen üblich, kann auch bei den vorstehend beschriebenen optischen Sensoren zum Ab gleich zwischen Meßlichtwellenleiter und Referenzlichtwellen leiter an einer geeigneten Stelle ein bevorzugt ablängbarer Lichtwellenleiterabschnitt angeordnet sein, der zum Beispiel zur Nullkompensation dem einen oder anderen Lichtwellenleiter in Reihe geschaltet wird.As usual with strain gauge devices, can also in the above-described optical sensors right between the measuring light waveguide and the reference light waves head at a suitable point a preferably cut to length Optical waveguide section can be arranged, for example for zero compensation of one or the other optical fiber is connected in series.

Von Bedeutung für die Erfindung ist, daß sich die Lichtwellen leiter auf einfache Weise in Form eines Gewebes in dem elasto meren Material einbetten lassen, etwa mit Verfahren wie sie bei der Herstellung von Fördergurten oder dergleichen bekannt sind. Die Lichtwellenleiterpakte können auch auf einer blatt förmigen Unterlage aufgebracht sein, die dann in das elasto mere Material eingebettet wird. Die Meanderführung kann bei spielsweise mittels Webtechnik erreicht werden, das heißt, daß beispielsweise mit Schuß und Kette gearbeitet wird.It is important for the invention that the light waves ladder in a simple way in the form of a fabric in the elasto embedding other material, for example using processes like the one below known in the manufacture of conveyor belts or the like are. The fiber optic packages can also be on a sheet shaped pad to be applied, which is then in the elasto mere material is embedded. The meandering can be at can be achieved by means of weaving technology, for example, that for example with weft and chain.

Claims

1. Optical sensor with a fiber-like optical waveguide, which changes its light transmission properties under the influence of a physical variable, in particular special force or pressure, this change being used to measure the physical variable, characterized in that the optical waveguide ( 3 a ; 13 a ; 23 a ; 58 ; 90 ) is embedded in a layer ( 10 ; 21 ; 31 ) made of pressure- or force-transmitting material.

2. Optical sensor according to claim 1, characterized in that that the material is an elastomeric material.

3. Optical sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the optical waveguide preferably has a substantial length between fractions of a meter and several km and is guided ver over the surface of the layer ( 10 , 21 ).

4. Optical sensor according to claim 3, characterized in that that the distribution is even, approximately meandering or is spiral in one or more layers.

5. Optical sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that a reference optical waveguide (3 b; 13 b; 23 b; 62) unaffected by the physical quantity in the vicinity of the optical waveguide (3 a;; 13 a; 23 a 58 ) is arranged.

6. Optical sensor according to claim 5, characterized in that the reference light waveguide ( 3 b ; 13 b ) in the layer ( 10 ; 21 ) in tubular bushings ( 12 ; 22 ) is pressure-free at a different altitude than the optical waveguide ( 3rd a ; 13 a ;).

7. Optical sensor according to claim 5, characterized in that the reference light waveguide ( 23 b ) in a layer ( 21 ) provided in the pressure-free space ( 36 ) is guided.

8. Optical sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the optical waveguide ( 3 a ) and the reference optical waveguide ( 3 b ) are inserted into an interferometer.

9. Optical sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the layer ( 21 ) is covered at least on the upper side with a rigid force introduction plate ( 32 ) which preferably adheres firmly to the layer ( 21 ).

10. Optical sensor according to claim 1, characterized in that the optical waveguide ( 58 ) is embedded in elastomeric material which is located inside a pot-shaped housing Ge ( 52 ).

11. Optical sensor according to claim 9, characterized in that the space ( 56 ) in the pot-shaped housing ( 52 ) is covered by a piston ( 54 ) which wall with the cylindrical inner wall of the pot-shaped housing ( 52 ) has a narrow gap ( 55 ) forms, which is filled with elastomeric material.

12. Optical sensor according to claim 9 or 10, characterized in that in a wall of the pot-shaped housing ( 52 ), preferably the bottom wall, a recess ( 60 ) is provided, in which a reference light waveguide ( 62 ) is placed under.

13. Optical sensor according to one of claims 10 to 12, characterized in that several such load cells are arranged at a distance from one another and their optical waveguide ( 58 ) or reference optical waveguide ( 62 ) are connected in series.

14. Optical fiber combination, in particular for use with an optical sensor according to one of the preceding claims, characterized in that at least three mutually parallel optical fiber fibers ( 90 ) are fused together and a reference light waveguide fiber ( 92 ) protected inside between the optical fibers ( 90 ) runs.

15. Method for producing an optical sensor with a Optical fiber of substantial length, characterized net that the optical fiber in a layer of pressure or force-transmitting material is embedded.

16. The method according to claim 13, characterized in that the material is an elastomeric material that is incorporated with embedded optical fiber is cured bubble-free.

17. The method according to claim 13, characterized in that the material is a glass frit with a melting point is lower than the melting point of the optical fiber and that the optical fiber into the melted Glass frit is embedded.