DE60105143T2

DE60105143T2 - Bragg-gitter-inklinometer

Info

Publication number: DE60105143T2
Application number: DE60105143T
Authority: DE
Inventors: Pierre Ferdinand; Stephane Rougeault
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2000-04-11
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2021-04-11
Also published as: FR2807512A1; EP1272813A1; WO2001077618A1; DE60105143D1; US20030095249A1; EP1272813B1; FR2807512B1; CA2405514A1; US6665062B2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Inklinometer, das heißt eine zur Neigungsmessung bestimmte Vorrichtung.
Die Erfindung ist insbesondere in Bergwerken oder bei Bohrarbeiten anwendbar, oder im Bauingenieurwesen, zum Beispiel beim Bau von Brücken und Tunnels sowie zur Überwachung von Bauwerken (insbesondere historischen Monumenten), aber auch überall, wo eine genaue Kontrolle der Stabilität einer Struktur erforderlich ist, insbesondere über einen längeren Zeitraum.
STAND DER TECHNIK
Herkömmlicherweise werden diverse Auskultations- bzw. Untersuchungsmethoden angewendet, um die Amplitude und Kadenz von horizontalen oder vertikalen Verformungen zu überwachen, sowohl von Strukturen als auch von Bodenoberflächen und den zugänglichen Untergeschossbereichen in diversen Kategorien von Bauwerken.
Die klassischen im Bauingenieurwesen verwendeten Instrumente, "Extensometer" genannt, werden benutzt, um Verformungen zu überwachen. Diverse Extensometer sind im Handel erhältlich.
Bezüglich der Rotationsmessungen kennt man schon elektrische Inklinometer, auch "Tiltmeter" genannt, die benutzt werden, um den Neigungsänderungen von auf dem Boden oder im Boden oder auf einer Struktur befindlichen Punkten zu überwachen. Diese Inklinometer werden gebildet durch einen Sensor, der für die Schwerkraft empfindlich ist (Pendel) und sich in einer entsprechenden Aufnahme befindet. Es sind mehrere Inklinometertypen bekannt.
Man kennt zum Beispiel ein mechanisches Inklinometer, das durch einen Balken und eine Wasserwaage gebildet wird, mit einer Nivellierungseinrichtung an einem seiner Enden. Dieser Balken ist auf zwei Bezugskugeln befestigt, die in dem zu messenden System verankert sind. Die Nivellierung erfolgt, indem man die Wasserwaage anpasst, und um die Messung durchzuführen, wird eine Umdrehungszähler-Skala benutzt. Der typische Messbereich beträgt einige Grad. Die Genauigkeit beträgt ungefähr ±0,013 mm für einen Balken von 200 mm Länge (also ungefähr 60 μrad) und reduziert sich auf ±0,13 mm für einen Balken von 900 mm Länge (also ungefähr 150 μrad).
Bekannt ist auch ein Inklinometer mit einem Beschleunigungssensor. Die Messung erfolgt, indem das Inklinometer auf einem flachen Stück in eine reproduzierbare Position gebracht wird. Man führt eine erste Ablesung durch, dreht den Sensor dann um 180° und führt eine zweite Ablesung durch. Das flache Bezugsstück ist aus Metall oder Keramik und muss fest auf einer Oberfläche, die man kontrollieren will, befestigt werden. Der Messbereich geht von –30° bis +30° und die Genauigkeit ist typisch ±250 μrad.
Außerdem gibt es Inklinometer mit einem im Oberteil des Inklinometers befestigten Pendel. Die Neigung des Körpers bzw. Gehäuses dieses Inklinometers erzeugt Biegekräfte, die auf ein Teil einwirken. Diese Biegekräfte werden durch zwei Vibrationsdraht-Sensoren überwacht, die an jeder Seite des Teils befestigt sind. Bei einer anderen Konfiguration sind die beiden Vibrationsdrahtsensoren zwischen dem Pendel und der Haube des Inklinometers befestigt. Diese Konfiguration ermöglicht dank einer speziellen Montage, sich von den Temperatureffekten freizumachen.
Der typische Messbereich geht von –0,11° bis +0,11° mit einer Genauigkeit von ungefähr 0,5% der vollen Skala (ungefähr ±10 μrad bis ±100 μrad).
Man kennt zudem ein Inklinometer mit einem elektrolytischen Niveausensor. Bei einer ersten Ausführungsart ist eine Messzelle aus Glas, die eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit enthält (zum Beispiel Quecksilber) an ihren beiden Enden dicht verschlossen. Die Messgenauigkeit dieses Sensortyps ist durchschnittlich. Zudem ist seine thermische Empfindlichkeit hoch. Daher eignet er sich nicht sehr gut für geotechnische bautechnische Anwendungen.
Bei einer zweiten Ausführungsart wird in der Messzelle ein Vakuum erzeugt. Die Leistungen sind besser. Jedoch ist eine spezifische Eichung für jede Zelle erforderlich und Neukalibrierungen sind nötig. Solche Inklinometer sind kostenaufwändig, insbesondere wenn sie in Form eines Netzwerks verwendet werden.
Betrachten wir nun Lichtleitfaser-Sensoren und insbesondere die Vorteile solcher Sensoren wie zum Beispiel ihre Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen.
Dazu zunächst einige Rekapitulationen zum Thema "photoinduzierte Bragg-Gitter" ("photo-induced fiber Bragg gratings").
Ein in einer optischen Faser photoinduziertes Bragg-Gitter besteht aus einer periodischen Struktur, gebildet durch eine Modulation des Index des Kerns der optischen Faser. Eine solche Struktur verhält sich quasi wie ein Spiegel für ein sehr schmales Spektralband um eine charakteristische Wellenlänge λ_B herum (der Wellenlänge, bei der zwischen den multiplen Reflexionen im Innern des Netzes Phasenübereinstimmung bzw. -abstimmung herrscht) und bleibt durchlässig für alle anderen Wellenlängen. Die multiplen mit diesen anderen Wellenlängen reflektierten Wellen sind nämlich nicht in Phase, interferieren bei Reflexion destruktiv und werden folglich übertragen.
Die charakteristische Wellenlänge, "Bragg-Wellenlänge" genannt, wird durch die Bragg-Relation definiert: λB = 2·neff·Λwobei Λ die Teilung ("pitch") des effektiven Indexgitters n_eff ist.
Die endgültigen Charakteristika eines photoinduzierten Bragg-Gitters hängen ab von den Induktionsparametern wie zum Beispiel dem Lasertyp (Wellenlänge, Betriebsart) und der benutzten Lichtleistung, der Wellenlänge λ, mit der dieses Gitter photoinduziert wird, der effektive Index n_eff der optischen Faser, in der es induziert wird, der Amplitude bzw. Größe der Indexänderung Δn und der Periode A dieser Indexänderung.
Diese Parameter fixieren die charakteristischen Größen des Bragg-Gitters, nämlich: die Bragg-Wellenlänge λ_B, das Reflexionsvermögen R_max bei λ_B und die Breite des Peaks des Reflexionsvermögens auf halber Höhe sowie die Neigung bzw. Fähigkeit des Gitters, große Temperaturveränderungen oder starke Verlängerungen bzw. Dehnungen zu ertragen, was bei der Verwendung dieses Bragg-Gitters als Transducer ein wichtiger Aspekt ist.
Betrachten wir nun einen solchen Bragg-Gitter-Transducer. Unter Berücksichtigung der dieses Gitter charakterisierenden Bragg-Relation hängt die charakterstische Wellenlänge λ_B von der Temperatur und den Beanspruchungen (σx, σy, σz) ab, denen die Faser ausgesetzt ist, in der das Gitter gebildet wird.
Es ist üblich, die drei Beiträge zu trennen, nämlich die Temperaturveränderungen ΔT, die Dehnungen ε = ΔL/L entsprechend der Achse des Kerns der Faser und die Veränderungen des hydrostatischen Drucks ΔP entsprechend der Relation: ΔλB/λB = a'·ΔT + b'·ε + c'·ΔPwo a', b' und c' Koeffizienten sind, die von den Charakteristika der Faser abhängen und in geringerem Maße von ihrer Temperatur. In der Praxis können sie über einen breiten Anwendungsbereich von der Temperatur unabhängigen Konstanten gleichgesetzt werden.
Eine genaue Messung von Δλ_B (Veränderung von λ_B in Bezug auf einen ursprünglichen Bezugswert) ermöglicht also, die Größe der Veränderung des Phänomens zu bestimmen, die diese Veränderung von λ_B bewirkt hat.
Das Bragg-Gitter bildet also über seine einfache Rolle als Spektralfilter hinaus sehr wohl einen "Transducer", da es die Entwicklungen einer Einflussgröße umsetzt in eine zu diesen Entwicklungen proportionale Spektralverschiebung.
Betrachten wir nun das Verhalten des Bragg-Gitters bei einer Temperaturveränderung. Wenn das Gitter einer solchen Veränderung ausgesetzt ist, dehnt es sich aus oder es schrumpft, was seine Teilung verändert. Zudem, da die Brechzahl eines Materials auch von seiner Temperatur abhängt, haben diese beiden Phänomene eine Veränderung Δλ_B der charakteristischen Wellenlänge zur Folge:
Im Falle von Siliciumdioxid beträgt der Koeffizient a' ungefähr 7,8·10^–6/°C. Indem man a = a'·λ_B setzt, kann man schreiben: ΔλB = a·ΔT
Betrachten wir nun das Verhalten des Bragg-Gitters bei Verformungen. Wie man gesehen hat, können auch Beanspruchungen die charakteristische Wellenlänge des Gitters verändern.
Wir können die Veränderung der Bragg-Wellenlänge als Funktion einer Dehnung folgendermaßen definieren:
wo n_e, ε_z, E, ν und p_e jeweils den optischen Index des Kerns der Faser, die relative Längenänderung der Faser (Verformung der Faser in der Richtung der z-Achse), den Young-Modul, den Poisson-Koeffizienten und die photoelastische Konstante des die Faser bildenden Materials repräsentieren; p₁₁ und p₁₂ sind elastooptische Koeffizienten. Zum Beispiel beträgt der Koeffizient b' im Falle des Siliciumdioxids ungefähr 0,78 × 10^–6/(μm/m).
Indem man b = b'·λ_B setzt, kann man schreiben: ΔλB = b·εZ
Betrachten wir nun das Verhalten des Bragg-Gitters bei einer Druckveränderung ΔP. Das Spektralverhalten der Bragg-Linie bei dieser Veränderung kann man schreiben: ΔλB/λB = c'·ΔP
Für das Siliciumdioxid beträgt der Koeffizient c' ungefähr –2,87 × 10^–6/MPa.
Die Werte der Empfindlichkeiten der in den optischen Fasern aus Siliciumdioxid photoinduzierten Bragg-Gitter sind für die wichtigsten Parameter (Temperatur, Verformungen und Druck) in der Tabelle I zusammengefasst, und dies für die drei benutzten Hauptwellenlängen.
Tabelle I
Eine derartige Bragg-Gitter enthaltende optische Faser kann folglich als Verformungssensor dienen. Das Messsystem dieser Verformungen kann dann eine optische Quelle mit breitem Spektrum und ein Spektralanalysesystem (zum Beispiel ein Spektrometer oder einen interterometrischen Resonator des Fabry-Perot-Typs) oder eine schmale Abtastquelle (des Typs abstimmbarer Laser) umfassen. Die Zuordnung eines Bragg-Bezugsgitters ermöglicht eine absolute spektrale Lokalisierung der Wellenlängen-Peaks, die durch Bragg-Messgitter reflektiert werden.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Inklinometer, das unempfindlich ist für die elektromagnetischen Störungen und das zu diesem Zweck über eine Vielzahl optischer Fasern sowie wenigstens ein Bragg-Gitter als Transducer verfügt.
Zudem ermöglichen in der Erfindung Messungen des spektralen Typs, sich freizumachen von den Schwankungen der Lichtintensität.
Genaugenommen hat die vorliegende Erfindung ein Inklinometer zum Gegenstand, das dazu bestimmt ist, eine Neigungsveränderung einer Struktur zu messen, wobei dieses Inklinometer dadurch gekennzeichnet ist, dass es umfasst:

– ein oberes Teilstück, das starr mit der Struktur verbunden ist, so dass sich die Neigung dieses oberen Teilstücks wie die der Struktur verändert,
– ein unteres Teilstück, der sich unter dem oberen Teilstück befindet,
– ein das untere und das obere Teilstück verbindendes Gelenk, wobei das untere Teilstück ein an dem oberen Teilstück mittels dieses Gelenks frei aufgehängtes Pendel bildet,
– wenigstens zwei Lichtleitfaserteile, auf beiden Seiten des Gelenks befindlich, wobei jedes Lichtleitfaserteil ein erstes und zweites Ende hat, jeweils befestigt an dem unteren beziehungsweise dem oberen Teilstück und vorher zwischen diesem unteren und oberen Teilstück in Spannung versetzt, und
– wenigstens ein Bragg-Gitter, wobei dieses Bragg-Gitter in einem der beiden Lichtleitfaserteile gebildet wird,

Nach einer bevorzugten Realisierungsart umfasst das erfindungsgemäße Inklinometer wenigstens zwei Bragg-Gitter, wobei diese beiden Bragg-Gitter jeweils in den beiden Lichtleitfaserteilen gebildet werden, die folglich bei einer Neigungsänderung der Struktur jeweils einer Zugspannung und einer Druckspannung ausgesetzt sind, so dass diese Bragg-Gitter eine differentielle Wellenlängenmessung ermöglichen und das Inklinometer dann für Umgebungstemperatur- und -druckveränderungen unempfindlich ist.
Das Gelenk des unteren und oberen Teilstücks kann eine Drehachse umfassen, die dazu bestimmt ist, während der Neigungsänderungsmessung horizontal ausgerichtet zu sein.
Nach einer speziellen Realisierungsart des erfindungsgemäßen Inklinometers hat das Gelenk des unteren und oberen Teilstücks wenigstens zwei Freiheitsgrade, wobei dieses Inklinometer wenigstens drei Lichtleitfaserteile umfasst, die in Spannung versetzt und um dieses Gelenk herum angeordnet sind, und wenigstens zwei Bragg-Gitter, wobei diese beiden Bragg-Gitter jeweils in zwei der drei Lichtleitfaserteile gebildet werden und der Inklinometer dann vorgesehen ist, eine durch zwei Schwenkwinkel definierbare Neigungsänderung zu messen. Es ist vorteilhafter, in dem dritten Lichtleitfaserteil ein drittes Bragg-Gitter zu bilden, um eine der Kompensation des Temperatureffekts dienende dritte Messung zu erhalten.
Im Falle dieser speziellen Realisierungsart können die drei Lichtleitfaserteile um das Gelenk herum um 120° gegeneinander versetzt sind.
In diesem selben Fall kann das Inklinometer vier Lichtleitfaserteile, in Spannung versetzt und um das Gelenk herum um 90° gegeneinander versetzt, und außerdem wenigstens zwei Bragg-Gitter umfassen, wobei diese beiden Bragg-Gitter in jeweils zwei der vier Lichtleitfaserteile gebildet werden und ermöglichen, jeweils die beiden Winkel zu messen.
In diesem letzteren Fall kann das Inklinometer vier Bragg-Gitter umfassen, die jeweils in den vier Lichtleitfaserteilen gebildet werden, wobei jedes Bragg-Gitter durch das Gelenk mit dem ihm gegenüberstehenden Bragg-Gitter verbunden ist und diese verbundenen Bragg-Gitter eine differentielle Wellenlängenmessung ermöglichen, wobei das Inklinometer dann für die Umgebungstemperatur- und -druckbedingungen unempfindlich ist.
Das Gelenk, das wenigstens zwei Drehungsfreiheitsgrade aufweist, kann ein Kugelgelenk oder eine kardanische Aufhängung, ja sogar eine Spitze umfassen, die sich auf einer harten Oberfläche abstützt.
Das erfindungsgemäße Inklinometer kann eine einzige Lichtleitfaser umfassen, zu der jedes Lichtleitfaserteil gehört.
In diesem Fall kann man eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Inklinometern verwenden, wobei diese Inklinometer mittels der optischen Faser in Reihe geschaltet sind.
Das erfindungsgemäße Inklinometer kann in einer speziellen Ausführungsart durch wenigstens eines der Enden der Faser, in der das oder die Bragg-Gitter ausgebildet sind, mittels Reflexion abgefragt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich durch die Lektüre der nachfolgenden, rein erläuternden und keinesfalls einschränkenden Beschreibung von Realisierungsarten, die sich auf die folgenden beigefügten Zeichnungen bezieht:
die 1 stellt schematisch das Prinzip einer speziellen Ausführungsart des erfindungsgemäßen Inklinometers dar,
die 2 zeigt schematisch den zentralen Teil des Inklinometers der 1,
die 3 ist eine schematische Längsschnittansicht einer speziellen Realisierungsart des erfindungsgemäßen Inklinometers,
die 4, 5 und 6 sind Diagramme, die jeweils den Effekt einer einfachen Drehung, den Effekt einer einfachen Temperaturveränderung und den kombinierten Effekt einer Drehung und einer Temperaturveränderung in einem Beispiel eines Inklinometers nach der Erfindung darstellen,
die 7 ist ein Diagramm, das schematisch die Kompensation einer Temperaturveränderung in einem Beispiel eines erfindungsgemäßen Inklinometers darstellen,
die 8 ist eine schematische Ansicht eines Systems mit sechs Bragg-Gitter-Transducern und zwei Bezugs-Bragg-Gittern,
die 9, 10 und 11 zeigen schematisch Neigungsänderungs-Messsysteme mit erfindungsgemäßen Inklinometern,
die 12 ist eine schematische Ansicht eines Messsystems von Neigungsänderungen in mehreren Zonen mit mehreren in Reihe angeordneten erfindungsgemäßen Inklinometern,
die 13 zeigt sehr schematisch ein erfindungsgemäßes Inklinometer mit nur einem Bragg-Gitter, und
die 14 und 15 zeigen sehr schematisch efindungsgemäße Inklinometer, die ermöglichen, durch zwei Schwenkwinkel definierbare Neigungen zu messen.
DETAILLIERTE DARSTELLUNG SPEZIELLER REALISIERUNGSARTEN
In der 1 ist ein Inklinometer nach der Erfindung dargestellt.
Dieses Inklinometer ist dazu bestimmt, eine Neigungsveränderung einer Struktur zu messen. In dem dargestellten Beispiel ist diese Struktur eine Wand 2 eines Gebäudes. Man nimmt an, dass die Wand ursprünglich senkrecht war (Neigung mit einem Winkel null) und sich dann um einen Winkel α geneigt hat (in der 1 nach links).
Das Inklinometer umfasst eine oberes Teilstück 4 und ein unteres Teilstück 6 sowie ein Gelenk 8 dieser Teilstücke 4 und 6. Das Inklinometer umfasst auch ein hohles Gehäuse 10, in dem sich die Teilstücke 4 und 6 und das Gelenk 8 befinden.
Das Gehäuse 10 umfasst Einrichtungen 12 zur Befestigung an der Wand 2. Das obere Teilstück 4 ist an dem Gehäuse 10 befestigt und bewegt sich infolgedessen mit der Umgebung des Inklinometers (in dem betrachteten Beispiel die Wand 2).
Das Gelenk 8 umfasst eine Drehachse 14 und das untere Teilstück 6 (unter dem oberen Teilstück 4 befindlich) umfasst eine Masse 16 des Werts M. Sie ist also empfindlich für die Schwerkraft, gekennzeichnet durch einen Vektor
und ist bestrebt, senkrecht ausgerichtet zu bleiben. Dank der Masse 16 bildet das untere Teilstück ein Pendel, das durch die Drehachse 14 frei an dem oberen Teilstück aufgehängt ist.
Das Inklinometer umfasst auch eine optische Faser 8. Zwei Teile 20 und 22 dieser Faser befinden sich beiderseits der Drehachse 14. Zudem sind die Enden A und B des Faserteils 20 jeweils an dem oberen und dem unteren Teilstück des Inklinometers befestigt. Ebenso sind die Enden C und D des Faserteils 22 jeweils an diesem oberen und unteren Teilstück befestigt.
In dem Kern des Faserteils 20 ist ein Bragg-Gitter 24 photoinduziert und im Kern des Faserteils 22 ein dem Bragg-Gitter 24 identisches Bragg-Gitter 26. Derart verfügt man über zwei entgegengesetzt angeordnete Bragg-Gitter.
Diese entgegengesetzte Anordnung ermöglicht eine Differentialmessung der Wellenlänge.
Die vorher (das heißt vor dem Befestigen des Gehäuses 10 des Inklinometers an der Wand 2) in Spannung versetzten Faserteile 20 und 22 werden an dem unteren und dem oberen Teilstück befestigt, wobei diese beiden Letzteren während dieser Spannungserzeugung und Befestigung senkrecht ausgerichtet sind. Man vermeidet also jede Krümmung der Faser zwischen dem unteren und oberen Teilstück.
Das Prinzip des Inklinometers der 1 besteht dann, die Drehung um den Winkel α, der er ausgesetzt worden ist, umzusetzen in ein Belastungsniveau, das proportional ist zu dem Winkel α und dem das Bragg-Gitter entspricht.
Festzustellen ist, dass in dem Beispiel der 1 auf das Bragg-Gitter 20 eine Zugbelastung wirkt und auf das Bragg-Gitter 22 eine Druckbelastung.
Betrachten wir nun das Verhalten des Inklinometers der 1 in Abhängigkeit von seinen mechanischen Parametern.
Mit ε₁ wird die Belastung bezeichnet, die durch das Vorspannen der Teile 20 und 22 in diesen Letzteren induziert wird, mit ε₁ die durch die Drehung um den Winkel α in dem Bragg-Gitter 20 induzierte Belastung und mit ε₂ die durch diese Drehung in dem Bragg-Gitter 22 induzierte Spannung.
Es wird angenommen, dass die Umgebungstemperatur sich während der Messung von T₀ nach T₀ + ΔT verändert.
Mit Hilfe der optischen Faser 18 misst man Δλ₁ – Δλ₂, wo Δλ₁ (beziehungsweise Δλ₂) die Differenz zwischen der Bragg-Wellenlänge des Gitters 20 (bzw. des Gitters 22) ist, wenn die Temperatur T₀ + ΔT beträgt und die angewendete Spannung ε₀ + ε₁ (bzw. ε₀ + ε₂), und die Bragg-Wellenlänge dieses selben Gitters 20 (bzw. dieses selben Gitters 22), wenn die Temperatur T₀ beträgt und die angewendete Spannung ε₀.
Dank der weiter oben genannten Relationen kann man schreiben: Δλ1 – Δλ2 = [λ1(ε0 + ε1, T0 + ΔT) – λ1(ε0, T0)] – [λ2(ε0 + ε2, T0 + ΔT) – λ2(ε0, T0)] = b·ε1 + a·ΔT – (b·ε2 + a·ΔT) = b·(ε1 – ε2)
Da das Inklinometer der 1 symmetrisch ist, haben ε₁ und ε₂ denselben mit ε bezeichneten Absolutwert aber umgekehrte Vorzeichen, und das Resultat der Messung beträgt 2·b·ε.
Dieses Inklinometer ist also intrinsisch unempfindlich gegenüber den Umgebungstemperaturänderungen.
Nun wird gezeigt, dass es auch gegenüber den Umgebungsdruckänderungen intrinsisch unempfindlich ist.
Betrachten wir das Verhalten der Teile 20 und 22 der optischen Faser 18 unter Spannung.
Die Beanspruchung dieser optischen Faser 18 in ihrer elastischen Zone entspricht dem Hooke-Gesetz:
mit:
L_f: Länge jedes der Faserteile 20 und 22 vor der Drehung um den Winkel α,
ΔL_f: Dehnung des Faserteils 20, erzeugt durch die Drehung um Winkel α (wobei der Faserteil 22 dann eine Stauchung ΔL_f erfährt),
E_f: Young-Modul der Faser 18,
S_f: Querschnitt der Faser 18,
F: an jedem der Faserteile angewendete Kraft.
L_f und ΔL_f können geometrisch berechnet werden. Betrachten wir den zentralen Teil des Inklinometers der 1 (s. 2). Im Ruhezustand (das heißt vor der Drehung um den Winkel α) hat der Winkel zwischen dem gespannten Faserteil und der Drehachse einen Wert θ₀. Nach der Drehung des oberen Teilstücks 4 ist der Wert dieses Winkels θ₀ + α – ψ.
L_f kann ausgedrückt werden als eine Funktion von A₀, das den Abstand zwischen der Drehachse und dem unteren Befestigungspunkt B (bzw. D) der Faser 20 (bzw. 22) in der 1 darstellt, und von θ₀: Lf = 2·A0sin(θ0/2) (1)
Unter Belastung wird L_f (beim Faserteil 20):
Die Ableitung der Gleichung (1) ergibt:
Daraus leitet man ab:
Man kann nun θ₀ als Funktion der Geometrie der Teile des Inklinometers der 1 ausdrücken (s. 2): tan(θ0/2) = Lf/2Rund folglich: ε = (α – ψ)·R/Lf (3)
Diese Relation ermöglicht, die Werte von R und L_f zu bestimmen, durch die man den Bereich und die Auflösung wie erwünscht erhält. Der Winkel ψ ist unbekannt, und ihn zu bestimmen, schreiben wir die Gleichgewichtsgleichung des Inklinometers.
Dieses Inklinometer kann mit einem Drehsystem verglichen werden. Bei Gleichgewicht können wir schreiben, dass die Summe der Momente der auf es wirkenden Kräfte null ist.
Wir wissen:

– die Masse M (s. 1) induziert ein Moment: M·g·L_m·sin(ψ)
– Das Bragg-Gitter 20 ist unter Spannung und induziert ein Moment M₂₀ = (F₀ + F₁)·R
– das Bragg-Gitter 22 ist unter Spannung und dieses Gitter induziert ein Moment M₂₂ = –(F₀ + F₂)·R, wo F₀ den Modul der Vorspannkraft repräsentiert und F₁ gleich F₂ ist und der gemeinsame Modul dieser beiden Kräfte durch das Hooke-Gesetz geliefert wird und folglich S_f·E_f·ε beträgt.

Die Reibungen der Drehachse werden vernachlässigt.
Die Gleichgewichtsgleichung schreibt sich dann: M·g·Lm·sin(ψ) = (F0 + F1)·R – (F0 + F2)·Roder M·g·Lm·sin(ψ) = (F0 – F1)·Roder: M·g·Lm·sin(ψ) = 2·(α – ψ)·R2/Lf·Sf·Ef
In erster Ordnung erhält man also für kleine Winkel: M·g·Lm·sin(ψ) = 2α·R2/Lf·Sf·Ef – 2·ψ·R2/Lf·Sf·Ef
Indem man die Gleichung (3) benutzt, leitet man daraus ab:
Man erhält folglich:
ε/α kann ausgedrückt werden in [(μm/m)/μrad] oder [(μm/m)/Grad] und stellt die Empfindlichkeit des Inklinometers dar, wobei man 1 μm/m allgemein eine Mikroverformung nennt, bezeichnet mit 1 με (oder "μstrain" in der angelsächsischen Literatur).
Dank dieser Relation (4) können wir das Verhalten eines solchen Inklinometers voraussagen und die mechanischen Parameter bestimmen, die ermöglichen, die erwünschten metrologischen Charakteristika zu erhalten.
Die 3 ist eine schematische Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Inklinometers. In dieser 3 findet man das obere Teilstück 4 und das untere Teilstück 6 des Inklinometers wieder, wobei Letzteres eine Masse 16 umfasst, die als Pendel dient. Das Gelenk 8 umfasst eine Achse 14. Diese Achse ist auf ein Präzisionskugellager montiert (nicht dargestellt).
Man sieht auch den Hohlkörper bzw. das Gehäuse 10, das die Teilstücke 4 und 6 enthält, wobei das Teilstück 4 an diesem Gehäuse befestigt ist.
Die Einrichtungen zur Befestigung dieses Gehäuses an einer Struktur, bei der man die Neigungsänderungen messen möchte, sind nicht dargestellt.
Außerdem sieht man die optische Faser 18 sowie die Teile 20 und 22 dieser Faser, die jeweils die Bragg-Gitter 24 und 25 umfassen.
Der Faserteil 20 ist vorgespannt dank zweier Befestigungs- oder Klebesysteme oder auch zweier Backen 28 und 30, die jeweils an dem oberen und dem unteren Teilstück befestigt sind. Ebenso ist der Faserteil 22 vorgespannt dank zweier Backen 32 und 34, die jeweils an dem oberen und dem unteren Teilstück befestigt sind.
Der untere Teil der optischen Faser 18 durchquert ein in der Masse 16 ausgebildetes gekrümmtes Loch 36. Außerdem dringt die optische Faser 18 in das Inklinometer durch eine Eingangsöffnung 38 ein und verlässt es durch eine Ausgangsöffnung 40, wobei diese Öffnungselemente 38 und 40 an dem oberen Teilstück des Inklinometers befestigt sind.
Man sieht auch mehrere Dichtungen 41 und an der Unterseite des Gehäuses 10 eine Sicherheitseinrichtung 42, vorgesehen zur Immobilisierung der Masse 16 während des Transports des Inklinometers.
Das Inklinometer der 3 umfasst außerdem ein System zur Verschiebung des Winkelnullpunkts, dazu bestimmt, die Masse 16 vertikal zu versetzen, um die Messungen zu machen, wenn das Gehäuse 10 des Inklinometers nicht senkrecht ist und zum Beispiel auf einer geneigten Mauer ruht. Ein spezielles Beispiel eines solchen Nullpunkt-Verschiebungssystems kann durch das System 44 gebildet werden, das im Wesentlichen eine durchbohrt Kugel 46, die in einen Käfig montiert ist, in dem diese durchbohrt Kugel bzw. dieses Kugelgelenk sich frei drehen kann, und eine Achse 48 umfasst, die diese Kugel 46 durchquert. Der untere Teil dieser Achse 48 ist mit dem oberen Teil des Gelenks 8 verbunden, während der obere Teil der Achse 48 dank einer Regulierungsstange 50 verschiebbar ist.
Zu präzisieren ist, dass die Regulierung des Systems 44 entweder vor der Montage des Inklinometers auf der Struktur durchgeführt werden kann, deren Neigungsänderungen man messen will, oder nach der Befestigung entsprechend den Zugangseinrichtungen.
Bei dem Inklinometer der 3 hat sich ein mechanischer Hysteresis-Effekt gezeigt. Die Korrektur dieses Effekts kann erfolgen, indem das Prinzip der Differentialmessung angewendet wird, das weiter oben angegeben wurde.
Wir kommen zurück auf die weiter oben erwähnte differentelle Montage.
Da die Bragg-Gitter empfindlich sind für die Temperatur, den Druck und die Dehnung, ermöglicht diese differentielle Montage, sich von den Temperatur- und Druckeschwankungen frei zu machen. Bei Nachfolgendem wird nur die Temperatur betrachtet, denn einerseits sind die Druckeffekte quasi vernachlässigbar und andererseits ist das Prinzip der druckbezogenen Korrektur identisch.
Die 4 bis 6 zeigen die Kompensation der Temperaturänderungen bei einem Inklinometer der in der 3 dargestellten Art mit einer differentiellen Montage.
In diesen Figuren ist die Wellenlänge λ (ausgedrückt in nm) auf der Abszissenachse aufgetragen und die Lichtintensität I (ausgedrückt in arbiträrer Einheit) auf der Ordinatenachse.
Unter der Wirkung nur einer Drehung verschieben sich die Wellenlängen der Peaks der Bragg-Gitter in entgegengesetzter Richtung, denn eines der Gitter ist verlängert und das andere verkürzt (4, wo die Drehung ungefähr 1,5° beträgt).
Unter der Wirkung einer Temperaturveränderung verschieben sich die Wellenlängen der Peaks der Bragg-Gitter in derselben Richtung (5, wo die Temperatur sich um ungefähr 50°C ändert).
Unter der kombinierten Wirkung der Drehung und der Temperaturänderung ermöglicht die differentielle Montage, die Änderung zu kompensieren (6).
Die Darstellung dieser Temperaturkompensation kann mit Hilfe von Kennlinien des Inklinometers sichtbar gemacht werden (ε ausgedrückt in μm/m in Abhängigkeit von α, ausgedrückt in Grad).
Die Kurven entstehen mit zwei Temperaturen, nämlich 22°C und 40°C.
In dem linken Teil der 7 reagieren die beiden Gitter bei 22°C mit entgegengesetzten Neigungen (Kurven I in II). In dem rechten Teil der 7 ist die Temperatur auf 40°C gestiegen und erzeugt eine Verschiebung der beiden Kurven. Die Reaktion des Inklinometers, wo die Wirkung der Temperatur korrigiert worden ist, entspricht der Kurve III.
Die 8 stellt schematisch ein Beispiel eines Messsystems mit sechs Bragg-Messgittern R₁, R₂ ... R₆ dar.
Man sieht auch eine optische Quelle SO und ein Spektralanalysesystem SA, die über einen optischen Koppler CO verbunden sind, einerseits durch eine optische Messfaser Fm, in der die Bragg-Messgitter R₁ bis R₆ photoinduziert sind, und andererseits mit einer optischen Bezugsfaser Fr, in der die beiden Bragg-Bezugsgitter Rr₁ und Rr₂ photoinduziert sind.
Die Spektralanalyse des durch die genannten Bragg-Gitter reflektierten Lichts kann nach zwei Methoden erfolgen. Die Erste, Reflexionsmethode genannt, besteht darin, eine zur Quelle retro-reflektierte Spektrallinie zu detektieren. Die Zweite, Transmissionsmethode genannt, besteht dann, in dem transmittierten Licht eine schwarze Linie zu finden. Die bevorzugte Methode ist die Reflexionsmethode. Sie ermöglicht im Falle des Reißens der Faser außerdem, die Gesamtheit der Spektralinformation wiederherzustellen, vorausgesetzt es ist eine Abfrage an beiden Enden der Faser vorgesehen, entweder mit Hilfe eines Lichtleitfaserschalters, der abwechselnd das Messsystem mit jedem der Enden verbindet, oder mit Hilfe der beiden abwechselnd funktionierenden Messsysteme.
Wir kehren zurück zu der 8. Die Bragg-Linien der beiden Bezugsgitter werden im Voraus gemessen: ihr Spektralabstand legt den Maßstabsfaktor des Messsystems fest. Es genügt, diesen selben Maßstabsfaktor auf die durch die Faser oder den Messzweig erfassten Spektren anzuwenden, um durch einen einfachen Dreisatz die jedem der Messgitter R₁ bis R₆ zugeordneten Wellenlängen wiederzufinden.
In der 9 sieht man ein System zur Messung von Neigungsänderungen, welches das Inklinometer der 1 (oder der 3) inkorporiert. Dieses System umfasst Messeinrichtungen 52, die ermöglichen, die Bragg-Gitter "abzufragen" und die Neigungsänderungen zu messen.
Diese Messeinrichtungen 52 sind vorgesehen, um ein Lichtspektrum in die optische Faser 18 einzuspeisen, das wenigstens die unterschiedlichen Wellenlängen λ₁ und λ₂.
Unter der Wirkung einer Neigungsänderung modifiziert jedes der Bragg-Gitter 24 und 26 die Wellenlänge der Lichter, die es jeweils reflektiert und die dann durch die optische Faser zu den Messeinrichtungen 52 zurückkehren.
Die Neigungsänderung wird von diesen Messeinrichtungen aufgrund der spektralen Veränderungen der derart modifizierten Lichter bestimmt.
In dem in der 9 dargestellten Beispiel sind die Messeinrichtungen 52 mit der optischen Faser durch einen optischen Schalter 54 verbunden, der ermöglicht, die Abfrage der Bragg-Gitter umzukehren (Senden und Empfangen von Lichtern), wobei diese Abfrage alternativ durch eine Seite 56 der optischen Faser und dann durch die andere Seite 58 dieser Faser stattfindet usw., was ermöglicht, die gesamte nützliche Spektralinformation wiederherzustellen, auch im Falle eines Reißens der optischen Faser an egal welcher Stelle.
Bei einer einfacheren Realisierungsart (10) fragt man die Bragg-Gitter auf einer einzigen Seite der optischen Faser 18 ab, wobei die andere Seite frei bleibt.
Bei einer weiteren Realisierungsart (11) speist man Lichter auf einer Seite in die optische Faser 18 ein und empfängt die eventuell modifizierten Lichter auf der anderen Seite der optischen Faser wieder, um die Neigungsänderungen zu messen.
In der 12 sieht man ein System zum Messen der Neigungsänderungen in verschiedenen Zonen. Dieses System umfasst mehrere erfindungsgemäße Inklinometer 60, 62 und 64 (zum Beispiel nach Art desjenigen der 1), die jeweils in diesen verschiedenen Zonen angeordnet sind. Zudem sind alle diese Inklinometer durch eine selbe optische Faser 18 in Serie verbunden.
die 13 ist eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Inklinometers, aber ohne Temperaturkompensation. Dieses Inklinometer ist identisch mit dem Inklinometer der 1 (oder 3), außer dass es nur ein Bragg-Gitter in dem Faserteil 20 umfasst, nämlich das Bragg-Gitter 24, und kein Bragg-Gitter in dem Faserteil 22. Ein solches Inklinometer ist an Orten verwendbar, wo die Temperatur im Wesentlichen konstant ist, zum Beispiel in Bergwerken.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Inklinometer ist schematisch in der 14 dargestellt. Es handelt sich um eine Perfektionierung des Inklinometers der 1, die dazu bestimmt ist, Neigungsänderungen zu messen, die durch zwei Schwenkwinkel definiert werden (anstatt eines einzigen wie im Falle der 1).
Dazu umfasst das Gelenk 8 des Inklinometers der 14 ein Kugelgelenk 66 (oder eine Aufhängung des kardanischen Typs). Zudem umfasst dieses Inklinometer nicht zwei sondern vier Lichtleitfaserteile 68, 70, 72 und 74, von denen jedes einer Vorspannung ausgesetzt ist und jedes vier photoinduzierte Bragg-Gitter 76, 78, 80 und 82 umfasst.
Die Faserteile 68 bis 74 gehören wieder zu derselben optischen Faser 18.
In einer Querschnittansicht bilden diese vier Faserteile die Ecken eines Quadrats. Man definiert also zwei senkrechte Ebenen, wobei jede Ebene zwei Bragg-Gitter enthält, die einander zugeordnet sind. In dem dargestellten Beispiel sind die Bragg-Gitter 76 und 78 einander zugeordnet und die Bragg-Gitter 80 und 82 sind einander zugeordnet.
Um die Neigungsänderungsmessungen zu machen, benutzt man vier Lichter unterschiedlicher Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃ und λ₄, die man in die optische Faser 18 einspeist und die jeweils den Bragg-Gittern 76, 78, 80 und 82 zugeordnet sind.
In dem Fall, wo kein Bedarf einer Temperaturkompensation besteht (zum Beispiel in einem Bergwerk), wird ein der 14 entsprechendes, aber nicht die Bragg-Gitter 78 und 82 umfassendes Inklinometer verwendet.
Das Inklinometer der 15 ist eine Perfektionierung desjenigen der 14, wieder mit dem Kugelgelenk 66 aber nur drei Lichtleitfaserteilen 84, 86 und 88, von denen jedes einer Vorspannung ausgesetzt ist und in denen jeweils drei Bragg-Gitter 90, 92 und 94 photoinduziert werden.
In einer Querschnittansicht bilden diese drei Faserteile die Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks.
Um die Neigungsänderungen mit dem Inklinometer der 15 durchzuführen, benutzt man drei Lichter unterschiedlicher Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ die man in die optische Faser 18 einspeist (zu der die Faserteile 84, 86 und 88 gehören) und die jeweils den Bragg-Gittern 90, 92 und 94 zugeordnet sind.
Gewiss kennt man durch den Artikel von M. G. Xu et al., Inst. J. of Optoelectronics, 1994, Vol. 9, Nr. 3, Seiten 281 bis 283, eine thermisch kompensierte Biegungsmessvorrichtung, die dazu ein Paar Bragg-Gitter benutzt. Diese Letzteren sind jeweils in zwei Lichtleitfaserteilen ausgebildet. Diese Faserteile sind jeweils auf die obere und untere Seite eines Auslegerträgers geklebt.
Dieses Dokument betrifft nicht die Inklinometer. Zudem können die jeweiligen Positionen der Bragg-Gitter nach der Klebung, die eine doppelte Klebungsoperation mit all ihren Mängeln ist, nicht die präzise Symmetrie aufweisen, die für eine genaue Differentialmessung nötig ist, was zu Problemen bei den Messungen um den Nullpunkt herum führt. Festzustellen ist, dass bei der vorliegenden Erfindung kein Lichtleitfaserteil, in dem ein Bragg-Gitter ausgebildet wird, in Höhe dieses Gitter festgeklebt ist: jedes dieser Faserteile wird an seinen beiden Enden befestigt, nachdem in Spannung versetzt wurde.

Claims

Inklinometer, bestimmt zur Messung einer Neigungsänderung einer Struktur, wobei dieses Inklinometer dadurch gekennzeichnet ist, dass es umfasst: – einen oberen Teil (4), der starr mit der Struktur verbunden ist, so dass die Neigung dieses oberen Teils sich wie diejenige der Struktur ändert, – einen unteren Teil (6), der sich unter dem oberen Teils befindet, – ein den unteren und oberen Teil verbindendes Gelenk (8), wobei der untere Teil ein an dem oberen Teil mittels dieses Gelenks frei aufgehängtes Pendel bildet, – wenigstens zwei Lichtleitfaser-Teilstücke (20, 22; 68, 70, 72, 74; 84, 86, 88), auf beiden Seiten des Gelenks befindlich, wobei jedes Lichtleitfaser-Teilstück ein erstes und zweites Ende hat, jeweils befestigt an dem unteren beziehungsweise oberen Teil und vorher zwischen diesem unteren und oberen Teil in Spannung versetzt, und – wenigstens ein Bragg-Gitter (24, 26; 76, 78, 80, 82; 90, 92, 94), wobei dieses Bragg-Gitter in einem der beiden Lichtleitfaser-Teilstücke gebildet wird, und da jede Neigungsänderung der Struktur eine Rotation des oberen Teils in Bezug auf den unteren Teil bewirkt und in dem Bragg-Gitter eine mechanische Spannung induziert, ist dieses Bragg-Gitter dann fähig, ein Licht zu modifizieren, das sich in dem Lichtleitfaser-Teilstück ausbreitet, wo sich das Bragg-Gitter befindet, wobei die Neigungsänderung der Struktur aufgrund des derart modifizierten Lichts bestimmt wird.
Inklinometer nach Anspruch 1 mit wenigstens zwei Bragg-Gittern (24, 26), wobei diese beiden Bragg-Gitter jeweils in beiden Lichtleitfaser-Teilstücken gebildet werden, die folglich bei einer Neigungsänderung der Struktur jeweils einer Zugspannung und einer Druckspannung ausgesetzt sind, so dass diese Bragg-Gitter eine differentielle Wellenlängenmessung ermöglichen und das Inklinometer dann für Umgebungstemperatur- und -druckveränderungen unempfindlich ist.
Inklinometer nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem das Gelenk (8) des unteren und oberen Teils eine Rotationsachse (14) umfasst, dazu bestimmt, während der Neigungsänderungsmessung horizontal ausgerichtet zu sein.
Inklinometer nach Anspruch 1, bei dem das Gelenk (8) des unteren und oberen Teils wenigstens zwei Freiheitsgrade hat, wobei dieses Inklinometer wenigstens drei Lichtleitfaser-Teilstücke (68, 70, 72, 74; 84, 86, 88) umfasst, in Spannung versetzt und um dieses Gelenk herum angeordnet, und wenigstens zwei Bragg-Gitter (76, 78, 80, 82; 90, 92, 94), wobei diese beiden Bragg-Gitter jeweils in zwei der drei Lichtleitfaser-Teilstücke gebildet werden und der Inklinometer dann vorgesehen ist, eine durch zwei Rotationswinkel definierbare Neigungsänderung zu messen.
Inklinometer nach Anspruch 4, bei dem in dem dritten Lichtleitfaser-Teilstück ein drittes Bragg-Gitter gebildet wird, um eine der Kompensation des Temperatureffekts dienende dritte Messung zu erhalten.
Inklinometer nach einem der Ansprüche 4 und 5, bei dem die drei Lichtleitfaser-Teilstücke um das Gelenk herum um 120° gegeneinander versetzt sind.
Inklinometer nach Anspruch 4, vier Lichtleitfaser-Teilstücke (68, 70, 72, 74), in Spannung versetzt und um das Gelenk herum um 90° gegeneinander versetzt, und wenigstens zwei Bragg-Gitter (76, 78, 80, 82) umfassend, wobei diese beiden Bragg-Gitter in jeweils zwei der vier Lichtleitfaser-Teilstücke gebildet werden und ermöglichen, jeweils die beiden Winkel zu messen.
Inklinometer nach Anspruch 7 mit vier Bragg-Gittern (76, 78, 80, 82), die jeweils in den vier Lichtleitfaser-Teilstücken gebildet werden, wobei jedes Bragg-Gitter durch das Gelenk mit dem ihm gegenüberstehenden Bragg-Gitter verbunden ist und diese verbundenen Bragg-Gitter eine differentielle Wellenlängenmessung ermöglichen, wobei das Inklinometer dann für die Umgebungstemperatur- und -druckbedingungen unempfindlich ist.
Inklinometer nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem das Gelenk ein Kugelgelenk oder eine kardanische Aufhängung (66) umfasst.
Inklinometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer einzigen Lichtleitfaser (18), zu der jedes Lichtleitfaser-Teilstück gehört.
Inklinometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei dieses Inklinometer durch wenigstens eines der Enden der Faser, in der das oder die Bragg-Gitter gebildet wird oder werden, durch Reflexion abgefragt wird.
Inklinometer, eine Vielzahl von Inklinometern (60, 62, 64) nach Anspruch 10 umfassend, wobei diese Inklinometer mittels der optischen Faser (18) in Reihe geschaltet sind.