DE3807306A1 - Einrichtung eines lichtwellenleiter-phasensensors fuer die messung minimaler dehnungen - Google Patents

Einrichtung eines lichtwellenleiter-phasensensors fuer die messung minimaler dehnungen

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DE3807306A1
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Helmut Dr Federmann
Friedrich Karl Dr Levacher
Georg Dr Ing Noack
Anton Dipl Ing Kraus
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Sicom Gesellschaft fuer Sensor und Vorspanntechnik mbH
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Felten & Guilleaume Energietechnik Ag 5000 Koeln De
Felten and Guilleaume Energietechnik AG
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Description

Die Erfindung betrifft die Einrichtung eines Lichtwellenleiter- (LWL-)Phasensensors für die Messung minimaler Dehnungen, wobei polarisiertes Licht in den Sensor-LWL (polarisationserhaltender, doppelbrechender Monomode-LWL) eingekoppelt und die bei einer Längenänderung des LWL auftretende Phasendifferenzänderung ermittelt wird, bestehend aus folgenden in Reihe geschalteten Teilen: Lichtsender, LWL-Leitung, LWL-Phasensensor (Baugruppe mit dem Sensor-LWL), LWL-Leitung, Lichtempfänger und Meßeinrichtung, nach der Patentanmeldung P 36 38 345.7.
Mit einer solchen Meßeinrichtung können Verformungen im µm-Bereich erfaßt werden. Dabei ist als LWL-Phasensensor eine Baugruppe mit folgenden in Reihe geschalteten Teilen bezeichnet: ein Polarisator, eine Einkopplung, ein polarisationserhaltender, doppelbrechender Monomode-LWL (der Sensor-LWL) und ein Analysator. In diesen LWL wird das linear polarisierte Licht eingekoppelt, und die bei einer Längenänderung des LWL auftretende Phasendifferenzänderung wird von einem Empfänger mit nachgeschalteter Meßelektronik erfaßt. Hierbei kann die Meßwertbestimmung noch verbessert werden.
Die Verbindung zwischen den in den bruchüberwachten Zonen eines Bauwerks angeordneten LWL-Phasensensoren und der im Kontrollraum angeordneten Meßeinrichtung erfolgt, wie hier, durch LWL-Leitungen, wenn die für LWL - spezifischen Eigenschaften - wie Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Störfelder, gegen starke elektrische Felder und gegen korrosive oder explosive Umgebung - gefordert werden. Es sind jedoch auch andere Leitungsverbindungen möglich.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die LWL-Phasensensor- Einrichtung so auszubilden, daß mit ihr eine exakte Meßwertbestimmung durchführbar ist. Ferner sind andere Leitungsverbindungen zwischen den LWL-Phasensensoren und der Meßeinrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 3 gelöst. Die Lösung besteht im wesentlichen darin, daß an die Stelle des einen Empfängers drei Empfänger treten, der vom LWL-Sensor kommende Lichtstrahl mittels eines Strahlteilers in drei Teilstrahlen aufgeteilt wird, und Teilstrahl 1 direkt, Strahl 2 durch eine λ/4-Platte und einen Analysator, und Strahl 3 durch einen weiteren Analysator auf den zugeordneten Empfänger trifft. Ferner können statt der optischen (LWL-) elektrische (Cu-)Verbindungsleitungen eingesetzt werden, wobei Lichtsender und -empfänger statt in der Meßeinrichtung in den LWL-Phasensensoren integriert sind.
Der 3er-Strahlteiler kann vorteilhafterweise als optischer Block ausgebildet werden, wenn eine genügend starke Lichtquelle eingesetzt ist. Andernfalls wird als Strahlteiler ein Gitter mit einer vorgeschalteten selbstfokussierenden Linse eingesetzt. Beim Teilerblock erfolgt die Auskopplung der Teilstrahlen in drei gebündelte LWL, und die Strahlenführung zu den Empfängern durch die drei LWL. Beim Gitter dagegen erfolgt letzteres durch die Luft.
Im Empfänger 1 wird die Intensität I₀, im Empfänger 2 wird die Intensität I₂=1/2 I₀ (1+sin δ ), und im Empfänger 3 wird die Intensität I₃=1/2 I₀ (1+cos δ ) bestimmt.
Der Wert I₂ ist notwendig, da die Funktion 1+cos δ im Bereich von 0 bis π mehrdeutig ist. Durch Hinzufügen der Funktion 1+ sin δ wird die Eindeutigkeit über das Vorzeichen plus/minus erreicht.
Damit kann - und dies ist der wesentliche Vorteil der Erfindung - mit dem nachgeschalteten elektronischen Meß- und Auswertegerät eine exakte Meßwertbestimmung erfolgen.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es werden drei Blockschaltbilder von LWL-Phasensensor-Meßeinrichtungen gezeigt, und zwar in
- Fig. 1 die Einrichtung mit einem Empfänger und einer LWL-Verbindung zwischen LWL-Phasensensor und Meßeinrichtung gemäß der älteren Patentanmeldung P 36 38 345.7,
- Fig. 2 die Einrichtung mit drei Empfängern gemäß der Erfindung und mit einer LWL-Hinleitung zum LWL-Phasensensor und einer dreiadrigen Cu-Rückleitung zur Meßeinrichtung und
- Fig. 3 die Anordnung eines LWL-Phasensensors an einem zu überwachenden Brückenteil gemäß der weiteren Erfindung mit einer Cu- Leitungsverbindung zwischen LWL-Phasensensor und Meßeinrichtung.
Bezeichnet sind mit:
1 Lichtsender (Laserdiode oder Laser),
2 Polarisator,
3 Einkopplung (Steckverbindung),
4 Sensor-LWL (polarisationserhaltender, doppelbrechender Monomode- LWL),
5, 52, 53 Analysatoren,
6 LWL-Phasensensor (Baugruppe),
7 Lichtempfänger (Fotodiode),
71, 72, 73 Lichtempfänger (Fotodioden) 1, 2, 3
9 Meßelektronik,
10 Sender-Steuerung,
11 Meßeinrichtung im Kontrollraum,
12 LWL-Leitung
15 selbstfokussierende Linse
16 Gitter zur Strahlaufteilung (oder 3er-Strahlteilerblock),
17 λ/4-Platte,
18 Teilstrahlen (im Fall des Teilerblocks LWL),
19 Cu-Leitung,
20 Eingangsgehäuse des LWL-Phasensensors (innen Laserdiode und Einkopplung),
21 Ausgangsgehäuse des LWL-Phasensensors (innen Auskopplung und Fotodioden),
22 Brückenteil mit LWL-Phasensensor.
Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild der LWL-Phasensensor-Meßeinrichtung gemäß der älteren Patentanmeldung mit dem Lichtsender 1, dem am Meßobjekt angeordneten LWL-Phasensensor 6, dem Lichtempfänger 7 und der im Kontrollraum angeordneten Meßeinrichtung 9-11. Bei der praktischen Ausführung sind Lichtsender und -empfänger in der Meßeinrichtung integriert. Die Verbindung zwischen ihr und dem LWL- Phasensensor besteht aus den LWL-Leitungen 12.
Fig. 2 zeigt dementsprechend eine Einrichtung zur verbesserten Meßwertbestimmung gemäß der Erfindung, nunmehr mit den drei Lichtempfängern (Fotodioden) 71-73. Diese sind hier in den LWL-Phasensensor 6 integriert, und ihre Verbindung mit der Meßeinrichtung 9 besteht aus der dreiadrigen Cu-Leitung 19.
Die Teilung des vom LWL-Sensor 4 kommenden Lichtstrahls (Meßstrahls) erfolgt hier mittels des Gitters 16, dem die selbstfokussierende Linse 15 vorgeschaltet ist. Die drei Teilstrahlen 18 laufen durch die Luft zu den Fotodioden 71-73, Strahl 1 direkt, Strahl 2 durch die λ/4-Platte 17 und den Analysator 52, und Strahl 3 durch den Analysator 53. Analysatoren und λ/4-Platte sind eingesetzt, um die Intensitäten des polarisierten Lichtes am Ausgang des Sensor-LWL bezüglich seiner beiden Brechungs-Extremwerte auszufiltern.
Auf diese Weise erhalten und bestimmen die Empfänger 1, 2 und 3 die oben angegebenen Intensitäten I₁, I₂ und I₃, deren gemeinsame Auswertung eine exakte Meßwertbestimmung ermöglicht.
Vorteilhafterweise kann als 3er-Strahlteiler anstelle des Gitters 16 ein optischer Strahlteiler-Block (nicht dargestellt) eingesetzt werden, wobei die selbstfokussierende Linse 15 entfällt. Im Teilerblock erfolgt die Auskopplung des vom (durch den) Sensor-LWL 4 kommenden Lichtstrahls in drei gebündelte LWL, und die Führung der Teilstrahlen 18 zu den Empfängern 71-73 erfolgt nun durch diese LWL. Alle anderen Bauelemente bleiben gleich.
Fig. 3 schließlich zeigt die Anordnung eines LWL-Phasensensors an einem zu überwachenden Brückenteil. Hier besteht die Verbindung zwischen dem LWL-Phasensensor 6 am Brückenteil 22 und der Meßeinrichtung 11 im Kontrollraum aus den Cu-Leitungen 19, und der LWL-Phasensensor ist wie folgt aufgebaut: Am einen Ende befindet sich ein kleines (Seitenlängen im cm-Bereich), quaderförmiges Metallgehäuse (das Eingangsgehäuse 20) für Steckverbinder, Laserdiode, Polarisator und Einkopplung. (Der Polarisator entfällt, wenn der Lichtsender bereits polarisiertes Licht aussendet.) Daran schließt der langgestreckte (Länge im m-Bereich), in Kunststoff eingebettete Sensor-LWL 4 an. Und am anderen Ende befindet sich ein ähnliches Gehäuse (das Ausgangsgehäuse 21) für Analysator, Fotodiode (oder Strahlteiler, Analysatoren, λ/4-Platte und Fotodioden) und Steckverbinder. Der ganze LWL-Phasensensor kann auf einer leichten Trageschiene vormontiert werden.
Die elektrischen Leitungen 19 führen zu der in einem Schutzgehäuse untergebrachten Meßeinrichtung 11, genauer zum elektrischen Sender bzw. Empfänger. Von dort werden die Meßwerte in einen Rechner (EMUF) und weiter in einen Speicher (EPROM) gegeben. Alle drei Einheiten werden elektrisch von einem Akkumulator über ein stabilisiertes Netzteil versorgt. Dieser Meßeinrichtung ist eine Auswerteeinrichtung nachgeordnet, die aus den Einheiten EPROMMER, Rechner und Speicher/Drucker besteht.

Claims (4)

1. Einrichtung eines Lichtwellenleiter-(LWL-)Phasensensors für die Messung minimaler Dehnungen, wobei polarisiertes Licht in den Sensor-LWL eingekoppelt und die bei einer Längenänderung des LWL auftretende Phasendifferenzänderung ermittelt wird, bestehend aus folgenden in Reihe geschalteten Teilen: Lichtsender, LWL-Leitung, LWL-Phasensensor, LWL-Leitung, Lichtempfänger und Meßeinrichtung, nach der Patentanmeldung P 36 38 345.7, dadurch gekennzeichnet, daß drei Lichtempfänger (Fotodioden 71-73) eingesetzt sind und an das Ende des Sensor-LWL (4) ein 3er-Strahlteiler (16) angeschlossen ist, von dem aus die drei Teilstrahlen (18) wie folgt geführt sind: Strahl 1 direkt zum Empfänger 1 (71), Strahl 2 durch eine λ/4-Platte (17) und einen Analysator (52) zum Empfänger 2 (72), und Strahl 3 durch einen weiteren Analysator (53) zum Empfänger 3 (73) (Fig. 2).
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der 3er-Strahlteiler als optischer Block - oder als Gitter (16) mit einer vorgeschalteten selbstfokussierenden Linse (15) - ausgebildet ist, wonach die Führung der Teilstrahlen (18) nach dem Teilerblock durch drei - im Block gebündelte - LWL, dagegen beim Gitter durch die Luft erfolgt.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen den in den bruchüberwachten Zonen eines Bauwerks angeordneten LWL-Phasensensoren (6) und der im Kontrollraum angeordneten Meßeinrichtung (11) aus optischen (LWL-) oder elektrischen (Cu-)Leitungen (12 bzw. 19) besteht, wobei Lichtsender und -empfänger (1 bzw. 7) dementsprechend in der Meßeinrichtung oder in den LWL-Phasensensoren integriert sind (Fig. 1 bzw. 3).
4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall von elektrischen Verbindungsleitungen (19) der LWL-Phasensensor (6) wie folgt aufgebaut ist:
  • - am einen Ende in einem kleinen, quaderförmigen Metallgehäuse (20): Steckverbinder, Laserdiode, Polarisator und Einkopplung, - anschließend der langgestreckte, in Kunststoff eingebettete Sensor-LWL (4),
  • - und am anderen Ende in einem ähnlichen Gehäuse (21): Analysator, Fotodiode - oder Strahlteiler, Analysatoren, g/4-Platte und Fotodioden - und Steckverbinder (Fig. 3).
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DE8888119526T DE3868048D1 (de) 1988-03-05 1988-11-24 Einrichtung eines lichtwellenleiter-phasensensors fuer die messung minimaler dehnungen.
US07/330,861 US4900922A (en) 1988-03-05 1989-03-06 Arrangement of a light wave conductor-phase sensor for the measurement of minute elongations

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WO2011101191A1 (de) * 2010-02-18 2011-08-25 Sms Siemag Ag Injektorkühlblock zur halterung mindestens eines injektors

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