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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft optische Verschiebungswandler und
wurde entwickelt unter besonderer Beachtung der möglichen
Ausführungen durch
polymere Glasfaserleiter (POF) mit dem Hauptziel zur Anwendungen
wie Monitorrissöffnungen
und Entwicklung und Messung von Verschiebungen in elektromagnetisch
lauten oder hochgradig entzündbaren
Umgebungen.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Optische
Verschiebungswandler, welche optische Glasfaserleiter nutzen, sind
aus dem Stand der Technik bekannt.
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Optische
Verschiebungswandler auf Grundlage von optischen Fasern weisen mehrere
Vorteile auf, wie leichtes Gewicht, minimale Invasivität und Immunität gegenüber elektromagnetischen
Interferenzen. Die letzte Eigenschaft ist besonders interessant,
da sie die Anwendung in kritischen Umgebungen erlaubt, wie elektromagnetisch
lauten industriellen Vorgaben, und Bereichen von leicht entzündbaren
Materialien und Strukturen, welche elektrostatischen Entladungen
während
Gewittern ausgesetzt sind. Von großer Wichtigkeit ist ebenso
die minimale Invasivität,
besonders in dem Fall der Überwachung großer Gebäude, in
denen die gesamte Messausrüstung
so versteckt wie möglich
sein muss. Dies ist erreichbar Dank der verringerten Größe der Faser
und aufgrund der Verwendung derselben Faser sowohl zum Messen auch
zur Datenübertragung,
was demnach die Positionierung der steuernden elektronischen Ausrüstung an
einem entfernten Ort erlaubt.
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Solche
Wandler basieren im Allgemeinen auf dem Prinzip des so genannten
Gravel-Wandlers, der zwei optische Fasern einschließt, wobei
jede so geschnitten ist, dass sie Stirnflächen aufweist, die im Wesentlichen
senkrecht zu einer Achse sind, und mit einem schmalen Spalt zwischen
den Stirnflächen
der Fasern angeordnet sind. Eine Faser ist befestigt, um z. B. ihre
Stirnfläche
stationär
zu halten, während
die andere abgeschrägt
ist, um eine Verschiebung ihrer Stirnfläche zu erlauben. Wenn die Faserachsen
auf einer gemeinsamen geraden Linie liegen, wird sich Licht, welches
sich in einer Faser fortpflanzt, mit der maximalen Intensität in die
andere Faser einkoppeln.
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Ein
Anwendungsbeispiel einer solchen Anordnung zur Messung von Verschiebungen
ist in dem
US-Patent Nr. 4 293
188 offenbart, in welchem ein opto-elektronischer Wandler bereitgestellt
ist, der geeignet ist zur Konvertierung kleiner Verschiebungen in
optische Intensität
oder Phasenvariationen, welche dann in variable elektrische Ströme konvertiert werden
können.
Eine erste optische Faserführung
ist z. B. an ihrer Stirnfläche
stationär
angeordnet, während
eine zweite optische Faserführung
so angeordnet ist, dass ihr freies Ende lateral von der Achse der ersten
Führung
versetzt sein kann im Verhältnis
des zu messenden Parameters. Optische Multimode-Glasfasern werden
verwendet. Die gegenüberliegenden
Seiten der zusammenwirkenden Fasern werden ausgestattet mit oder
werden verwendet zur Beleuchtung regelmäßiger Felder gleichmäßig beabstandeter
opaker, absorptiver oder reflektiver Gittersysteme, welche eine
Intensitäts-
oder Phasenmodulation der sich fortpflanzenden Lichtenergie in Abhängigkeit
der Wellenlängenablenkung
bereitstellen.
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Ein ähnlicher
Wandler ist auch in der japanischen Veröffentlichung
JP8285709 offenbart.
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Jedoch
erlauben solche Wandler, auf der Grundlage einer radialen Verschiebungsdetektion, nur
die Messung von Versetzungen bis zur Faserkernabmessung, da die
empfangene Leistung auf Null zugeht, sobald die zwei Fasern nicht
länger
ausgerichtet sind. Dies bedeutet, dass sogar die Verwendung kommerzieller
Multimode-Glasfasern mit einem Kerndurchmesser von ungefähr 50 Mikrometern
solchen Wandler nur die Messung von maximalen Verschiebungen von
ungefähr
50 Mikrometern erlaubt.
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Um
solch eine Beschränkung
zu überwinden ist
es notwendig, teurere Faserbündel
zu verwenden.
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Das
Dokument
DE 42 23 625
A1 offenbart ein Messsystem, welches auf dem Fabry-Perrot-Leerstellenprinzip
basiert, d. h. eine interferrometrische Messung der Entfernung.
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Das
Dokument
EP-A 0 623
803 offenbart eine Anordnung zur optischen Messung von
Entfernungen durch eine Reflektionsanordnung in Umgebungen, in denen
ein Medium in einem optischen Pfad des Verschiebungssensors Veränderungen
des Brechungsindex und/oder der optischen Durchlässigkeit unterworfen sein kann.
In solchen Anordnungen wird Licht von einer ersten Faser durch eine
Messfaser gesammelt. Die Intensität des durch die Messfaser empfangenen
Lichts ist eine Funktion der Abtrennung der zwei Fasern, wobei die
erste Faser gestaltet sein muss, um als die Messfasern zu wirken
durch Reflexion des Lichts von einem Reflektor, so dass das Licht
in die Faser zurückkehrt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer verbesserten
Anordnung, welche die Messung von Verschiebungen auf eine kostengünstige Art
erlaubt, welche die Faserkerndimension überschreitet.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung ist das Ziel erreicht mittels eines Wandlers
mit den Merkmalen, die in den folgenden Ansprüchen dargelegt sind. Die Erfindung
betrifft ebenso ein entsprechendes Verschiebungsmesssystem, wie
auch ein entsprechendes Verschiebungsdetektionsverfahren.
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Kurz
gesagt, bietet die angebotene Anordnung ein Verschiebungsmesssystem,
welches um einen günstigen
faseroptischen Wandler gebaut ist, welcher mit einer elektronischen
Schaltung zur Signalaufbereitung und Ausarbeitung verbunden ist.
Der Wandler wandelt die Messung einer Verschiebung in eine Messung
einer Variation des Stroms oder der Spannung um, unter Verwendung
der Variation des Fotostroms, welcher an dem Ausgang des faseroptischen
Systems durch Verbindungsabschwächung detektiert
wird. Um die Verbindungsabschwächung zu
steuern, werden zwei optische Fasern so ausgerichtet, dass sie durch
einen schmalen Luftspalt gekoppelt sind, und ihren Abstand erhöhen können, wobei
sie sich entlang ihrer Achsen bewegen und die optische Kopplung
beibehalten. Alternativ kann ein Brechungs-Setup ebenso verwendet
werden, indem die zweite Faser auf derselben Seite der Spalte angeordnet
ist wie die erste Faser, und in einen Empfangsaufbau eingeschlossen
ist, der eine reflektierende Oberfläche auf der anderen Seite des
Spaltes umfasst und leitende Mittel oder ablenkende Mittel, um die
Kopplung mit der zweiten optischen Faser zu perfektionieren. In
einer Variante eines solchen Reflexionsaufbaus kann nur eine Faser
zur Übertragung und
zum Empfang verwendet werden, unter Verwendung eines geeigneten
Kopplungsgeräts.
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Dies
erlaubt die Messung von Verschiebungen im Bereich des Vielfachen
der Faserkernabmessung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Verwendung von polymeroptischen Fasern (POF)
mit großem
Kerndurchmesser und einer großen
numerischen Öffnung
vorgesehen.
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Die
extrem niedrigen Kosten der vorgeschlagenen Anordnung erlaubt ebenso
multiaxiale Wandler oder simultanes Überwachen von mehreren Verschiebungen
durch einfaches mehrfaches Nachbilden des Grundwandlers.
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Die
Lichtquellen und Detektoren für
den Betrieb des Wandlers sind serienmäßige LEDs und Fotodioden, während die
Ausarbeitung durch einen einfachen PC durchgeführt werden kann, welcher mit
einer digitalisierenden Karte (DAQ) durch einen leisen Mehrfachkanalverstärker ausgestattet
ist, entsprechend einem weiteren erfinderischen Aspekt der vorgeschlagenen
Anordnung. Die elektrische Bandbreite jedes Kanals des Verstärkers ist
beschränkt
in Abhängigkeit
von der speziellen Messanwendung, um das Rauschen zu reduzieren.
Demnach kann der gesamte Aufbau leicht angepasst werden, um Vibrationen
bis zu einigen kHz für
verschiedene Anwendungen zu überwachen,
ohne eine bedeutende Verschlechterung der Leistungsfähigkeit.
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Kurze Beschreibung der beigefügten Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nun rein als Beispiel beschrieben mit Bezug zu den
beigefügten
Abbildungen von Zeichnungen, in denen:
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1 ein
Grunddiagramm eines optischen Verschiebungswandlers entsprechend
der Erfindung zeigt,
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2 ein
Detail des optischen Verschiebungswandlers von 1 zeigt,
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3 ein
schematisches Diagramm eines Messsystems zeigt, welches den optischen
Verschiebungswandler von 1 einschließt, und
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4 ein
Diagramm zeigt, welches einer Variation einer empfangenen Leistung
als eine Funktion der Verschiebung in dem Messsystem von 3 darstellt;
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5 ein
Diagramm zeigt, welches den Einfluss der Temperatur auf die Leistungsfähigkeit
des Messsystems von 3 zeigt;
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6 ein
schematisches Diagramm zeigt, welches ein Mehrfachsensor-Messsystem auf Grundlage
des Messsystems von 3 zeigt;
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7 ein
Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform
des optischen Wandlers entsprechend der Erfindung zeigt;
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8 ein
Diagramm zeigt, welches repräsentativ
ist für
die Ansprechempfindlichkeit des Wandlers von 7;
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9 ein
Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform
des optischen Wandlers entsprechend der Erfindung zeigt;
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10 ein
Diagramm zeigt, das repräsentativ
ist für
das Verhalten des optischen Wandlers entsprechend der Erfindung
in einem Vibrationsmessaufbau.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
ein Basisdiagramm eines optischen Verschiebungsumwandlungselements
entsprechend der Erfindung.
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Solch
ein Verschiebungsumwandlungselement, als Ganzes mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet,
schließt
eine erste optische Faser 11 und eine zweite optische Faser 12 ein.
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Die
erste optische Faser 11 ist geschnitten, um eine erste
Stirnfläche 13 aufzuweisen,
die im Wesentlichen senkrecht zu einer Achse 15 steht.
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Die
zweite optische Faser 12 ist geschnitten, um eine zweite
Stirnfläche 14 aufzuweisen,
die im Wesentlichen senkrecht zu solch einer Achse 15 ist und
so positioniert, um der ersten Stirnfläche 13 gegenüberzustehen.
Die erste Stirnfläche 13 und
die zweite Stirnfläche 14 sind
demnach entlang der Achse 15 ausgerichtet, und durch einen
Luftspalt 16 geteilt. Mit dem Bezugszeichen d ist eine
Verschiebungslänge
zwischen der ersten Stirnfläche 13 und der
zweiten Stirnfläche 14 über dem
Spalt 16 bezeichnet.
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Die
erste Faser 11 und die zweite Faser 12 sind an
zwei Gegenständen
befestigt oder allgemeiner an zwei Punkten, welche relativ verschiebbar sind
in Bezug zueinander mit zumindest einer Komponente einer solchen
Verschiebung, die entlang der Achse 15 liegt, und deren
relative Verschiebung zu detektieren ist. Solche zwei Gegenstände oder
Punkte sind in 1 nicht gezeigt. Zum Beispiel
in einer typischen Anwendung im Hoch- und Tiefbau können die
zwei Stirnflächen 13 und 14 des
Verschiebungselements 10 an den zwei Seiten eines Risses
in einer Wand befestigt sein.
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In 2 ist
ein Detail des Verschiebungselements 10 gezeigt, aus welchem
es ersichtlich ist, dass die erste Stirnfläche 13 der ersten
optischen Faser 11 und die zweite Stirnfläche 14 der
zweite optischen Faser 12 in eine passende Hülse 17 eingefügt sind,
welche die gesamte Länge
des Spaltes 16 umfasst. Solch eine Hülse 17 bietet eine
Führungsbewegung
entlang der axialen Richtung und bietet ebenso einen Schutz gegen
Staub und unerwünschtes
Licht, welches aus der Umgebung kommt.
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In 3 ist
ein Verschiebungswandler gezeigt, der als Ganzes mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet
ist, welcher das Verschiebungselement 10 einschließt.
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Mit
dem Bezugszeichen 21 ist eine erste Licht emittierende
Diode (LED) vollständig
mit einem entsprechenden Leistungsgenerator gezeigt. Solch eine
LED 21 ist als eine Lichtquelle mit den anderen Ende verbunden
mit Bezug zu der ersten Stirnfläche 13 der
ersten optischen Faser 11. Das Licht wird durch die erste
optische Faser 11 und den Spalt 16 übertragen,
und erreicht die zweite Stirnfläche 14 der zweiten
optischen Faser 12, welche koaxial entlang der Achse 15 positio niert
ist. Ein Fotodetektor 22 ist an dem anderen Ende der zweiten
optischen Faser 12 angeordnet, und misst die Intensität des Lichts, welche
durch den gesamten Wandler 20 übertragen wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
für die
erste optische Faser 11 und die zweite optische Faser 12 werden
kommerzielle PMMA-Schrittindex polymeroptische Fasern (POF) mit
einem Kerndurchmesser von 980 nm verwendet. Auch andere, von PMMA
unterschiedliche POF können
verwendet werden. Die Auswahl von POF bildet einen anderen erfinderischen
Aspekt der vorgeschlagenen Anordnung, da sie in Verbindung mit der
ersten optischen Faser 11 und der zweiten optischen Faser 12 die
Verwendung einer billigen LED 21 und einer Fotodiode 22 jeweils
als Lichtwandler und Empfänger
erlaubt. Insbesondere kann die LED 21 eine serienmäßige rot emittierende
LED oder eine grün
emittierende LED oder auch eine LED anderer Farbe sein. Die Auswahl der
Farbe wird durch die spektrale Abschwächungscharakteristik der besonderen
gewünschten
POF bestimmt.
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Die
LED 21 wird durch einen Stromgenerator gespeist, welcher
um einen kommerziell integrierten Spannungsregulierungsschaltkreis
gebaut ist. Der Fotodetektor 22 schließt eine Fotodiode gefolgt durch
einen leisen Verstärker
ein.
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Die
Ausgabe des Fotodetektors 22 kann in Abhängigkeit
von der Art des Verstärkers
entweder ein Strom oder eine Spannung sein.
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Die
Fasern des Wandlers werden automatisch ausgerichtet Dank der umhüllenden
Hülse 17,
in 2 gezeigt, so dass das Licht von der ersten optischen
Faser 11 an die optische Faser 12 durch den schmalen
Luftspalt 16 gekoppelt ist. Da das wandelnde Element 10 für relative
Bewegungen empfindlich ist, kann hier zur Vereinfachung vorgeschlagen
werden, dass die erste optische Faser 11 befestigt ist und
sich nur die zweite optische Faser 12 bewegt.
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Demnach
zusammenfassend arbeitet der optische Verschiebungswandler wie folgt.
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In
dem Fall einer Messung von Bewegungen, die die zweite optische Faser 12 zu
einer Verschiebung bringen, werden zu Beginn des Messablaufs die
zwei Faserstirnflächen 13 und 14 in
physikalischen Kontakt gebracht. Dies sichert die maximale Kopplung
des übertragenden
Lichts und demnach einen Maximalwert von Strom oder Spannung, die
in dem Fotodetektor 22 ausgelesen werden kann. Die Verschiebung
d in axialer Richtung der zweiten optischen Faser 12 verbreitert
den Spalt 16 und reduziert das durch die zweite optische
Faser 12 gesammelte Licht. Demnach wird die in die Fotodiode
in dem Fotodetektor 22 einfallende Lichtleistung entsprechend reduziert,
was den Strom oder die Spannung an der Ausgabe des Verstärkers verringert.
Diese Art einer Verschiebung wird in einen Strom oder eine Spannungsvariation
umgewandelt.
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Dasselbe
Verfahren, aber in anderer Richtung, kann auf den Fall einer Messung
einer Verschiebung angewandt werden, die die erste optische Faser 11 näher zu der
zweiten optischen Faser 12 bringt. In diesem Fall, zu Beginn
des Messablaufs, wird der Wandler 20 auf den maximalen
Messwert gesetzt, welcher die Verschiebung (d. h. minimaler Ausgabestrom
oder Spannung) betrifft, und dann der Spalt 16 verschmälert, während die
Verschiebung d zum Anstieg des Ausgabestroms oder der Spannung führt.
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Der
Vorteil einer Verwendung eines Wandlers auf Grundlage von Polymerfasern
ist ebenso der, dass es möglich
ist, Verschiebungen bis zu einigen Millimeter aufgrund ihres großen Durchmessers
(um 980 Mikrometer) und ihrer großen numerischen Öffnung (im
Bereich um einen 0,5-Wert) zu erfassen. Zum Beispiel würde dieselbe
Art von Wandler aus konventionellen Glasfasern, die einen Durchmesser von
ca. 9 Mikrometer und eine numerische Öffnung von 0,2 aufweisen, einen
nützlichen
Bereich von nur einem Zehntel Mikron haben, und daneben deutlich teurere
Laser benötigen
und Ausrichtungen der Kollektoren, die mecha nisch deutlich präziser sein
müssen.
In dieser Hinsicht muss ebenso beachtet werden, dass POF-Fasern
bei Faserschneiden und -verbinden Arbeitsabläufen einfacher zu handhaben sind.
Dies ist besonders relevant, wenn die Notwendigkeit zur Platzierung
vieler Sensoren besteht, d. h. viele Schneid-, Verbindungs- und Ausrichtungsschritte
nötig sind.
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Die
typische Antwort des Wandlers, d. h. die Variation der relativen
Leistung P gekoppelt in der zweiten optischen Faser 12 mit
der Verschiebung d zwischen den zwei Faserspitzen ist in 4 gezeigt.
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In 6 ist
ein Messsystem 30 gezeigt, welches zur Überwachung von Rissen geeignet
ist, in welchem eine Vielzahl von Wandlungselementen 10 in
Abhängigkeit
der jeweiligen Risse 40 positioniert werden.
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Jedes
der Umwandlungselemente 10 empfängt durch eine jeweilige erste
optische Faser 11 Licht aus einer jeweiligen LED 21 in
einem Senderblock 34 und überträgt das Licht durch eine jeweilige zweite
optische Faser 12 zu einem jeweiligen Fotodetektor 22 in
einem Empfänger 35.
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Die
LEDs 21 sind in Serie mit dem Sender 34 geschaltet
um mit demselben Strom angetrieben zu werden, und weisen dieselben
Restschwankungen und dasselbe thermische Verhalten auf, während der Empfänger 35 in
diesem Fall einen Mehrkanal-Fotodetektor mit mindestens drei Kanälen darstellt.
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Der
Block 31 stellt eine PC dar, der mit einer kommerziellen
digitalen Erfassungsplatte DAQ 32 verbunden ist. Der Ausgabestrom
(oder die Spannung) von den Fotodetektoren 22 wird durch
die DAQ 32 zum PC 31 gesendet.
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Geeignete
Softwareprogramme, die in dem PC 31 geladen sind, können dann
die Messergebnisse auswerten, die Variationen der Positionen über der
Zeit darstellen und eine Warnung ausgeben, wenn der Messwert einen
vorher festgelegten Schwellwert überschreitet.
Die DAQ 32 weist eine Vielzahl von Kanälen auf, welche geeignet sind
zum Empfangen der Signale aus der Vielzahl von Umwandlungselementen 10,
um gleichzeitig mehrere Verschiebungen zu beobachten, oder um ein
mehraxiales Messsystem zu erhalten.
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In
solchen Kanälen
wird die benötigte
elektrische Bandbreite zur Überwachung
beachtet und die Bandbreite eines Verstärkers wird dementsprechend beschränkt, um
das Rauschen zu reduzieren. Tatsächlich
kann eine Rissüberwachung
bei niedrigen Frequenzen durchgeführt werden, so dass es möglich ist,
das hochfrequente Rauschen durch eine geeignete Auswahl der Bandbreite
abzuschneiden. Der gesamte Aufbau kann einfach angepasst werden,
um Vibrationen bis zu einigen kHz für verschiedene Anwendungen
ohne eine deutliche Verschlechterung der Leistungsfähigkeit
zu überwachen.
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Die
Zunahme der Auflösung
des Messsystems ist nötig,
um den gemessenen Wert für
die Fluktuationen der Lichtquelle zu kompensieren, d. h. der LED.
In der vorgeschlagenen Ausführungsform
wird dies erreicht durch Bezeichnen eines der Kanäle der DAQ
zur Messung der Ausgabe einer weiteren Fotodiode, die direkt an
einer Referenz-LED derselben Art der LED 21 befestigt ist,
die zur Zufuhr des Wandlungselements 10 verwendet wird
und in Serie geschaltet ist mit solch einer LED 21, um
denselben Bias-Punkt und dieselben Reststromfluktuationen durchzumachen.
Durch diese Anordnung wird bevorzugt die Notwendigkeit einer Kopplung
vermieden, die im Vergleich mit den Gesamtkosten der Sensoren sehr
teuer ist, und zu einem hohen Eingabeverlust führt.
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Ein
anderer Kanal der DAQ 32 ist bestimmt zum Empfang der Umgebungstemperatur
aus einem günstigen
kommerziellen integrierten elektronischen Temperatursensor 33,
z. B. ein TMP 35 aus Analoggeräten, die eine Kompensation
der Temperatureffekte erlauben, unter der Voraussetzung, dass die verschiedenen
Wandlungselemente 10 grob bei derselben Temperatur liegen.
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Präzisere Kompensationen,
nicht nur für Temperatureffekte,
sondern auch für
Feuchtigkeit, unerwünschte
Spannungen, Alterung usw. können erhalten
werden durch Verbindung der Referenz-LED mit ihrer Fotodiode durch
eine nicht unterbrochene Referenzfaser, die parallel zu der überwachenden
Faser verläuft,
d. h. der ersten Faser 11 und der zweiten Faser 12.
Der Anwender hat das Verhalten des Messsystems 30 zur Rissüberwachung
in einer Klimakammer von –20
bis +60°C
bei verschiedenen Feuchtigkeitsgraden getestet, wobei die Abhängigkeit
der Temperatur von der Antwort des Wandlungselements 10 mit
der Temperatur gespeichert wurde, um Korrekturwerte für die Messungen
während
des normalen Betriebs zu erhalten. Nach der Korrektur der Temperatur
und der LED-Quellenvariationen
lagen die Restfluktuationen in der Verschiebung unter einigen Prozent.
Solch ein Wert kann adäquat
beachtet werden unter Beachtung der geringen Kosten der Ausrüstung. Ein
Beispiel der Ergebnisse ist in dem Diagramm in 5 gezeigt,
in dem die Variation des gemessenen Wertes für die Verschiebung d gegen
die Temperatur T gezeigt ist, von dem Zustand bei Raumtemperatur,
und vor und nach der Temperaturkompensation. In diesem Fall wurde die
erste optische Faser 11 weggezogen, um einen Spalt von
1 mm in Bezug der zweiten optischen Faser 12 zu bestimmen
und es wurde verifiziert, dass bei Raumtemperatur der Sensormesswert
für die Verschiebung
d 1 mm war. Solch ein Wert wurde als Nullwert in dem Diagramm von 5 genommen,
z. B. Nullvariation der Verschiebung. Durch Erhöhen der Temperatur T bis zu
50°C wurde
eine progressive fiktive Reduzierung der Verschiebung aufgrund der Variation
der Faserlänge
mit der Temperatur aufgezeichnet (durchgezogene Linie in 5).
Wie nach Anwendung der geeigneten Temperaturkompensation gesehen
werden kann, liegen die Restvariationen unter ±10 μm (gestrichelte Linie in 5).
Es sollte beachtet werden, dass dieser Wert der Auflösung des
verwendeten Umwandlers entspricht, und dies ebenso den Staircase-Aspekt
der Kurven in 5 erklärt.
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In 7 ist
eine weitere Ausführungsform des
optischen Verschiebungswandlers entsprechend der Erfindung gezeigt,
welcher als Ganzes durch das Bezugszeichen 50 bezeichnet
wird.
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Der
mit Bezug zu den 1 und 2 beschriebene
Verschiebungswandler basiert auf der Messung der übertragenen
Leistung durch einen Luftspalt, aber derselbe Wandler kann eingesetzt werden
unter Verwendung eines reflexionsbasierten Aufbaus. Diese Annäherung kann
das Verlegen des Sensors in einigen Anwendungsfällen erleichtern, da all die
Fasern auf derselben Seite der beweglichen Teile verbleiben werden.
Mit Bezug zu dem zuvor in Bezug zu den 1 und 2 beschriebenen
Aufbau weist die Ausführungsform
der 7 einen verringerten Verschiebungsmessbereich
auf, aber eine bessere Auflösung
aufgrund einer höheren
Abschwächung
pro Längeneinheit,
da das Licht sich zweimal in dem Luftspalt fortpflanzt, obwohl die
Dynamik durch die Fresnel-Reflexionen an der Faserstirnfläche beschränkt ist.
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Daher,
mit Bezug auf 7, ist der Wandler 50 der
LED 21 an eine erste optische Faser 51 gekoppelt,
welche an einem der zwei Punkte oder Teile befestigt ist, deren
relative Verschiebung d über
einen Spalt 56 gemessen werden soll, und entlang einer
Achse 55, die einer reflektierenden Oberfläche 61 gegenübersteht,
d. h. einem Spiegel, der an dem anderen beweglichen Teil oder Punkt
auf der anderen Seite des Spalts 56 zugeordnet ist.
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Das
von der reflektiven Oberflächen 61 reflektierte
Licht passiert demnach wieder durch den Spalt 56 entlang
der Achse 55 und wird wieder durch dieselbe optische Faser 51 gesammelt.
Dann wird das reflektierte Licht von dem einfallenden Licht in der
Faser 51 getrennt unter Verwendung einer direktionalen
Kupplung 62, und auf den Fotodetektor 22 durch
eine geeignete zweite Faser 52 gerichtet.
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Diese
Umsetzung ist mechanisch einfach und stabil aufgrund der Verwendung
einer direktionalen Kupplung, obwohl sie zu einem nicht unbeachtlichen
Einfügeverlust
führt.
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Der
reflexionsbasierte Aufbau, wie mit Bezug zu 7 beschrieben,
kann eine weitere Ausführungsform
für die
Empfangsseite aufweisen, wie in 9 gezeigt,
in der eine andere Faser zur Sammlung des reflektierten Lichts verwendet
wird.
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In
diesem Fall wird ein Wandler 70 gezeigt, in dem das Licht
von der LED 21 durch die Zufuhrfaser 71 entlang
einer Achse 75 und über
einen Spalt 76 an dem Spiegel 61 reflektiert wird,
und wieder durch die zweite Faser 72 gesammelt wird und
auf den Fotodetektor 22 gerichtet wird.
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Es
wird betont, dass streng genommen, die zweite optische Faser 72 in
diesem Fall nicht exakt auf derselben Achse 75 liegt, an
welcher die erste optische Faser 71 ausgerichtet ist, und
der Unterschied bezüglich
des optischen Pfades und der Breite des Spaltes 56 vernachlässigbar
ist. Weiterhin in diesem Fall, um die durch die zweite Faser 72 gesammelte Leistung
zu maximieren, wird eine geeignet gestaltete Linse 63 vorgesehen.
Es ist ebenso möglich,
eine gekrümmten
Spiegel als reflektierende Oberfläche 61 zu verwenden.
Das Wandlungselement 70 verhindert den übermäßigen Eingabeverlust in Verbindung mit
der direktionalen Kupplung 62.
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Der
mit Bezug zu den 7 und 9 beschriebene
Reflexionsaufbau ist ebenso geeignet zur Messung von Vibrationen
und zur Erhaltung eines Beschleunigungsmessers, wenn der Spiegel 61 auf einem
oszillierenden Mittel befestigt ist, wie ein Träger, der an der vibrierenden
Oberfläche
befestigt ist. In diesem Fall muss die Starrheit des Trägers und
die Masse des Spiegels geeignet gestaltet sein, um die gewünschte Dämpfung und
die gewünschte
Resonanzfrequenz zu erhalten. Diese Art von Wandler ist besonders
interessant für Überwachungsanwendungen
von monumentalen Strukturen, da sie die Erfassung von Vibrationen
erlaubt, ohne die in situ Bereitstellung von elektrischer Leistung
zu benötigen,
wie in kapazitiven Beschleunigungsmessern benötigt. Dies macht es unmöglich, Feuer
auszulösen.
Eine andere Anwendung kann in dem Gebiet der Einbruchserfassung
liegen.
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Der
Wandler kann miniaturisiert werden unter Verwendung der MEMS-Technologie: In diesem Fall
werden der Träger
und der Spiegel aus Silikon hergestellt und die Faser wird automatisch
ausgerichtet durch Ätzen
einer V-Nut in dem Substrat.
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Ein
Beispiel der typischen Antwort des Wandlers 50 ist in 8 gezeigt,
in dem die empfangene Leistung P über der Verschiebung d zwischen der
zuführenden
Faser 51 und der reflektierenden Oberfläche 61 gezeigt ist.
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Die
Dynamik ist durch die Fresnel-Reflexionen an der Faserstirnfläche beschränkt.
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Wie
schon erwähnt
kann der Aufbau zur Detektion von Vibrationen verwendet werden.
Ein Beispiel des Messwerts des Wandlers, wenn er Vibrationen unterliegt,
ist in 10 gezeigt, in dem ein solcher
Messwert in beliebigen Einheiten als eine Funktion der Zeit t gezeigt
ist.
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Der
vorgeschlagene Wandler, in seinen verschiedenen oben gezeigten Ausführungsformen,
ist intrinsisch uni-axial, aber ein Multiachsensensor kann einfach
erhalten werden durch Zusammengruppieren von zwei oder drei uni-axialen
Wandlern aufgrund ihrer geringen Kosten. Natürlich muss in diesem Fall auch
die elektronische Schaltung geeignet nachgebildet werden, in einer
Art ähnlich
zu dem, was für
das schematisch in 5 gezeigte System gezeigt wurde,
vorausgesetzt, dass die Wandlungselemente 10 entlang der
gewünschten
Achsen ausgerichtet sind. Als Beispiel im Fall eines Messsystems, welches
mit drei Achsen plus der Referenz arbeitet, sind vier in Reihe geschaltete
LEDs für
den Sender nötig.
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Gleichzeitig
muss an der Empfangsseite ein Vierkanal-Fotodetektorsystem verwendet
werden.
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Wie
erwähnt
liegt die Empfindlichkeit des Messsystems gegenwärtig um die 10 μm in einem nützlichen
Bereich bis zu 6 mm. Dieser Arbeitsbereich ist vergleichbar mit
anderen Arten kommerzieller Sensoren, wie diejenigen, welche auf
Bragg-Gittern basieren, und schon arbeiten, um Risse in Wänden zu überwachen.
Sollte die Anwendung jedoch einen ausgedehnten Bereich benötigen, kann
dies erreicht werden unter Verwendung höherqualitativer opto-elektronischer
Komponenten und/oder Rauschreduzierungsverfahren, wie die Log-in-Verstärkertechnologien
durch geeignetes Modulieren der Eingabe-LED 21. Es ist
wichtig zu bemerken, dass das vorgeschlagene Messsystem eine Präzision aufweist,
die nur leicht unterhalb von kommerziellen Systemen liegt, aber
eine viel einfachere Unterbrechungseinheit benötigt, und überhaupt sehr geringe Kosten
aufweist.
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Es
ist offensichtlich, dass, obwohl die vorgeschlagenen Wandler in
Zusammenarbeit mit einer Anwendung in der Überwachung von Rissen in Gebäuden entwickelt
wurde, entweder temporär
oder permanent, und insbesondere die Leistungen, die die maximale
Messweite und Auflösung
betreffen, in Bezug auf eine solche Rissüberwachungstätigkeit
definiert wurde, die geringen Kosten der Ausrüstung Anwendungen für eine breite Überwachung
von Gebäuden
in einer strukturellen Analyse Annäherung vorschlagen. Der Bereich
des Wandlers entsprechend der Erfindung umfasst auch die Messung
von Gewicht, Druck, Zug und im Allgemeinen von Kräften, ebenso
wie von niederfrequenten Oszillationen, vorausgesetzt, dass ein
geeigneter Mechanismus zur Umwandlung solcher Mengen eine Verschiebung
der optischen Fasern mit einem optischen Verschiebungswandler verbunden
ist, welcher zumindest eine erste optische Faser einschließt mit einer
ersten Stirnfläche,
welche im Wesentlichen entlang einer Achse ausgerichtet ist, und
einem schmalen Spalt zwischen der ersten Stirnfläche und einer zweiten Stirnfläche einer
Empfangsanordnung ausgerichtet ist, und zumindest eine Licht quelle
zur Übertragung an
die erste optische Faser gekoppelt ist, und zumindest ein Fotodetektor
zum Empfang der zweiten optischen Faser gekoppelt ist, wobei die
Stirnflächen
entlang der Achse und relativ in Bezug zueinander versetzbar sind.
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Folglich,
ohne Präjudiz
auf das zugrundeliegende Prinzip der Erfindung, können die
Details und Ausführungsformen
auch deutlich variieren in Bezug zu dem, was im Vorhergehenden beschrieben
wurde, rein als Beispiel, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen,
der in den folgenden Ansprüchen
definiert ist.
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Als
Beispiel können
die Verarbeitungsmittel, die auf das Signal wirken, welches durch
den Wandler bereitgestellt ist, ein PC sein, aber auch jede andere
Art von Mikrocontroller, der geeignet ist zur Verarbeitung einer
solchen Information. In diesem Zusammenhang kann ein Mikrocontroller
mit einer integrierten digitalen Empfangsplatte ausgewählt werden.