DE3942556C2

DE3942556C2 -

Info

Publication number: DE3942556C2
Application number: DE19893942556
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr. 5226 Reichshof De Lessing
Original assignee: Felten & Guilleaume Energietechnik Ag 5000 Koeln De
Current assignee: Sicom Gesellschaft fuer Sensor und Vorspanntechnik mbH
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1989-12-22
Publication date: 1992-08-27
Also published as: DE3942556A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter-Dehnungssensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie er aus der DE 89 00 690 U1 bekannt ist.

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

Eine Verbesserung wird bei dem in der obengenannten DE 89 00 690 U1 beschriebenen Lichtwellenleiter-Sensor für kleine Zug- oder Druckkräfte (Lichtwellenleiter-Dehnungssensor) erreicht. Bei ihm ist wesentlich, daß zwei Wendeln aus einem Metalldraht oder Glas faden im Kreuzschlag um den primärbeschichteten Lichtwellenleiter geseilt sind. Ausführungsbeispiel: Multimode-Lichtwellenleiter 50/125/175 (Kern-/Mantel-/Primärbeschichtung-Durchmesser in µm), Stahldraht 0,09 mm stark, Schlaglänge 10 mm, Umhüllung wie zuvor. Dieser Lichtwellenleiter-Sensor ist immer noch temperaturempfind lich, so daß zu seinem einwandfreien Funktionieren einiger Aufwand erforderlich ist.

Ein Lichtwellenleiter-Dehnungssensor mit zwei miteinander verseil ten Lichtwellenleitern ist aus der DE 33 05 234 A1 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lichtwellenleiter- Dehnungssensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszu bilden, daß er temperatur-unempfindlich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patent anspruchs 1 angegeben.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Temperaturemp findlichkeit des gattungsgemäßen Lichtwellenleiter-Dehnungssensors von der Verschiedenheit seiner baubedingten Material- und Verseil parameter herrührt. Diese haben einen großen Einfluß auf die Sen soreigenschaften. Insbesondere sind die Grunddämpfung, die mög lichst klein sein sollte, und die Sensorempfindlichkeit, die mög lichst groß sein sollte, von der Spannung abhängig, mit der die Verseilpartner umeinandergelegt (und ferner die Umhüllung darum gelegt) sind. Wenn nun, wie es auf Grund der Elastizitätsverhält nisse zweckmäßig erscheint, um den zentralen Lichtwellenleiter zwei Glasfäden geseilt sind, so ergeben sich bei Temperaturver änderungen auf Grund der stark unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Quarz und Glas starke Spannungseinwirkungen auf den Licht wellenleiter. Sind dagegen um den zentralen Lichtwellenleiter zwei weitere Lichtwellenleiter geseilt, so ist dies ausgeschlossen.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß man nun einen tempe ratur-unempfindlichen Lichtwellenleiter-Dehnungssensor hat. Hinzu kommt, daß man nun zwei zusätzliche Lichtwellenleiter zur Verfü gung hat, was die Meßmöglichkeiten erheblich erweitert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar gestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen je weils als Prinzipbild:

Fig. 1 einen Lichtwellenleiter-Dehnungssensor mit einem zentra len Lichtwellenleiter und zwei Lichtwellenleiter-Kreuzwendeln darum, und

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

Wie Fig. 1 zeigt, sind um den zentralen, primärbeschichteten Lichtwellenleiter L1 die beiden Lichtwellenleiter-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, draht förmiger Mantel aus glasfaserverstärktem Polyesterharz vorgesehen.

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

Die Schlaglänge S der Lichtwellenleiter-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 Lichtwellenleiter-Wendeln an die Pitchlänge (das ist die doppelte Linsenbrennweite der durch einen Lichtwellenleiter simulierten Sammellinsenfolge) des zentralen Lichtwellenleiters an, indem das Verhältnis beider mit n : 1 und n=3, 4, 5 . . . bis 10 gewählt wird.

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

Mit einem Lichtwellenleiter-Dehnungsmesser, der aus drei Quarz- Lichtwellenleitern 50/125/250 aufgebaut ist, kann man eine weit gehende 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 drei Lichtwellenleiter ein Rohr aus Metall, Kunststoff oder glasfaserverstärktem Kunststoff ist, das den Verseilverband mit geringem Abstand (mm-Bereich) umgibt und in dem er in regelmäßigen größeren Abständen (10 cm-Bereich) fest gelegt ist, dies beispielsweise mittels eines Konstruktions klebers.

Fig. 2 zeigt, wie zur Meßeinrichtung den drei Lichtwellenleitern des Sensors gemeinsam eine Lichtsendediode (LED) vorgeschaltet und jedem Lichtwellenleiter eine Lichtempfangsdiode (Fotodioden FD1, FD2 und FD3) nachgeschaltet ist. Im Gegensatz zu den vorbekannten Lichtwellenleiter-Dehnungssensoren, bei denen nur ein Lichtwellen leiter zur Messung der Lichtdämpfung zur Verfügung steht, ist bei dem neuen Sensor die Meßsicherheit verdreifacht, da alle drei Lichtwellenleiter zur Lichtmessung herangezogen werden. Selbst beim Bruch eines Lichtwellenleiters können die beiden anderen Lichtwellenleiter ihre Meßaufgabe weiter wahrnehmen, und dement sprechend ist die Betriebssicherheit durch die Abfrage von mehr als einem Lichtwellenleiter je Sensor gestiegen.

Der beschriebene Lichtwellenleiter-Dehnungssensor dient haupt sächlich als Dehnungssensor für Ingenieurbauwerke. Er ermöglicht zuverlässige Messungen auch bei höheren und stark wechselnden Temperaturen.

Claims

1. Lichtwellenleiter-Dehnungssensor aufgebaut aus

- einem zentralen, primärbeschichteten Lichtwellenleiter,
- zwei um den zentralen, primärbeschichteten Lichtwellenleiter im Kreuzschlag ver seilten Glasfäden, wobei die Schlaglänge der beiden Wendeln der Pitchlänge des zentralen, primärbeschichteten Lichtwellenleiters im Verhältnis n : 1 mit n=3, 4, 5 . . . bis 10 entspricht,
- und einer Schutzhülle um den Verseilverband,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Glasfäden als primärbeschichtete Lichtwellenleiter (Lichtwellenleiter-Wendeln L2 und L3) ausgebildet sind,
- daß die Schutzhülle (U) ein Rohr aus Metall, Kunststoff oder glasfaserverstärktem Kunststoff ist, das den Verseilverband mit einem im Millimeter-Bereich liegenden geringen Abstand umgibt,
- und daß der Verseilverband in dem Rohr in regelmäßigen, im Dezimeter-Bereich liegenden größeren Abständen mit einem Kleber festgelegt ist.

2. Lichtwellenleiter-Dehnungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Lichtwellenleitern (zentraler Lichtwellenleiter L1 und Lichtwellenleiter-Wendeln L2 sowie L3) eine gemeinsame Lichtsendediode (LED) angeordnet ist, und daß nach jedem Lichtwellenleiter (zentraler Lichtwellenleiter und Licht wellenleiter-Wendeln L2 sowie L3) je eine eigene Lichtempfangs diode (Fotodioden FD1, FD2 und FD3) angeordnet ist.