DE3942556A1 - Temperatur-unempfindlicher lichtwellenleiter-dehnungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter-(LWL-)Dehnungssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In DE 35 26 966 A1 ist ein LWL-Sensor für Zugkräfte (ein LWL-Dehnungssensor) beschrieben, bei dem um den LWL mindestens eine Wendel eines Metalldrahtes oder eines Glasfadens geseilt, und darum eine drahtförmige, zugfeste Umhüllung aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) aufgebracht ist. Ausführungsbeispiel: Primärbeschichteter LWL mit 0,2 mm Außendurchmesser, Wendel aus Stahldraht von 0,08 mm Stärke, Schlaglänge im mm-Bereich, GFK-Umhüllung mit etwa 2 mm Außendurchmesser. Das Zusammenspiel der Parameter LWL-Wendel-Umhüllung ist diffizil und schwer reproduzierbar, so daß die Herstellung eines solchen LWL-Sensors aufwendig ist.

Eine Verbesserung wird bei dem in DE 89 00 690.9 U1 beschriebenen LWL-Sensor für kleine Zug- oder Druckkräfte (LWL-Dehnungssensor) erreicht. Bei ihm ist wesentlich, daß zwei Wendeln aus einem Metalldraht oder Glasfaden im Kreuzschlag um den primärbeschichteten LWL geseilt sind. Ausführungsbeispiel: Multimode-LWL 50/125/175 (Kern-/Mantel-/Primärbeschichtungs-Durchmesser in µm), Stahldraht 0,09 mm stark, Schlaglänge 10 mm, GFK-Umhüllung wie zuvor. Dieser LWL-Sensor ist immer noch temperaturempfindlich, so daß zu seinem einwandfreien Funktionieren einiger Aufwand erforderlich ist.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen solchen LWL- Sensor so auszubilden, daß er temperatur-unempfindlich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Sie besteht im wesentlichen darin, daß um den zentralen LWL anstelle von zwei Stahldrähten oder Glasfäden zwei weitere LWL im Kreuschlag geseilt sind.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen LWL-Sensors, so die Ansprüche 2 und 3 die LWL, 4 und 5 die Umhüllung, und 6 den Sensor mit Meßeinrichtung.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Temperaturempfindlichkeit der vorbekannten LWL-Sensoren von der Verschiedenheit ihrer baubedingten Material- und Verseilparameter herrührt. Diese haben einen großen Einfluß auf die Sensoreigenschaften. Insbesondere sind die Grunddämpfung, die möglichst klein sein sollte, und die Sensorempfindlichkeit, die möglichst groß sein sollte, von der Spannung abhängig, mit der die Verseilpartner umeinandergelegt (und ferner die Umhüllung darumgelegt) sind. Wenn nun, wie es aufgrund der Elastizitätsverhältnisse zweckmäßig erscheint, um den zentralen LWL ein oder zwei Stahldrähte geseilt sind, so ergeben sich bei Temperaturveränderungen aufgrund der stark unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Quarz und Stahl starke Spannungseinwirkungen auf den LWL. Sind dagegen um den zentralen LWL zwei weitere LWL geseilt, so ist dies ausgeschlossen.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß man nun einen temperatur- unempfindlichen LWL-Dehnungssensor hat. Hinzu kommt, daß man nun zwei zusätzliche LWL zur Verfügung hat, was die Meßmöglichkeiten erheblich erweitert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt jeweils als Prinzipbild

Fig. 1 einen LWL-Dehnungssensor mit einem zentralen LWL und zwei LWL-Kreuzwendeln darum, und

Fig. 2 die Anschaltung von Lichtsender und Lichtempfängern an diesen Sensor.

Wie Fig. 1 zeigt, sind um den zentralen, primärbeschichteten Lichtwellenleiter (LWL) L1 die beiden Wendeln L2 und L3, die ebenfalls primärbeschichtete Lichtwellenleiter sind, mit der Schlaglänge S im Kreuzschlag verseilt. Als Schutzhülle U ist wie bekannt ein dem Verseilverband unmittelbar anliegender, drahtförmiger Mantel aus glasfaserverstärktem Polyesterharz vorgesehen.

Alle drei LWL sind hier Multimode-/Gradienten-LWL mit folgenden Außendurchmessern: Kern 50 µm, Mantel 125 µm und Primärbeschichtung aus UV-Acrylat 250 µm. Es sind aber auch andere LWL-Typen, so Monomode-LWL, einsetzbar. Ebenso sind verschiedene LWL-Typen für die verschiedenen LWL L1, L2 und L3 des Sensors einsetzbar.

Die Schlaglänge S der LWL-Wendeln L2 und L3 und damit die Lage ihrer Kreuzungspunkte K sind beliebig variierbar. Um die Empfindlichkeit des Sensors zu erhöhen, paßt man, wie bekannt, die Schlaglänge der LWL-Wendeln an die Pitchlänge (das ist die doppelte Linsenbrennweite der durch einen LWL simulierten Sammellinsenfolge) des zentralen LWL an, indem das Verhältnis beider mit n : 1 und n = 3, 4, 5 . . .< 10 gewählt wird.

Bekanntlich kann man einen Gradienten-LWL als Linsenleitung beschreiben. Somit muß jede Störung des LWL durch an den Wendel- Kreuzungspunkten K punktuell aufgebrachten Druck zu inneren Abbildungsfehlern führen und somit einen deutlichen Lichtverlust durch Dämpfung hervorrufen, insbesondere wenn die Schlaglänge der Wendeln der Pitchlänge des zentralen LWL angepaßt ist. Demnach sind Verseilungen mit Partnern von ungleicher thermischer Längenausdehnung immer gegenüber Verseilungen mit gleichen Partnern im Nachteil, weil sie starke Druckänderungen als Funktion der Temperatur und damit starke Dämpfungsänderungen bewirken, letztere aber nicht.

Mit einem erfindungsgemäßen LWL-Sensor, der aus 3 Quarz-LWL 50/ 125/250 aufgebaut ist, kann man eine weitgehende Temperaturinvarianz der Dämpfung erreichen. Messungen ergaben 0,3 dB/80°C für eine Gesamtlänge von 20 m.

Eine weitere Verbesserung deutet sich an, wenn die Schutzhülle U um den Verseilverband der 3 LWL ein Rohr aus Metall, Kunststoff oder GFK ist, das den Verseilverband mit geringem Abstand (mm- Bereich) umgibt und in dem er in regelmäßigen größeren Abständen (10-cm-Bereich) festgelegt ist, dies beispielsweise mittels eines Konstruktionsklebers.

Fig. 2 zeigt, wie zur Meßeinrichtung den drei LWL des Sensors gemeinsam eine Lichtsendediode (LED) vorgeschaltet und jedem LWL eine Lichtempfangsdiode (Fotodioden FD1 bis FD3) nachgeschaltet ist. Im Gegensatz zu den vorbekannten LWL-Dehnungssensoren, bei denen nur ein LWL zur Messung der Lichtdämpfung zur Verfügung steht, ist bei dem neuen Sensor die Meßsicherheit verdreifacht, da alle drei LWL zur Lichtmessung herangezogen werden. Selbst beim Bruch eines LWL können die beiden anderen LWL ihre Meßaufgabe weiter wahrnehmen. Und dementsprechend ist die Betriebssicherheit durch die Abfrage von mehr als einem LWL je Sensor gestiegen.

Der neue LWL-Sensor dient hauptsächlich als Dehnungssensor für Ingenieurbauwerke. Er ermöglicht zuverlässige Messungen auch bei höheren und stark wechselnden Temperaturen.

Claims (6)

1. Lichtwellenleiter-(LWL-)Dehnungssensor aufgebaut aus einem zentralen, primärbeschichteten LWL (L1), um den mindestens eine Wendel eines Metalldrahtes oder Glasfadens geseilt ist, vorzugsweise zwei Wendeln im Kreuzschlag geseilt sind, worum dann eine Schutzhülle angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendeln (L2 und L3) ebenfalls primärbeschichtete Lichtwellenleiter sind.

2. LWL-Dehnungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale LWL (L1) und die beiden darum im Kreuzschlag geseilten LWL-Wendeln (L2 und L3) vorzugsweise Multimode-/Gradienten-LWL sind, beispielsweise LWL 50/125/250 (Kern-/Mantel-/Primärbeschichtung- Durchmesser in µm).

3. LWL-Dehnungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wie an sich bekannt die Schlaglänge (S) der LWL-Wendeln (L2 und L3) der Pitchlänge (das ist die doppelte Linsenbrennweite der durch den LWL simulierten Sammellinsenfolge) des zentralen LWL (L1) im Verhältnis n : 1 mit n = 3, 4, 5 . . .< 10 entspricht.

4. LWL-Dehnungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülle (U), wie an sich bekannt, ein dem Verseilverband (L1 bis L3) unmittelbar anliegender, drahtförmiger Mantel aus Kunststoff, vorwiegend aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), ist.

5. LWL-Dehnungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülle (U), ein Rohr aus Metall, Kunststoff oder GFK ist, das den Verseilverband mit geringem Abstand (mm-Bereich) umgibt, und in dem er in regelmäßigen größeren Abständen (10-cm-Bereich) festgelegt ist, dies beispielsweise mittels eines Konstruktionsklebers.

6. LWL-Dehnungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Meßeinrichtung den LWL (L1 bis L3) gemeinsam eine Lichtsendediode (LED) vorgeschaltet und jedem LWL eine Lichtempfangsdiode (Fotodioden FD1 bis FD3) nachgeschaltet ist.