DE3919743A1 - Faseroptischer druckfuehler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckfühler, bei dem eine Füh­ lerfaser an einer Materialgrenzschicht in Abhängigkeit von einem zu erfassenden Druck Mikrobiegungen unterworfen wird, wobei die Fühlerfaser eine Faser aus einem transparenten Medium enthält, die durch eine Schicht eines anderen Mediums umgeben ist. Die Erfindung betrifft weiter einen solchen Druckfühler mit einer Lichtquelle zur Schaffung eines bekann­ ten Lichteinfalls an einem Ende der transparenten Faser und Mitteln zum Erfassen des durch die Faser durchgeleiteten Lichtes, wobei dieses durch mikrobiegungs-induzierte Verlu­ ste an der Grenzschicht reduziert wird und sich deshalb mit dem erfaßten Druck ändert.

Nach dem Stand der Technik sind derartige Druckfühler gut be­ kannt mit Verwendung optischer Nachrichtenverbindungsfasern, bei denen eine zentrale Seele aus transparentem Glas von einer Glasumhüllung umgeben ist, die einen kleineren Bre­ chungsindex als die Seele besitzt. Die Umhüllung ist allge­ mein noch von einem Mantel aus lichtabsorbierendem und physi­ kalisch schützendem Material umgeben, beispielsweise Alumi­ nium. Es wird in ein Ende der Seele Licht eingestrahlt und dieses von der Grenzschicht Seele/Umhüllung reflektiert, so daß es innerhalb der Seele bleibt, außer dort, wo die Seele, die Ümhüllung und die zwischenliegende Grenzschicht durch auf die Außenfläche der Faser übertragene Mikrobiegungen be­ einflußt werden. Die Mikrobiegungen beeinflussen die Grenz­ schicht Seele/Umhüllung und die Felder innerhalb der Seele und Umhüllung in der Weise, daß ein Anteil des in der Seele weitergeleiteten Lichtes durch die Grenzschicht in die Umhül­ lung entweicht und eventuell durch den die Umhüllung umgeben­ den Mantel absorbiert wird. Das Phänomen ist hier allgemein in einfachem bezug auf mikrobiegungs-induzierte Änderungen des Einfallwinkels der Lichtstrahlen in der Seele an der Grenzschicht beschrieben, was dazu führt, daß ein größerer Anteil der Lichtstrahlen durch die Grenzschicht hindurch ent­ weicht, anstatt reflektiert zu werden, obwohl die tatsäch­ lich vorkommenden physikalischen Vorgänge komplizierter zu sein scheinen, da die Felder der einzelnen Fortpflanzungsmo­ den innerhalb Seele und Umhüllung mitberücksichtigt werden müssen.

Ein Parameter eines Mikrobiegungs-Faseroptik-Druckfühlers mit einer gewissen Bedeutung ist seine Empfindlichkeit. Be­ kannte Sensoren verwendeten, wie bereits erwähnt, allgemein Lichtfasern für Nachrichtenverbindungen vom Multimodus-Typ, bei denen die Seele eine Vielzahl von Fortpflanzungsmoden weitertragen kann, in erster Linie, da sie weniger kostspie­ lig und leichter zu handhaben sind als Einzelmodus-Fasern. Nachrichtenverbindungsfasern sind jedoch ausgelegt für mini­ male Empfindlichkeit für äußere Einflüsse, und genau das geht gegen hohe Ansprech-Empfindlichkeit auf Mikrobiegungen. Die Empfindlichkeit von Sensoren, welche Multimodus-Fasern benutzen, ist nur klein oder bei manchen Anwendungen unzurei­ chend, z.B. bei der Verwendung als Verbrennungsdruckfühler in einer Zündkerze einer Verbrennungskraftmaschine. Jüngere Studien haben gezeigt, daß gewisse Einzelmodus-Fasern mit sorgfältigem Aufbau und genauer Beachtung der Abmessungen und der Periodizität von Mikrobiegungen eine Empfindlichkeit zeigen können, die etwas größer als die der handelsüblichen Multimodus-Fasern ist. Dieser Zuwachs an Empfindlichkeit reicht jedoch immer noch nicht für manche Anwendungen aus, und die Kosten von Einzelmodus-Fasern und die sorgfältige Kontrolle aller Parameter, die zum Erzielen der höheren Emp­ findlichkeit notwendig sind, stehen einer solchen Anwendung von Einzelmodusfasern entgegen.

Ein Druckfühler des vorstehend beschriebenen Typs mit modifi­ zierter Optikfaseranordnung kennzeichnet sich durch eine we­ sentlich größere Empfindlichkeit, als irgendeiner der bekann­ ten Fühler und gibt auch noch die Möglichkeit für beträcht­ lich verminderte Kosten. Der Fühler verwendet eine Fühlerfa­ ser mit einer Faser aus transparentem dielektrischen Mate­ rial, die von einer Schicht aus einem Metall wie Aluminium umgeben ist, für das der Realteil der komplexen Durchlässig­ keit (Permittität) über den Bereich der verwendeten elektro­ magnetischen Strahlungswellenlängen negativ ist, die Metall­ schicht ist hermetisch mit dem transparenten dielektrischen Material verbunden und abgedichtet und die Lichtdurchlässig­ keit wird an der Grenzschicht zwischen dem transparenten die­ lektrischen Material und Aluminium statt an einer Grenzschicht zwischen zwei transparenten dielektrischen Mate­ rialien gesteuert. Die Faser kann eine aluminiumbeschichtete Faser des Typs sein, der allgemein als Einzelmodus-Faser be­ kannt ist, jedoch ist die Seele sehr dünn und das Licht wird in erster Linie in die Faserumhüllung statt die Seele einge­ koppelt, so daß die Umhüllungs-Moden für die Lichtdurchlei­ tung durch die Fühlerfaser benutzt werden. Damit wird die Faser in einem einzigen Bereichsmodus betrieben, da der dem Aluminium benachbarte Bereich des transparenten dielektri­ schen Materials das primäre Lichtleitmedium ist. Da die Seele der Einzelmodus-Faser bei der Fühlvorichtung nicht be­ nutzt wird, kann sie auch weggelassen werden, so daß nur ein einziger Bereich transparenten Materials innerhalb der Alumi­ niumschicht enthalten ist. Dadurch besteht die Möglichkeit weitgehend verminderter Kosten für die Faser, da sie aus einer viel weniger kostspieligen Glas-Vorform hergestellt werden kann.

Auf jeden Fall ist, wie bereits festgestellt, die relevante Grenzschicht, welche die Mikrobiegungsverluste bestimmt, eine Grenzschicht zwischen einem dielektrischen Material, wie Glas, und Aluminium. Aluminium ist ein teilweise absor­ bierendes, teilweise reflektierendes Material. Das Phänomen eines mikrobiegungs-induzierten Lichtverlustes an einer der­ artigen Grenzschicht ist ein ganz anders als das an einer ty­ pischen Glas/Glas-Grenzschicht, und es scheint in derartigen Fühlern einen größeren Lichtverlust bei Mikrobiegungen zu geben als in der typischen Dielektrikum/Dielektrikum-Grenz­ schicht nach dem Stand der Technik, so daß ein Fühler mit ge­ steigerter Empfindlichkeit erhalten wird.

Da Mikrobiegungsverluste in der Fühlerfaser derart größer sind, ist die Fühlerfaser auf einen kurzen Mikrobiegungs-Er­ fassungsbereich begrenzt, mit getrennten Mitteln mit geringe­ ren Verlusten zum Fortleiten des Lichtes von einer Lichtquel­ le zu einem Ende der Fühlerfaser und von dem anderen Ende der Fühlerfaser zu einem Licht-Detektor. Ein derartiges Mittel kann eine Multimodus-Faser umfassen mit einer Seele, die für die Lichtleitung benutzt wird und die deshalb mit dem transparenten Teil der Fühlerfaser ausgerichtet ist. Als Fühlerfaser ist die Einzelmodus-Faser leicht als hochwertige Verbindungsfaser erhältlich, ist jedoch sehr teuer infolge der Schwierigkeiten beim Ausbilden des engen Seelenberei­ ches. Da diese Seele für die Erfindung nichts bringt und nur Kosten verursacht, wird die Einzelbereichfaser ohne eine de­ rartige Seele als schließlich beste Ausführungsform der Er­ findung angesehen, wenn eine derartige Faser leicht erhält­ lich wird.

Zusätzlich zu dem Angeführten hält die Aluminiumschicht, welche die Faser zum Schutz von Umgebungseinflüssen herme­ tisch abdichtet, höheren Temperaturen stand als andere Umman­ telungsmaterialien, die bei optischen Fasern benutzt werden, und ergibt so die Möglichkeit von Hochtemperaturanwendungen, beispielsweise als in einer Maschinen-Zündkerze aufgenomme­ ner Verbrennungskammer-Druckfühler.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführung der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines Teiles der Aus­ führung nach Fig. 1 mit Benutzung einer Einzelmo­ dus-Faser im Fühlerbereich,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Aus­ führung nach Fig. 1 unter Benutzung einer Einzel­ bereich-Faser im Fühlerbereich,

Fig. 4a, 4b und 4c Querschnitte durch eine Multimodus-, eine Einzelbereich- bzw. eine Einzelmodusfaser, und

Fig. 5 graphische Aufzeichnungen druckinduzierter Mikro­ biegungsversetzungen über der Lichtabschwächung bei verschiedenen Faserarten, die bei Mikrobie­ gungs-Druckfühlern Verwendung finden, zur Darstel­ lung des unterschiedlichen Ansprechverhaltens.

Fig. 1 zeigt die grundsätzliche Anordnung des erfindungsgemä­ ßen Fühlers, bei dem eine Lichtquelle 10 Licht in ein Ende einer Optikfaser 11 einleitet, deren anderes Ende mit einem Ende einer Fühlerfaser 12 verbunden ist, die in einer druck­ aktivierten mechanischen Mikrobiegungs-Induziervorrichtung 13 enthalten ist. Das andere Ende der Fühlerfaser 12 ist mit einer optischen Faser 16 gekoppelt, die zu einem Lichtdetek­ tor 15 führt. Erhöhter Druck wirkt auf die Vorrichtung 13 so ein, daß Mikrobiegungen in der Fühlerfaser 12 erzeugt und damit die Lichtverluste aus dieser Fühlerfaser erhöht wer­ den. Eine derartige grundsätzliche Anordnung ist nach dem Stand der Technik wohl bekannt, bis auf die Art der Fühlerfa­ ser 12 und die Verkopplung der Lichtleitung durch die Optik­ fasern 11 und 16 mit der Fühlerfaser 12.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 können die Optikfasern 11 und 16 irgendwelche Fasern sein, die wirksam Licht über die erforderliche Entfernung zwischen der Fühlerfaser und einer­ seits der Lichtquelle 10 sowie andererseits dem Lichtdetek­ tor 15 mit minimaler Empfindlichkeit für äußere Einflüsse leiten können. Eine bevorzugte Optikfaser ist die übliche Nachrichtenverbindungs-Multimodus-Glasfaser, die vergleichs­ weise unempfindlich für Mikro- und Makrobiegungen ist, wobei die Abmessungen durch die Abmessungen der Fühlerfaser und die Art der hier verwendeten Kopplung bestimmt sind, und durch die für die Lichtleitung benutzten Seelenmoden.

Die Lichtquelle 10 kann ein Gaslaser sein, der die Vorteile höherer Leistung bietet, wodurch die Probleme der Leistungs­ verluste beim Einkoppeln an den Verbindungstellen der ver­ schiedenen Teile der Vorrichtung klein gehalten werden. Ein Gaslaser ist jedoch sehr teuer und zeigt kohärentes Licht, das bei einer Multimodus-Lichtleitfaser Fleckrauschen er­ zeugt. Eine Laserdiode besitzt ebenfalls hohe Leistung und zeigt kein Fleckrauschen, ist jedoch immer noch relativ teuer. Eine Kantenlicht emittierende Leuchtdiode (LED) be­ sitzt das Problem des Fleckrauschens nicht und kostet etwa das gleiche wie eine Laserdiode, hat jedoch eine geringere Leistungsabgabe. Eine flächenemittierende LED besitzt auch kein Fleckrauschproblem und ist die billigste Lichtquelle, hat jedoch eine geringere Leistungsabgabe, mit noch weniger nutzbarer Leistung infolge des breiteren Abstrahlkegels der emittierten Strahlung, die weniger wirksam mit dem einen Ende der Optikfaser 11 zu koppeln ist. Unter Beachtung die­ ser Dinge ist eine flächenemittierende LED die bevorzugte Lichtquelle, wenn die Kosten bestimmend sind, so lange die Leistungsverluste innerhalb des Systems gering gehalten werden können. Falls die Leistungsverluste das bedeutsame Problem werden, ist die Laserdiode die zwar teurere, aber nützlichere Möglichkeit. Es ist klar, daß die relativen Vor- und Nachteile dieser Geräte oder andere Geräte sich in der Zukunft ändern können, wenn verbesserte Leistungsabgabe, Ko­ stenänderungen und andere Faktoren sich wandeln. Die Auswahl einer Lichtquelle ist nicht Teil dieser Erfindung, bei der jede nutzbare Lichtquelle eingesetzt werden kann.

Der Lichtdetektor 15 kann eine PIN-Photodiode oder ein gleichartiges Gerät sein, das ein elektrisches Ausgangssi­ gnal in Abhängigkeit von einfallender Lichtintensität ab­ gibt. Falls eine flächenemittierende LED als Lichtquelle und Standard-Multimodus-Fasern als Optikfasern 11 und 12 benutzt werden, sind Lichtquelle, Lichtdetektor und Lichtleitele­ mente zu der Fühlerfaser hin und von ihr weg preiswerte, leicht erhältliche Komponenten.

Eine Ausführung der Fühlerfaser 12 und ihrer Kopplungsanord­ nung mit den Optikfasesrn 11 und 16 ist in Fig. 2 darge­ stellt. Bei dieser Ausführung ist die Fühlerfaser 12′ eine Einzelmodus-Faser mit geringem Durchmesser (z.B. 5-8 µm) der Glasseele 17, welche von einer Umhüllung 18 mit viel grö­ ßerem Durchmesser (z.B. 125 µm) aus Glas umgeben ist mit einem Brechungsindex, der kleiner als der der Seele 17 ist. Diese Umhüllung 18 wird umgeben und hermetisch abgedichtet durch eine Schicht 20 aus Aluminium oder einem gleichartigen Metall, für das der Realteil der komplexen Permittivität im Bereich der verwendeten elektromagnetischen Strahlungswellen­ längen negativ ist. Als gleichartige elektrisch leitende Me­ talle können Silber, Gold oder möglicherweise Kupfer einge­ setzt werden, je nach der Beziehung zwischen Real- und Imagi­ närteil ihrer komplexen Permittivitäten, wodurch die Verlu­ ste bestimmt werden. Diese Schichten sind in Fig. 4c im Quer­ schnitt zu sehen.

Nach den Fig. 2 und 4b ist die Optikfaser 11 eine Multimo­ dus-Faser mit einer Seele 21 von großem Durchmesser, die von einer Umhüllung 22 umgeben ist. Die Seele 21 besitzt einen höheren Brechungsindex als die Umhüllung 22. Die Seele 21 be­ sitzt einen Durchmesser, der im wesentlichen gleich dem der Umhüllung 18 der Fühlerfaser 12′ ist, und sie ist mit ihr ausgerichtet. In gleicher Weise ist die Optikfaser 16 eine Multimodus-Glasfaser mit einer Seele 23 und einer Umhüllung 25 mit gleichen Durchmessern wie die Seele 21 und die Umhül­ lung 22 der Faser 11 und in gleicher Weise mit dem anderen Ende der Fühlerfaser 12′ ausgerichtet und gekoppelt. Das Licht von der Lichtquelle 10 wird in die Seele 21 der Faser 11 eingekoppelt, und die Faser 11 koppelt es mit minimalem Verlust größtenteils in die Umhüllung 18 der Fühlerfaser 12′. Da das Glas der Umhüllung 18 ein transparentes dielek­ trisches Material ist, stellt die Grenzschicht zwischen dieser Umhüllung und der Aluminiumschicht 20 eine Grenz­ schicht Dielektrikum/Aluminium dar, die den durch die Vor­ richtung 13 induzierten Mikrobiegungen unterworfen wird. Die Fühlerfaser 12 besitzt eine vergleichsweise kurze Länge von 5 bis 10 cm, genügend lang, um beträchtliche Mikrobiegungs­ verluste zu erzeugen, jedoch kurz genug, um die nicht von Mi­ krobiegungen stammenden Verluste klein zu halten. Ein klei­ ner Anteil des Lichts wird in die Seele 17 der Fühlerfaser 12′ eingekoppelt, jedoch ist dessen Auswirkung im wesentli­ chen vernachlässigbar, falls nicht von Mikrobiegungen stam­ mende Umhüllungsverluste durch die kurze Länge der Fühlerfa­ ser gering gehalten werden. Damit ist die Fühlerfaser 12′ eine Einzelmodus-Faser, die in einem Einzelbereichsmodus be­ trieben wird.

Fig. 3 zeigt eine Einzelbereich-Fühlerfaser 12′′, gekoppelt mit Optikfasern 11 und 16. Die Einzelbereichfaser 12′′, die auch in Fig. 4a dargestellt ist, umfaßt eine zentrale Glasfa­ ser 26, umgeben und hermetisch abgedichtet durch eine Alumi­ niumschicht 27. Die Glasfaser 26 besitzt einen Durchmesser gleich dem der Seele 21 der Optikfaser 11 und dem der Seele 23 der Optikfaser 16 und ist mit diesen ausgerichtet. Die übrige Ausführung entspricht der Fig. 2. Der Hauptvorteil der Einzelbereich-Faser besteht in den Kosten, da die Fühler­ faser aus einer vergleichsweise billigen Glasvorform wie Fluorosil (T) hergestellt werden kann, für das die Kosten $ 30 im Vergleich zu $ 2000 bei einer gleichartigen Vorform von Einzel- oder Multimodusglas für Verbindungsleitungen be­ tragen.

Das Phänomen der Mikrobiegungs-induzierten Lichtverluste an der Grenzschicht zwischen transparentem Material und Alumi­ nium oder einem gleichartigen Metall scheint auf die Kop­ plung von Licht in dem transparenten Material in das oberflä­ chenplasmon oder zu der Oberfläche-Fortpflanzungswelle an der Grenzschicht eines Dielektrikums wie Glas mit einem Metall wie Aluminium bezogen zu sein. Ein Oberflächenplasmon kann längs einer derartigen Grenzschicht bei elektromagneti­ sche Strahlenwellenlängen fortgepflanzt werden, für welche der Realteil der komplexen Permittivität des Metalls negativ ist. Die für elektrisch leitende Metalle wie Aluminium be­ nutzten Wellenlängen liegen im sichtbaren und im Infrarot-Be­ reich.

Dieses Oberflächenplasmon besitzt ein Feld, das in beiden Richtungen von der Grenzschicht exponentiell abfällt, jedoch befindet sich die Majorität des Feldes im Metall, das für die Lichtstrahlung ein hochschwächender Bereich ist. Um das Plasmon mit dem Licht im Glas anzuregen, das sich mit einem bestimmten Einfallwinkel der Grenzschicht nähert, muß ein Phasenanpaßzustand existieren, bei dem die Wellenzahl der Strahlung im Dielektrikum gleich der Wellenzahl der Strah­ lung im Plasmon ist. Die maximale Wellenzahl der Strahlung im Dielektrikum wird bei Strahlung parallel zur Grenzschicht festgestelt und ist gleich dem Produkt der normalisierten Strahlungsfrequenz mit der Quadratwurzel der Permittivität des Dielektrikums. In Abwesenheit von Deformationen der Grenzschicht ist jedoch die Wellenzahl des Plasmons größer als diese maximale Wellenzahl des Dielektrikums, und es tritt keine Anregung oder Kopplung auf.

Falls jedoch eine periodische Verformung der Grenzschicht vorhanden ist, wird ein Zusatzfaktor, der von der Periodizi­ tät der Verformung abhängt, der Wellenzahl der Strahlung im Dielektrikum hinzugefügt, und zwar hängt er von dem Einfalls­ winkel ab. Damit wird der Phasenanpaßzustand bei einem be­ stimmten Auftreffwinkel und einer bestimmten Periodizität ge­ schaffen. In Anwesenheit von periodischer Deformation kop­ pelt das sich der Grenzschicht mit dem bestimmten Auftreff­ winkel nähernde Licht im Glas mit dem Plasmon. Da sich der größte Teil des Plasmonfeldes im Metall befindet, das das Licht sehr abschwächt, besteht eine starke Absorption und Ab­ schwächung von Licht mit dem bestimmten Auftreffwinkel. Eine willkürliche Deformation, die als Überlagerung einer Reihe von periodischen Deformationen unterschiedlicher Periodizitä­ ten angesehen werden kann, verursacht eine Absorption bei einer Reihe von Auftreffwinkeln im Dielektrikum, und der größte Teil des Lichts im Glas koppelt deswegen mit dem Plas­ mon und wird im Metall absorbiert. Es scheint, daß die Kopp­ lung des Lichts im Dielektrikum zum Oberflächenplasmon an der Grenzschicht Dielektrikum/Metall in Anwesenheit von De­ formationen der Grenzschicht und die hohe Abschwächung eines so gekoppelten Lichtes durch die Majorität des Plasmonfeldes im Metall für die hohe Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Fühlers verantwortlich sind.

Die Verbindung der Optikfaser 11 und der Fühlerfaser 12 kann mit verschiedenen Mitteln hergestellt werden. Epoxidhaltige Koppler sind billig, streuen jedoch stark. Fusionskoppler sind mechanisch stabil (und damit schwingungsbeständig, wich­ tig bei Anwendung in Verbrennungskraftmaschinen) und besit­ zen geringen Verlust, erfordern jedoch das Entfernen der Alu­ miniumschicht in der Nähe der Spleißung an der Verbindungs­ stelle, wodurch sich eine Unterbrechung der hermetischen Ab­ dichtung und ein Freilegen der Faser für Umgebungseinwirkung (beispielsweise Wasser) ergibt. SMA-Verbinder sind robust und von vernünftiger Stabilität. Verbinder, bei denen eine Klemmbefestigung benutzt wird, können für eine Aluminium-ge­ mantelte Faser ungeeignet sein, da das Aluminium meist zu weich ist, um einer guten Anklemmung standzuhalten. Bevor­ zugt wird die Version mit Epoxid.

Fig. 5 zeigt Schwächungskurven als Funktion von Mikrobie­ gungsversetzungen für eine Anzahl von Optikfasern, um die Empfindlichkeitsverbesserung des erfindungsgemäßen Fühlers darzulegen. Die Kurve 40 zeigt die Schwächung einer mit Alu­ minium beschichteten Einzelmodus-Optikfaser ohne Modus-Aus­ scheidung, so daß das meiste in den Mikrobiegungsbereich ein­ tretende Licht in die Umhüllung übertragen wird und so durch eine Glas/Aluminium-Grenzschicht im Mikrobiegungsbereich be­ einflußt wird. Das ist ein Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Einzelmodusausführung. Die Kurve 41 zeigt die Empfindlichkeit der gleichen Faser mit Modus-Ableitung vor Beginn des Mikrobiegungsbereiches, so daß nur der Seelenmo­ dus benutzt wird und die Lichtabschwächung durch die Glas/ Glas-Grenzschicht zwischen Seele und Umhüllung in normaler Weise nach dem Stand der Technik benutzt wird. Die gemeinsa­ men Werte der Vorrichtungen waren die Faserdurchmesser von 8 µm für die Seele, 81 µm für die Umhüllung und 110 µm für das Aluminium, es wurde eine LED-Quelle mit 660 nm Wellenlänge benutzt, ein Mikrobiegungs-Verformer über 5 cm Faserlänge mit 1,5 mm Periodizität und eine numerische Apertur der Faser von 0,14. Die Modusableitung für Kurve 41 wurde mit 1 cm Radius-Schleifenmodusableitern vor und nach dem Mikro­ biegungsbereich erzielt, so daß nur der Seelenmodus die ge­ zeigte Kurve beeinflußte. Kurve 42 zeigt eine gleichartige Kurve für die Multimodus-Faser mit ähnlicher numerischer Apertur (0,133), typisch für die den Erfindern bekannten Mul­ timodus-Fasern mit höchster Empfindlichkeit. Die Außendurch­ messer bei dieser Faser betrugen 73,2 µm für die Seele, 99,1 µm für die Umhüllung und 129,5 µm für das Aluminium. Die Kurve wurde in der gleichen Weise mit Modusableitung vor und nach dem Mikrobiegungsbereich erzeugt. Diese Multimodus-Fa­ ser ist typisch für die bei den meisten Fühlern vom Mikrobie­ gungstyp nach dem Stand der Technik verwendete Art von Fasern, da die Faser weniger kostspielig als die Einzelmo­ dus-Faser nach Kurve 41 ist.

Es ergibt sich aus den Kurven, daß die Empfindlichkeit der Faser bei Mikrobiegung, dargestellt durch die Steigung der Kurve im Verwendungsbereich von 60-100 µm Versetzung, bei Kurve 40 viel höher als bei den Kurven 41 und 42 liegt. Beim praktischen Einsatz wird der nutzbare Bereich der maximalen Steigung durch eine gesteuerte Vorbelastung der Verformungs­ vorrichtung erhalten.

Claims (5)

1. Faseroptik-Druckfühler mit der Kombination: eine Fühlerfa­ ser, mechanische Mittel zur Erzeugung von Mikrobiegungen in der Fühlerfaser in Abhängigkeit von dem zu erfassenden Druck, eine Lichtquelle mit einem vorbestimmten Wellenlän­ genbereich an einem Ende der Fühlerfaser und ein Lichtde­ tektor am anderen Ende der Fühlerfaser, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fühlerfaser (12′; 12′′) ein kurzes Stück einer Einzelbereich-Transparentfaser (18; 26) aus einem dielektrischen Material ist, das in Umfangsrichtung von einer Metallschicht (20; 27) umgeben ist, wobei für das verwendete Metall der Realteil der komplexen Permittivi­ tät in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich negativ ist, die Metallschicht (20; 27) hermetisch die Faser (18; 26) abdichtet und eine Grenzschicht Dielektrikum/Metall definiert; daß eine erste Optikfaser (11) vorgesehen ist, welche Licht von der Lichtquelle (10) in ein Ende der Transparentfaser (18; 26) koppelt, daß eine zweite Optik­ faser (16) vorgesehen ist, die Licht vom anderen Ende der Transparentfaser (18; 26) zu dem Lichtdetektor (15) kop­ pelt, und daß mechanische Mittel (13) die Mikrobiegungen in der Grenzschicht Dielektrikum/Metall erzeugen, wodurch in der Grenzschicht Dielektrikum/Metall in Abhängigkeit von dem zu erfassenden Druck erzeugte Mikrobiegungen einen erhöhten Lichtverlust von der Transparentfaser (18; 26) in das Metall (20; 27) innerhalb der Fühlerfaser erge­ ben und damit das durch den Lichtdetektor (15) erfaßte Licht vermindern.

2. Faseroptik-Druckfühler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Metall (20; 27) Aluminium ist.

3. Faseroptik-Druckfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens eine der ersten bzw. zweiten Optikfasern (11; 16) eine Multimodus-Glasoptikfaser ist mit einer Glasseele (21; 25) mit einem ersten Brechungsin­ dex und einem Durchmesser, der im wesentlichen gleich dem der Einzelbereich-Transparentfaser (18; 26), mit ihr aus­ gerichtet und an ein Ende derselben angekoppelt ist und einer Glasumhüllung (22; 23) mit einem zweiten Brechungs­ index, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, so daß Licht von der Seele (21; 25) der Multimodus-Glasoptik­ faser in die Einzelbereich-Transparentfaser (18; 26) ge­ koppelt wird.

4. Faseroptik-Druckfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) eine lichtemittierende Diode (LED) ist.

5. Faseroptik-Druckfühler nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das kurze Stück Ein­ zelbereich-Transparentfaser ein kurzes Stück Einzelmo­ dus-Optikfaser (12′) umfaßt mit einer Seele (17) und einer Umhüllung (18) aus transparenten dielektrischen Ma­ terialien, wobei der Brechungsindex der Umhüllung (18) kleiner als der der Seele (17) ist, der Durchmesser der Seele (17) ein geringer Bruchteil des Außendurchmessers der Umhüllung (18) ist und die Majorität des Lichtes von der ersten Optikfaser (11) in die Umhüllung (18) der Transparentfaser (12′) gekoppelt wird.