DE3715693C1

DE3715693C1 - Flaechiger,taktiler Sensor

Info

Publication number: DE3715693C1
Application number: DE3715693A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dipl-Phys D Fuerstenau
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1987-05-12
Filing date: 1987-05-12
Publication date: 1988-09-01
Also published as: GB8811205D0; GB2204686B; GB2204686A; US4886361A; GB8810546D0; JPS63292030A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen flächigen, taktilen Sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Moderne Robotersysteme benötigen zur Erweiterung ihres Einsatzbereiches taktile Sensoren, die analog dem menschlichen Tastsinn ortsaufgelöst die Kraftverteilung messen, die auf die Robotergreifer einwirkt. Derartige Sensoren geben dabei die Eingangssignale für die Regelkreise der Robotersysteme.

Orientiert man sich hinsichtlich der Anforderungen an taktile Sensoren an den taktilen Fähigkeiten der menschlichen Finger, ist eine Annäherung an folgende Vorgaben anzustreben:

- minimale detektierbare Kraft 3,6 · 10^-4N (entsprechend einem Gewicht von 36 mg);
- größte Genauigkeit bei 1-8 · 10^-2N mit auflösbaren Kraftdifferenzen von 15-20%;
- Ortsauflösung (Zwei-Punkt-Auflösung) 1-2 mm, so daß ein Finger typischerweise einem 15×20-Sensorarray entspricht.

Bei einem bekannten Sensor der eingangs erwähnten Art (GB 21 41 821 A) besteht das Netzwerk aus gekreuzt angeordneten Multimode- Glasfasern, in die jeweils an einem Ende über Leuchtdioden Licht eingespeist wird und am anderen Ende jeweils eine Fotodiode angeschlossen ist. Durch Druck auf den Sensor werden die Fasern gebogen. Dies führt zu Intensitätsänderungen des von den Leuchtdioden in die Fasern eingespeisten Lichtes. Die einwirkende Kraft wird durch Messung der transportierten Lichtintensität festgestellt. Aufgrund der gekreuzten Anordnung der Fasern kann die Krafteinwirkung örtlich zugeordnet werden. Bei einem solchen Sensor führen auch Biegungen, denen die Fasern außerhalb des Sensors ausgesetzt sind, zu Intensitätsänderungen. Es ist dabei nicht möglich, Intensitätsänderungen innerhalb des Sensorbereiches von solchen zu unterscheiden, die durch Faserbiegung außerhalb des Sensorbereiches auftreten.

Es ist weiter ein Sensor bekannt (Zeitschrift IEEE Spektrum, August 1985, Seite 49), bei dem in einem starren Körper eine Matrix mit Öffnungen vorgesehen ist, in denen jeweils die Enden der Fasern fixiert sind. Den Öffnungen gegenüberliegend ist in der elastischen Abdeckung jeweils eine Vertiefung angeordnet, deren Boden mit einem lichtreflektierenden Überzug versehen ist. Bei einem Druck auf die Membran wird die Lichtreflektion verändert und damit ein Signal gegeben. Die Änderung der Reflektivität ist hierbei abhängig von der Art der Verformung der reflektierenden Oberfläche, die wiederum davon abhängig ist, an welcher Stelle die Kraft auf die elastische Abdeckung einwirkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen flächigen, taktilen Sensor der eingangs erwähnten Art so auszugestalten, daß bei hoher Ortsauflösung gleichzeitig eine hohe Kraftauflösung und ein möglichst genaues Maß für den absoluten Wert der einwirkenden Kraft erreichbar ist und bei dem Biegungen in den außerhalb des Sensors liegenden Faserabschnitten das Meßergebnis nicht beeinflussen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 herausgestellten Merkmale.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der Aufbau faseroptischer Zweistrahlinterferometer ist bekannt, und es liegen auch Untersuchungen zur Dehnungs- und Tempraturempfindlichkeit solcher Interferometer vor - Forschungsbericht der DFVLR - DFVLR FB 85-56, 1985; Proceedings "Fibre Optics 86", SPIE, Volume 630, L. R. Baker, ed. Bellingsham, Washington (1986), Seiten 220-224; Proceedings "OFS" 86, Tokio, The Institute of Electronics and Communications Engineers of Japan, Tokio (1986), Seiten 291-294.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines faseroptischen Mach-Zehnder-Interferometers,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines faseroptischen Michelson-Interferometers,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Doppelpolarisations- Michelson-Interferometers mit Auslesevorrichtung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines taktilen Sensors mit einem Netzwerk aus vier faseroptischen Michelson- Interferometern,

Fig. 5 eine Schrägansicht auf einen taktilen Sensor mit einem Netzwerk aus sechs faseroptischen Michelson-Interferometern,

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 5 mit einer zusätzlichen Anordnung von faseroptischen Interferometern zur ortsaufgelösten Temperaturmessung.

Das in Fig. 1 dargestellte faseroptische Mach-Zehnder-Interferometer weist zwei parallele orptische Fasern 2, 4 auf, die jeweils über zwei im Abstand voneinander angeordnete faseroptische 3 dB-Monomode-Koppler 6, 8 geführt sind. Die beiden Faserstrecken oder -arme 10, 12 zwischen den Kopplern 6 und 8 bilden Meß- und Referenzarm des Interferometers. In die Faser 2 wird von einer Lichtquelle 14, die vorzugsweise eine Laserlichtquelle ist, Licht mit einer Eingangsleistung P₀ eingespeist. Dieses Licht wird mittels der Koppler 6 und 8 in die Faser 4 ein- bzw. aus dieser ausgekoppelt. Die Ausgangsleistung P _- und P ₊ am gegenüberliegenden Ende der Fasern 2 und 4 wird Fotodetektoren 16, 18 aufgegeben. Dehnungen in einem der Arme (=Meßarm) 10 bzw. 12 relativ zu dem anderen Arm (=Referenzarm) führen zu einer Änderung der optischen Weglängendifferenz zwischen 10 und 12 und damit zu einer mit den Fotodioden 16, 18 meßbaren Intensitätsänderung. Auf Einzelheiten wird weiter unten eingegangen.

Bei dem faseroptischen Michelson-Interferometer, das schematisch in Fig. 2 dargestellt ist, sind wiederum zwei optische Fasern 20, 22 vorgesehen, die über einen faseroptischen 3 dB-Monomode- Koppler 24 geführt sind. Meß- und Referenzarm 26, 28 sind an ihren Enden 30, 32 verspiegelt, so daß das Licht reflektiert wird. In die Faser 20 wird auch hier von einer Lichtquelle 14 Licht, vorzugsweise Laserlicht, mit einer Leistung P₀ eingespeist. Dieses Licht wird über die Spiegel 30, 32 reflektiert und die Ausgangsleistung P _- bzw. P₊ wird am andern Ende der Glasfasern 20 einem Fotodetektor 34 aufgegeben bzw. durch einen optischen Isolator 36 vor der Lichtquelle 14 (z. B. eine Laserdiode) zur Vermeidung von Instabilitäten absorbiert. Statt verspiegelter Endflächen 30, 32 der Fasern 26, 28 können auch Spiegel vorgesehen werden.

Fig. 3 zeigt im Blockschaltbild die vollständige Beschaltung eines Doppelpolarisations-Interferometers vom Michelson-Typ. In die Faser 38, die als polarisationserhaltende Monomode-Faser ausgebildet ist, wird über einen Laser 48, der entweder als Laserdiode oder als He-Ne-Gaslaser ausgeführt ist, über ein erstes Mikroskopobjektiv 50 oder eine geeignete Linse, einen optischen Isolator 52 und ein zweites Mikroskopobjektiv 54 Lasersicht eingespeist. Diese Versorgungseinheit ist hier über einen Spleiß oder einen Monomode-Fasersteckverbinder 56 an den Eingangsarm des Interferometers angeschlossen. Der Eingangsarm und die Faser 40, die über den faseroptischen 3 dB-Monomode-Koppler 42 geführt sind, sind an den Enden der Abschnitte 44, 46, die Meß- bzw. Referenzarm bilden, verspiegelt. Zwischen dem Steckverbinder 56 und dem Koppler 42 ist ein faseroptisches Polarisationsstellglied 58 angeordnet. Ein entsprechendes Polarisationsstellglied 60 ist in der Faser 40 angeordnet, die an eine Gradientenindexlinse 62 angeschlossen ist, hinter der ein Polarisationsstrahlteiler 64 angeordnet ist. An die Ausgänge dieses Teilers 64 ist jeweils eine Multimodefaser 66 für die vertikale und eine Multimodefaser 68 für die horizontale Komponente der Ausgangsintensität angeschlossen. Anstelle der Kombination 62, 64 kann auch ein faseroptischer Polarisationsstrahlteiler zwischen 40, und 66, 68 eingesetzt werden. Die Multimodefasern 66 bzw. 68 können Kunststoffasern sein. Sie sind jeweils an eine Fotodioden-Vorverstärker-Kombination 70, 72 angeschlossen, deren Ausgänge auf eine Ausleseelektronik 74 geschaltet sind, an die sich ein Up-Down-Zähler 76 anschließt.

Die Sensorelemente haben die Funktion faseroptischer Dehnungssensoren. Sie messen die durch biegungsinduzierte Dehnung eines der beiden Interferometerarme (Meßarm) hervorgerufene optische Wegänderung relativ zum unbeeinflußten (Referenz-)arm über die entsprechende relative Phasenverschiebung der Lichtwellen in beiden Armen. Die Phasenverschiebung wird durch Überlagerung der beiden Lichtwellen in einem faseroptischen Koppler in eine mit einer Photodiode meßbare Intensitätsänderung (das Interferenzsignal) umgewandelt. Die Ausgangsintensitäten aus den beiden Ausgangsarmen des Mach-Zehnder-Interferometers bzw. Michelson-Interferometers haben im einfachsten Fall die Form:

wobei die beiden Intensitäten sich durch das Vorzeichen unterscheiden. ΔΦ ist die Phasendifferenz zwischen den beiden Armen

mit Vakuumwellenlänge g₀, Brechungsindex n, geometrische Länge L. Das Interferenzsignal kann in Form von hell-dunkel-Wechseln ausgelesen werden. Durch Zählen z. B. der am Detektor vorbeigezogenen Helligkeitsmaxima erhält man ein absolutes Maß für die Dehnung, wenn der Anfangswert (z. B. Zählerstand=0 bei unbelasteter Faser) vorgegeben ist.

Als Dehnungsempfindlichkeit wird die für einen Wechsel zwischen zwei benachbarten Interferenzmaxima der Intensität erforderliche Dehnung ε=Δ L/L parallel zur Faserlängsachse angegeben. Sie entspricht einer Phasenverschiebung zwischen den Lichtwellen in beiden Interferometerarmen von ΔΦ=2π. Allgemein gilt

wobei die Materialparameter Brechungsindex n, elastooptische Konstanten p₁₁, p₁₂, Poissonzahl ν wellenlängenabhängig sind und der Literatur entnommen werden können.

Für ein Mach-Zehnder-Interferometer ist bei λ₀=786 nm (Halbleiter- Laserdiode):

Im Fall des Michelson-Interferometers als Sensorelement ist die Empfindlichkeit verdoppelt, da die Lichtwellen den gedehnten Faserabschnitt zweimal durchlaufen. Die Empfindlichkeit kann ein weiteres Mal verdoppelt werden, wenn zusätzlich zu den Interferenzmaxima die Minima gezählt werden oder die Nulldurchgänge des Signals nach Gleichung (1), wenn zuvor die konstante Grundintensität (elektronisch) subtrahiert wird.

Die Längsdehnung einer gespannten und an den Enden fixierten Faser bei einer quer zur Faserlängsachse einwirkenden Kraft ist bei kleinen Auslenkungen Δ H gegeben durch die quadratische Abhängigkeit:

Die Größenordnung der maximal zulässigen Dehnung wird durch die Zerreißgrenze bestimmt. Als sicherer Wert, auch bei Langzeitbelastungen, kann

ε _max = 0,4% (6)

angenommen werden. Bei einem typischen Wert von L=5 cm erhält man für die maximale Auslenkung quer zur Faserachse

Δ H _max = 2,2 mm (7)

Bei diesen Werten ergibt sich eine digitale Auflösung von mindestens 8 bit, wobei die entsprechende Zahl von Inkrementen in dem hier beschriebenen Fall entsprechend (5) quadratisch über den Meßbereich verteilt sind.

Das oben beschriebene Grundprinzip des interferometrischen Sensorelementes erlaubt bei inkrementeller Auslesung noch keine Vorzeichenerkennung der Meßgrößenänderung, da über den Zählprozeß allein nur Beträge (Zahl von Intensitätsmaxima) aufsummiert werden.

Das Problem der Vorzeichenerkennung kann auf verschiedene Arten gelöst werden, die bekannt und in der Literatur beschrieben sind. Die Methoden basieren darauf, zwei um z. B. π/2 phasenverschobene, ansonsten identische Interferenzsignale zu erzeugen, die gleichzeitig mit zwei Detektoren registriert werden. Bei Vorzeichenumkehr der Meßgröße kehrt sich auch das Vorzeichen der Phasenverschiebung um, was mittels einer einfachen Logikschaltung registriert werden kann. Die Schaltung leitet die Zählimpulse abhängig vom Vorzeichen entweder in den "up"- oder den "down"-Eingang eines up-down-Zählers, so daß der Zählerstand die Faserdehnung, bezogen auf den Anfangszustand angibt.

Die Erzeugung eines zweiten, phasenverschobenen Interferenzsingals läßt sich elektronisch (durch Differenzieren des Signals im Anschluß an den Detektor) oder optisch bewerkstelligen. Wegen des naturgemäß erhöhten Rauschens im differenzierten Signal ist eine optische Methode zu bevorzugen. Eine Möglichkeit beruht auf der Zerlegung der Ausgangslichtwelle des Interferometers in zwei orthogonal polarisierte Komponenten mittels eines Polarisationsstrahlteilers, der in Fig. 3 durch den Polarisationsstrahlteiler 64 oder alternativ faseroptisch realisiert ist. Die gewünschte Phasenverschiebung läßt sich zwischen diesen beiden separat auszulesenden Anteilen des Interferenzsignals z. B. durch Wahl einer geeigneten Polarisation der Eingangswelle ins Interferometer mittels Polarisationsregler 58 einstellen.

Die zwei phasenverschobenen, orthogonal polarisierten (z. B. horizontal H und vertikal V ) Ausgangslichtwellen werden durch folgende Gleichungen für die Intensitäten beschrieben:

a _H,V und b _H,V sind komplexe Funktionen der Eingangspolarisation, der Doppelbrechung der Fasern und des Winkels zwischen den schnellen bzw. langsamen Faserachsen und den Achsen H, V des Polarisationsstrahlteilers.

Die auf den Meßarm des Interferometers einwirkende Meßgröße M beeinflußt im wesentlichen nur den Phasenterm ΔΦ, sofern sich die Doppelbrechung der Faser nicht zu stark ändert. Die meßwertunabhängige Phasendifferenz zwischen den Ausgangsintensitäten I _H, I _V ist dann gegeben durch die Winkeldifferenz

Zur Vorzeichenerkennung (Unterscheidung zwischen Dehnung bzw. Entlastung der Meßfaser (+ bzw. -) oder Unterscheidung zwischen Dehnung der Meß- bzw. Referenzfaser) durch die Logikeinheit der Ausleseelektronik wird Δϕ=±π/2 eingestellt. Δϕ ändert sein Vorzeichen bei Änderung des Vorzeichens der Meßgrößenänderung.

Die Einstellung von Δϕ geschieht durch Einstellung einer geeigneten Eingangspolarisation mittels des faseroptischen Polarisationsstellgliedes 58 - Fig. 3 - in der Eingangsfaser. Mit Polarisationsregler 60 kann das Intensitätsverhältnis I _+H/I _+V zwischen den Ausgangsfasern 66, 68 eingestellt werden.

Ein mit vier Zweiarm-Interferometern vom Michelson-Typ aufgebauter taktiler Sensor ist schematisch in Fig. 4 wiedergegeben. Die vier Interferometer 78, 80, 82, 84 sind in der vereinfachten Darstellung entsprechend Fig. 2 wiedergegeben. Die Meßarme der Interferometer sind in einer Elastomerschicht 86 eingebettet, die hier durch ihren strichpunktierten Umfang angedeutet ist und die ihrerseits auf einem starren Tragkörper 92 (bgl. Fig. 5) angebracht ist. Die Anordnung der Meßarme ist in Form eines Netzwerks mit gleichen Abständen a der parallel zueinander angeordneten Meßareme x₁-x₄ in der Horizontalen und y₁-y₄ in der Vertikalen der Darstellung nach Fig. 4. Die Meßarme x₁/x₃, x₂/x₄, y₁/y₃ und y₂/y₄ der Interferometer sind dabei in einem Abstand 2 a angeordnet, so daß zwischen den Armen eines Interferometers jeweils ein Arm des anderen Interferometers angeordnet ist. Auf diese Weise wird die durch die elastische Haut vermittelte unerwünschte mechanische Kopplung zwischen zusammengehörigen Meß- und Referenzarmen der Interferometer verhindert. Das Netzwerk aus den Armen der vier Interferometer weist insgesamt 16 Schnittpunkte m₁₁-m₄₄ auf. In diesen Schnittpunkten liegen die Fasern in der elastischen Abdeckung in einem Abstand übereinander, so daß keine direkte Berührung der Fasern in den Schnittpunkten erfolgt.

Die Schnittpunkte der Interferometerarme definieren eine Matrix von durch die Schnittpunkte gebildeten Meßpunkten m _ÿ, die bei hinreichender mechanischer Entkopplung zwischen den beiden Armen der einzelnen Sensorelemente eine ortsaufgelöste Kraftmessung ermöglichen. Im Idealfall wirkt auf einen der Punkte m _ÿ eine Kraft F _ÿ ein, die zu einer Dehnung der Interferometerarme x _i, y _j führt. Der Punkt m _ÿ ist durch die angesprochenen Zähler und die Vorzeichen der Zählerstandsänderungen eindeutig bestimmt.

Es wirkt z. B. eine orthogonale Kraftkomponente f _z (x,y)=F₂₃ auf den Punkt m₂₃ ein. Dabei sei hinreichende mechanische Entkopplung zwischen den einzelnen Meßpunkten m _ÿ angenommen, z. B. durch geeignete Fixierung in der zur Aufnahme der Glasfaser dienenden "Haut". Dann registrieren Detektoren D _{x 24} und D _{y 13} ein Meßsignal.

Es sei angenommen, daß die Dehnung der Fasern x _1,2, y _1,2 positive und Dehnung der Fasern x _3,4,y _3,4 negative Zählimpulse liefere (s. o.). Vom Meßpunkt m ₂₃ werden dann über die Detektoreinheit D _{x 24} positive (N _{x 2}) und über D _{y 13} negative Zählimpulse registriet (N _{y 3}). Da jede der jeweils zwei Ausleseeinheiten für die x- undy-Koordinaten über die Vorzeichen die beiden zugeordneten Interferometerarme unterscheiden kann, können alle sechzehn Meßpunkte über vier Ausleseeinheiten eindeutig identifiziert werden.

Im allgemeinen wird auf den taktilen Sensor keine punktuelle Kraft einwirken, sondern eine Kraftverteilung f(x,y). Dabei sind Situationen vorstellbar, in denen trotz f(x,y)≠0 keine Meßsignale erzeugt werden. Dies ist immer dann der Fall, wenn beide Interferometerarme eines Sensorelementes gleichzeitig gleich stark gedehnt werden. Die Aufgabe bei der Auslegung des Sensors besteht darin, für alle vorkommenden Kraftverteilungen eine hinreichende Entkopplung der jeweils zwei Arme der Sensorelemente zu gewährleisten. Eine Möglichkeit besteht darin, wie oben beschrieben, den Abstand zwischen beiden Armen größer zu machen, und zwar größer als die maximal vorkommende laterale Ausdehnung der Verteilung f(x,y). Eine andere Möglichkeit ist die isolierte Anordnung eines der beiden Arme der Sensorelemente auf der kraftabgewandten Seite der elastischen Haut, so daß nur jeweils ein Arm gedehnt wird, also als Meßarm wirkt, während der andere Arm als Referenzarm wirkt. Dies erfordert bei gleicher Ortsauflösung jedoch die doppelte Anzahl von Interferometern und Ausleseeinheiten (Detektoren, Ausleseelektronik, Zähler). Sofern es die Meßaufgabe zuläßt, ist deshalb die erste Lösung vorzuziehen.

Charakteristische Sensorkennwerte, wie Meßbereich, Ortsauflösung und Frequenzgang werden wesentlich durch die "Haut" mitbestimmt, in welche die Interferometerarme eingebettet sind. Als Materialien für eine elastiche Haut bei taktilen Sensoren wurden in der Literatur z. B. Silikon-Gummi, Latex und Neopren untersucht. Dabei zeigt die Spannungs-Verformungs-Kennlinie von Neopren die geringste Hysterese, so daß dieses Material als am besten geeignet erscheint.

Die elastischen Eigenschaften der Haut bedingen auch, daß, selbst bei nur punktuell einwirkender Kraft, abhängig vom Abstand der Sensorarme der einzelnen Interferometer, i. A. mehr als ein Sensorelement ein Ausgangssignal liefern wird.

Zur quantitativen Bestimmung einer gemessenen unbekannten Kraftverteilung gibt es verschiedene Methoden, die einander ergänzen. Einerseits können die von den Zählern registrierten Meßwerte über ein analytisches Modell des Sensors und Skalierungsmessungen (Verformungsempfindlichkeit, Kopplungen zwischen den Interferometerarmen etc.) in die Kraftverteilung (Kraftmatrix) umgerechnet werden. Aufgrund der möglichen Kopplungen zwischen den einzelnen Sensorelementen, die u. U. über die elastische Haut vermittelt werden, kann eine aufwendigere, rechnergestützte Meßdatenauswertung erforderlich sein. Dabei könnte eine Art Expertensystem für Tastempfindungen die unbekannte Kraftverteilung durch Vergleich der Meßwerte (Zählerstände) mit in einer Datenbank abgespeicherten Musterverteilung identifizieren.

Falls nicht nur orthogonale Kräfte (bezüglich der Sensoroberfläche), sondern beliebige Kraftvektoren auf einen taktilen Sensor einwirken, wäre es vorteilhaft, tangentiale (Scher-)Komponenten von orthogonalen Komponenten unterscheiden zu können. Dies ist bei dem hier beschriebenen Prinzip während der Meßwertverarbeitung über die unterschiedlichen Spannungs-Dehnungs-Kennlinien für orthogonale Kräfte (quadratische Abhängigkeit der Faserdehnung von der Durchbiegung, siehe (5)), und tangentiale Kräfte (Faserdehnung proportional zur anliegenden mechanischen Spannung) möglich.

Bei einer Anordnung mit sechs Interferometern, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, sind die Abstände der Meßarme der einzelnen Interferometer jeweils 3 a. Es liegt dann jeweils zwischen diesen Meßarmen jeweils einer der Meßarme der beiden weiteren Interferometer. In der Zeichnung ist eines der insgesamt sechs Interferometer mit der Beschaltung als Doppelpolarisationsinterferometer wiedergegeben. Die einzelnen Bauelemente entsprechen dabie denen oben unter Bezug auf Fig. 3 beschriebenen. Es sind daher für gleiche Teile auch gleiche Bezugszeichen verwendet worden. Die Durchbiegung der Fasern bei Krafteinwirkung wird durch das feste Gehäuse 92 begrenzt, das zur Aufnahme der optischen Komponenten der sechs Interferometer dient.

Es ist bekannt, daß eine thermische Dehnung bei Temperaturdifferenzen zwischen den Interferometerarmen der Sensorelemente, neben der mechanischen Dehnung, den größten Meßeffekt hervorruft. Der Sensor muß deshalb derart aufgebaut sein, daß Temperatureinflüsse weitgehend unterdrückt oder kompensiert werden. Bei einem Aufbau nach Fig. 4 bzw. 5, bei dem beide Arme der Interferometer als Meßarme dienen, kann dies z. B. durch eine gut wärmeleitende (metallische) Schicht auf der elastischen Haut erreicht werden. Diese gleicht örtlich inhomogene Temperaturverteilungen weitgehend aus, so daß beide Arme der Sensorelemente der gleichen Temperatur ausgesetzt sind und kein temperaturbedingtes Signal liefern.

Nach Fig. 6 ist eine elastische Folie 88 aus einem gut wärmeleitenden Material auf der Oberseite der Elastomerschicht 86 angeordnet. Hierfür kann beispielsweise eine Mylarfolie vorgesehen sein. Über diese Schicht 88 erfolgt dann der erwähnte Wärmeausgleich über die Fläche des Sensors.

Der taktile Sensor kann zusätzlich mit einem Temperatursensor versehen werden. Ein solcher Temperatursensor kann ebenfalls aus einem Netzwerk aus den Meßarmen einem Mehrzahl von Interferometern aufgebaut sein, die wiederum in einer elastischen Schicht 90 liegen, die, wie oben in Fig. 6 dargestellt, oberhalb der wärmeleitenden Folie 88 angeordnet ist. Die Zahl der Interferometer kann dabei in den Schichten 86 und 90 identisch sein. Sie kann aber auch unterschiedlich sein. Unter örtlich unterschiedlicher Wärmeeinwirkung kommt es zu unterschiedlichen Wärmedehnungen der Meßarme, die wiederum zu Phasenverschiebungen führen, die in diesem Fall ein Maß für die jeweils örtliche Temperatur sind.

Die Arme der Interferometer im Netzwerk in der Schicht 90 sind im Gegensatz zur darunter liegenden Ebene des Netzwerkes zusätzlich zur Verformung durch Krafteinwirkung den Temperaturverteilungen an der Sensoroberfläche direkt ausgesetzt. Die gemessene Temperaturverteilung ergibt sich durch Kombination der Meßwerte aus beiden Sensorebenen (im wesentlichen Subtraktion der entsprechenden Zählerstände aus beiden Ebenen).

Claims

1. Flächiger, taktiler Sensor mit einem zwischen einem flächigen Trägerkörper und einer darauf aufliegenden Elastomerschicht angeordneten Netzwerk aus optischen Fasern, die jeweils parallel zueinander und sich unter einem Winkel kreuzend angeordnet sind und mit einer Ausleseschaltung für die Ermittlung der Intensitätsänderungen des in die optischen Fasern eingespeisten Lichtes, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk aus Armen faseroptischer Zweiarm-Interferometer besteht, daß beide Arme der Zweiarm-Interferometer als Meßarme auf dem Trägerkörper angeordnet sind und daß die Ausleseschaltung eine Schaltung zur Interferenzstreifenzählung aufweist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zweiarm-Interferometer Doppelpolarisations-Interferometer vom Mach-Zehnder-Typ vorgesehen sind.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zweiarm-Interferometer Doppelpolarisations-Interferometer vom Michelson-Typ vorgesehen sind.

4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk durch die parallelen Arme von wenigstens n<1 Zweiarm-Interferometerpaaren gebildet ist, deren Arme jeweils im Abstand von wenigstens n Netzwerkteilungen parallel zueinander angeordnet sind und daß zwischen den Armen eines der Zweiarm-Interferometer jeweils n-1 Arme von n Zweiarm-Interferometern um eine Netzwerkteilung versetzt angeordnet sind.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über dem Netzwerk eine wärmeleitende Metallfolie angeordnet ist.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß über der Metallfolie eine weitere Elastomerschicht mit darin eingebettetem Netzwerk aus Armen faseroptischer Zweiarm-Interferometer zur Temperaturmessung angeordnet ist und daß beide Arme der Zweiarm-Interferometer als Messarme in der weiteren Elastomerschicht angeordnet sind.