DE60312546T2

DE60312546T2 - Auf Biegung und Dehnung empfindlicher Schwingungssensor

Info

Publication number: DE60312546T2
Application number: DE60312546T
Authority: DE
Inventors: Roger Ian Qinetiq Limi Dorchester CRICKMORE; Sean Dormer Qinetiq Limi Dorchester THOMAS; Simon Qinetiq Limi Dorchester TANNER; David John Qinetiq Limi Dorchester HILL; Philip John Qinetiq Limi Dorchester NASH
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Optasense Holdings Ltd
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2023-11-05
Also published as: NO20052750D0; US20060109746A1; GB0226162D0; NO335630B1; EP1563323B1; NO20052750L; AU2003301836A1; AU2003301836A8; WO2004042425A8; WO2004042425A1; ATE357000T1; EP1563323A1; US7345953B2; DE60312546D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Feld der Schwingungsmessung, und insbesondere der Beschleunigungs- oder Erschütterungsmessung.
Gegenwärtige Schwingungsmeßgeräte und, insbesondere, Erschütterungssensoren, wie beispielsweise Geophone oder Beschleunigungsmesser, verwenden typischerweise elektronische Transducer, beispielsweise solche, die den piezo-elektrischen Umkehreffekt anwenden. Solche Geräte verwenden im allgemeinen einen Masse-Feder-Transducer, der in einem Gehäuse montiert ist, welches sich mit dem umgebenden Medium in unmittelbarem Kontakt befindet, in dem sich die Schwingungen ausbreiten. Diese Geräte benötigen eine bordseitige elektronische Schaltungsanordnung für die Eingabe. Diese Elektronik benötigt nicht nur Energie, die eventuell über lange Entfernungen übertragen werden muß, sondern sie muß auch verpackt sein, damit sie in einer höchst korrosiven, Schwingungs- und Hochdruckumgebung geschützt ist. Diese Anforderungen an eine Unterbringung in festen Baugruppen und die Energie führen zu sperrigen Installationen. Die Elektronik muß ferner höchst zuverlässig sein, so dass die Rückgewinnung der Sensorbaugruppe nicht erforderlich ist. Das bedeutet, dass die Elektronikbaugruppe entsprechend kostspielig ist.
Im allgemeinen werden auf dem Gebiet der Erschütterungsmessung mehrere Erschütterungsmeßgeräte zusammen in einem Feld verwendet; diese Felder sind es, die in der Erschütterungsmessung die sperrigste Ausrüstung haben. Eine Verringerung der Größe der einzelnen Meßgeräte ist daher auf diesem Gebiet von großer Bedeutung. einzelnen Meßgeräte ist daher auf diesem Gebiet von großer Bedeutung.
Ein weiteres Problem bei herkömmlichen elektronischen Beschleunigungsmessern, die den piezo-elektrischen Umkehreffekt in Anwendungen zur Erschütterungsmessung verwenden, die bei hohen Temperaturen arbeiten, ist, dass sie eine geringere Empfindlichkeit haben, wenn sich die Temperatur der Curie-Temperatur nähert. Diese Verringerung der Empfindlichkeit führt in Extremfällen zu einer Aufhebung des piezo-elektrischen Effekts und ist nicht reversibel.
Alternativen zu piezo-elektrischen Schwingungsmeßgeräten sind faseroptische Schwingungsmeßgeräte; diese haben den Vorteil, dass sie leicht sind, mit einer optischen Faser und nicht mit Kupferkabeln verbunden sind, und dass sie eine faseroptische Interferometriemeßtechnik anwenden, die hochempfindlich ist. Ferner sind sie bei Temperaturen bis zu mehreren hundert Grad widerstandsfähig und werden daher nicht durch Temperaturen beeinträchtigt, wie man sie bei Messungen ihn Bohrlöchern auf Ölfedern antreffen kann. Diese Geräte sind so ausgeführt, dass die optische Faser des Interferometers etwas gespannt wird. Das geschieht im allgemeinen, indem die optische Faser auf einem ein wenig flexiblen Dorn oder einem Scheibenaufbau aufgebracht wird. Bedauerlicherweise leiden diese Geräte darunter, dass sie wegen ihrer Größe relativ unempfindlich sind, wenn die Faser mit einem Effekt zweiter Ordnung gespannt wird. Zur Erzielung einer hohen Empfindlichkeit müssen die Geräte eine große Masse haben, typischerweise über 500 Gramm. Dadurch werden die Geräte nicht nur sperrig und schwer, sondern das schränkt auch den Frequenzbereich ein, in dem der Sensor verwendet werden kann. Ein Beispiel für faseroptische Beschleunigungsmesser mit einer gebogenen Scheibe ist unten angegeben.
US-A-5 317 929 offenbart einen faseroptischen Beschleunigungsmesser. Dieser Beschleunigungsmesser umfaßt zwei flexible Scheiben, die am Umfang eines starren zylindrischen Körpers montiert sind, wobei eine Masse auf einer Stange angeordnet ist, die sich zwischen den Scheiben erstreckt und zentral an beiden befestigt ist. Auf der unteren Seite der oberen Scheibe und der oberen Seite der unteren Scheibe ist eine optische Faser in einer Spirale angeordnet. Die optischen Fasern sind an einem Ende zugänglich und weisen am anderen Reflexionsabschnitte auf. Jede durch die Biegung der Scheiben verursachte Änderung der Länge der spiralförmigen optischen Fasern wird erfaßt und liefert, verursacht durch die physische Verschiebung, durch Stoß oder Schwingungen, eine Beschleunigungsanzeige.
Der relevante Stand der Technik ist in US 4 951 271 , US 5 212 670 , US 2 001 022 757 , CA 2 007 096 und WO 0 112 345 offenbart.
Schwingungsmeßgeräte, wie beispielsweise Beschleunigungsmesser, und insbesondere solche, wie sie in der Erschütterungsmessung verwendet werden, haben typischerweise den Zweck, Signale, wie die Beschleunigung in einer Richtung, zu messen, und unempfindlich gegen Signale in anderen Richtungen zu sein. Die Geräte vom Stand der Technik leiden unter den Problemen der Querachsenempfindlichkeit gegenüber Beschleunigungssignalen außerhalb dieser Achsen, was die erfaßten Ergebnisse dieser Beschleunigungsmesser beeinträchtigt. Viele Erschütterungsmeßgeräte vom Stand der Technik sind ferner unempfindlich und erfassen daher keine kleinen Schwingungen. In einem Versuch, die Empfindlichkeit zu erhöhen, enthalten einige Geräte große Massen, hierdurch aber sind die Gräte schwer und unhandlich. Es ist daher wünschenswert, einen Schwingungssensor zu erzeugen, der niedrige Schwellenwertpegel in einer Achsenorientierung und ein niedriges Ansprechverhalten außerhalb der Achsenrichtung hat.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Schwingungsmeßgerät angegeben, das umfaßt: einen auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper, welcher einen Querschnitt aufweist, der eine Hauptachse und eine kleinere Achse hat, wobei der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper derart betrieben werden kann, dass er sich unter Ansprechen auf eine empfangene Schwingungsenergie verformt und dabei eine Änderung einer vorgegebenen Eigenschaft, die dieser Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper aufweist, in Richtung einer der Achsen, der Hauptachse oder der kleineren Achse, erzeugt, wobei der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper so ausgebildet ist, dass die Änderung der vorgegebenen Eigenschaft in Richtung zur anderen Achse, der Hauptachse oder der kleineren Achse, verstärkt wird, und einen Sensor, welcher mit dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper gekoppelt und betrieben werden kann, die verstärkte Änderung zu erfassen, die die empfangene Schwingungsenergie anzeigt, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gerät ferner eine Masse umfaßt, die auf dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper derart montiert ist, dass die Schwingungsenergie die Beschleunigung der Masse bewirkt.
Die Verwendung eines auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers zum Empfang von Schwingungsenergie stellt ein System bereit, in dem eine durch Schwingung erzeugte Änderung einer Eigenschaft, empfangen vom auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper, von diesem verstärkt werden kann. Diese verstärkte Eigenschaft wird vom Sensor gemessen. Die Eigenschaften des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers sind derart, dass vergleichsweise kleine Körper und Massen verwendet werden können, weshalb er zur Verwendung in einem Feld geeignet ist. Es kann daher ein empfindliches und zweckmäßiges Meßgerät hergestellt werden. Es sind zwar akustische Sender bekannt, die das Prinzip Biegung und Dehnung zur Erzeugung von Schallwellen anwenden; jedoch sind diese Sender große, schwere Geräte, etwa einen Meter hoch, einen Meter lang und einen halben Meter breit, auch tragen sie zu ihrem Schutz schwere Metallstäbe. Werden sie ins Wasser gesetzt, sind sie oft so energiegeladen, dass das Wasser kocht. Der Fachmann, der einen kleinen, aber empfindlichen Schwingungsdetektor sucht, würde sie nicht in Betracht gezogen haben. Die Masse ermöglicht es, dass das Gerät als empfindlicher Beschleunigungsmesser betrieben wird.
In den bevorzugten Ausführungsformen ist die vorgegebene Eigenschaft Kraft, Schwingungsenergie, die längs der kleineren Achse empfangen wird und die Verformung des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers bewirkt, wobei eine Kraft längs der kleineren Achse einwirkt und eine verstärkte Kraft längs der Hauptachse einwirkt, wobei der Sensor mit dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper längs der Hauptachse gekoppelt ist, um die verstärkte Kraft zu erfassen.
Es wurde festgestellt, dass diese Anordnung, die eine Verstärkung der am Sensor zu erfassenden Schwingungsenergie bewirkt, die Empfindlichkeit des Sensors in signifikanter Weise erhöht.
In anderen Ausführungsformen ist die vorgegebene Eigenschaft die Verschiebung, Schwingungsenergie, die längs der Hauptachse empfangen wird und die Verschiebung des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers längs der Hauptachse und eine verstärkte Verschiebung längs der kleineren Achse bewirkt, wobei der Sensor mit dem auf Biegung und Dehnung empfindilchen Hohlkörper längs der kleineren Achse gekoppelt ist, um die verstärkte Verschiebung zu erfassen.
Obwohl ein äußeres Gehäuse nicht erforderlich ist, umfaßt das Schwingungsmeßgerät bevorzugt ein äußeres Gehäuse zur Unterbringung des Schwingungsmeßgerätes darin. Ein äußeres Gehäuse schützt das Schwingungsmeßgerät und kann ein Aufhängungssystem angeben, dass die Querachsenempfindlichkeit verringert. Das äußere Gehäuse kann abgedichtet und mit einem Dämpfungs-Fluid gefüllt sein, oder es kann zur äußeren Umgebung hin offen sein.
In einigen Ausführungsformen weist die kleinere Achse ein erstes und ein zweites Ende auf, wobei der Sensor längs der Hauptachse des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers montiert ist und die Masse auf dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper in der Nähe des ersten Endes der kleineren Achse montiert ist. Diese Anordnung bietet eine verstärkte Empfindlichkeit infolge der Masse und eine Verstärkung der Schwingungsenergie infolge der Anordnung des Sensors, somit wird ein besonders empfindliches Gerät erhalten.
Bei dieser Anordnung ist es bevorzugt, den auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper mit Hilfe einer Montageeinrichtung am äußeren Gehäuse anzubringen, wobei die Montageeinrichtung einen Abschnitt des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers in der Nähe des zweiten Endes der kleineren Achse mit dem Gehäuse verbindet.
In anderen Ausführungsformen hat die Hauptachse ein erstes und ein zweites Ende, wobei der Sensor längs der kleineren Achse des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers gekoppelt ist und die Masse am auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper in der Nähe des ersten Endes der Hauptachse montiert ist. Diese Anordnung verstärkt die Verschiebung, wodurch ein empfindliches Gerät insbesondere dann erzeugt wird, wenn eine Masse befestigt ist.
Mit dieser Anordnung wurde festgestellt, das es vorteilhaft ist, den auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper mit Hilfe der Montageeinrichtung am äußeren Gehäuse anzubringen, wobei die Montageeinrichtung einen Abschnitt des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers in der Nähe des zweiten Endes der Hauptachse mit dem Gehäuse verbindet.
Der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper kann zwar aus einem beliebigen Material hergestellt sein, das entsprechende Eigenschaften und insbesondere Steifheit aufweist, der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper besteht jedoch bevorzugt aus Metall. Metall ist ein robustes Material, das gegenüber Schwingungsenergie empfindlich ist und zur Übertragung der Schwingungsenergie zu einem darauf montierten Sensor geeignete Eigenschaften aufweist.
Der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper ist bevorzugt ein Rohr mit einem elliptischen Querschnitt. Es wurde festgestellt, dass eine elliptische Form als Schwingungssensor besonders effektiv ist. Die Form ist zur Anordnung eines Sensors darauf zweckmäßig, und die Verstärkung eines empfangenen Signals ist sowohl ausgeprägt, als auch mathematisch einfach vorherzusagen. Ebenfalls ist festgestellt worden, dass ein Schwingungssensor mit einer elliptischen Geometrie in zweckmäßiger Weise klein hergestellt werden kann und dennoch für Schwingungen eines Frequenzbereichs empfindlich ist.
Die Masse könnte zwar auch außerhalb der Oberfläche des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers montiert werden, sie ist aber bevorzugt in demselben montiert. Diese Anordnung beitet ein kompaktes Gerät. Das ist für viele Anwendungen, beispielsweise für die Erschütterungsmessung, ein Vorteil, bei der eine große Anzahl solcher Geräte zusammen in einem Feld verwendet wird.
Der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper umfaßt vorteilhafterweise eine Außenwand, die im wesentlichen eine einheitliche Dicke aufweist. Die Biegungs- und Dehnungseigenschaften eines Körpers hängen zu einem gewissen Grade davon ab, ob die Wanddicke des Körpers im wesentlichen konstant ist.
In den bevorzugten Ausführungsformen ist die Hauptachse des flexiblen Spannkörpers zwischen 10 und 30 mm, bevorzugt 22 mm, und die kleinere Achse ist zwischen 5 und 20 mm, bevorzugt 11 mm, lang.
Die Dimensionen der Sensoren sind klein, wodurch die Geräte sowohl klein als auch leicht und daher zur Anordnung in einem Feld geeignet sind. Das ist ein großer Unterschied zu den auf Biegung und Dehnung empfindlichen Sendern, die große, schwere und sperrige Geräte sind, die im allgemeinen einzeln verwendet werden.
Obwohl die Schwingungsmeßgeräte in einigen Ausführungsformen verschiedene Formen haben können, enthält das vorliegende Schwingungsmeßgerät einen Beschleunigungsmesser.
In einigen Ausführungsformen ist der Sensor ein Zug- bzw. Spannungssensor.
In den bevorzugten Ausführungsformen enthält der Sensor eine mit dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper derart gekoppelte optische Faser, dass die Verformung desselben eine Spannung der optischen Faser erzeugt, was eine Änderung mindestens einer vorgegebenen Eigenschaft eines optischen Signals verursacht, das durch die optische Faser gesendet wird, wobei die optische Faser derart ausgeführt ist, dass mindestens ein Ende für eine optische Kopplung mit einer optischen Vorrichtung zugänglich ist, die einen Detektor zur Erfassung der Änderungen der mindestens einen vorgegebenen Eigenschaft des gesendeten optischen Signals umfaßt.
Optische Fasersensoren sind extrem empfindlich. Ferner sind sie klein und leicht und benötigen keine elektrische Energie. Darüber hinaus kann die Faser sowohl als Einrichtung zum Abtasten des Signals, als auch zum Senden der Daten an die Abfrageeinheit zurück verwendet werden. Das bedeutet, dass keine Notwendigkeit besteht, Elektronik im aufgestellten Teil eines Meßfeldes unterzubringen. Hierdurch braucht das System nicht so groß und nicht so komplex zu sein, wodurch sich Kosten einsparen lassen. Optische Fasersensoren sind ferner im allgemeinen widerstandsfähig gegen hohe Temperaturen und eine korrosive Umgebung und sind daher besonders gut für eine Verwendung in der Erschütterungsmessung geeignet.
Die optische Faser ist bevorzugt unter Spannung mit dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper gekoppelt. Durch Vorspannen der optischen Faser ist die auf die Faser einwirkende Nettokraft im allgemeinen Druck oder Dehnung. Hierdurch bleibt der Sensor in der Betriebsweise der Linearverschiebung, wodurch Nichtlinearitäten im Erfassungsgebiet vermieden werden.
In einigen Ausführungsformen umfaßt das Schwingungsmeßgerät ferner Blöcke, die auf der Außenfläche des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers an jedem Ende der kleineren Achse montiert sind, wobei der optische Fasersensor eine optische Faserspule ist, die mit dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper gekoppelt ist, indem sie um die Blöcke gewickelt ist, wohingegen in anderen Ausführungsformen das Schwingungsmeßgerät Blöcke umfaßt, die auf der Außenfläche des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers an jedem Ende der Hauptachse montiert sind, wobei der optische Fasersensor mit dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper gekoppelt ist, indem er um die Blöcke gewickelt ist.
Die Blöcke stellen eine zweckmäßige Oberfläche bereit, um die optische Faser darauf anzuordnen. Ihre Eigenschaften können ferner so gewählt sein, dass eine Oberfläche erhalten wird, die nicht rauh oder scharf ist, und somit nicht die Faser beschädigt. Außerdem bieten sie einen vergrößerten Radius für die darum zu wickelnde Faser, wodurch die Länge der verwendbaren Sensorfaser vergrößert und auch die Empfindlichkeit gesteigert ist. Durch die Blöcke wird ebenfalls der Kurvenradius, um den die Faser gewickelt ist, größer, und damit wird der Lichtverlust verringert, der auftreten kann, wenn die Krümmung zu scharf ist. Ferner kann das Umwickeln einer optischen Faser direkt auf den auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper dessen Biegeeigenschaften unterdrücken.
Die Blöcke bestehen bevorzugt aus Metall. Metall ist ein robustes, temperaturbeständiges Material. Die Materialeigenschaften von Metall sind außerdem derart, dass das physische Ansprechen des Geräts von den Temperaturänderungen, die einige Anwendungen, beispielsweise Erschütterungsmessungen, betreffen können, relativ unbeeinträchtigt ist. Es wurde generell als zweckmäßig erachtet, Blöcke zu haben, die aus dem gleichen Material, wie der auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper hergestellt sind.
Die optische Faser ist vorteilhafterweise mit dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper derart gekoppelt, dass beide Enden der optischen Faser für eine optische Kopplung mit anderen optischen Geräten zugänglich sind. Bei vielen Geräten vom Stand der Technik ist nur ein Ende eines optischen Fasersensors einer Kopplung mit externen Geräten zugänglich. So wird jede Signalübertragung durch die Faser vom zugänglichen Ende durch die Faser vom Reflexionsabschnitt zurückreflektiert und verläßt die Faser an dem Ende, an dem sie eingetreten ist. In der Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Anordnung des Geräts derart, dass beide Enden der optischen Faser für eine externe Verbindung zugänglich sind. So kann ein Signal, das über ein Ende der Faser in das Gerät eintritt, sie über das andere Ende wieder verlassen; hierdurch kann das Gerät besonders für eine Konfiguration in einer Feldarchitektur angepaßt werden. Optische Faserspannungssensoren sind ebenfalls besonders für eine Verwendung in einer Feldarchitektur mit einem hohen Multiplexierungsgrad geeignet, bei der sowohl Multiplexen dichter Wellenlängen (DWDM), als auch Zeitmultiplexen (TDM) mit diesen Sensoren möglich ist.
Es ist ferner ein Schwingungsmeßbaugruppe beschrieben, welche drei Schwingungsmeßgeräte gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt, bei der jedes der drei Schwingungsmeßgeräte einen Sensor aufweist, der längs einer Achse des Schwingungsmeßgerätes gekoppelt ist, wobei die drei Schwingungsmeßgeräte derart montiert sind, dass die Achsen, entlang derer die jeweiligen Sensoren gekoppelt sind, orthogonal zueinander angeordnet sind.
Jedes der einzelnen Schwingungsmeßgeräte ist empfindlich für Schwingungen entlang einer bestimmten Achse. Die Montage von drei derartigen Geräten orthogonal zueinander bietet eine Sensorbaugruppe, die für Schwingungen in jeder Richtung empfindlich ist. Eine derartige Baugruppe kann Schwingungen in drei Dimensionen erfassen und für die zu messenden Schwingungen eine Richtungskomponente bereitstellen.
In bevorzugten Ausführungsformen umfaßt die Baugruppe ein Hydrophon. Ein Hydrophon in der Baugruppe kann sowohl den Druck als auch die Scherwelle in einem Schwingungsmeßsystem messen.
Ferner ist ein Schwingungsmeßsystem beschrieben, welches umfaßt:
mehrere erste Schwingungsmeßgeräte gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine elektromagnetische Strahlungsquelle und einen elektromagnetischen Strahlungsdetektor, wobei die optischen Fasern der mehreren ersten Schwingungsmeßgeräte in optischer Kommunikation miteinander und mit der elektromagnetischen Strahlungsquelle und dem Strahlungsdetektor angeordnet sind, die elektromagnetische Strahlungsquelle zur Sendung eines optischen Signals in die optischen Fasern der mehreren ersten Schwingungsmeßgeräte betrieben werden kann und der elektromagnetische Strahlungsdetektor derart angeordnet ist, dass er elektromagnetische Strahlung empfängt, die von den mehreren Schwingungsmeßgeräten emittiert wird, und eine Änderung mindestens einer vorgegebenen Eigenschaft des emittierten optischen Signals erfaßt.
Die mehreren ersten Schwingungsmeßgeräte können optisch in Reihe angeordnet sein.
Das Sensorsystem umfaßt bevorzugt ferner mehrere Teilstrahlungsreflektoren, die vor oder nach jedem der mehreren Schwingungsmeßgeräte angeordnet sind, und die elektromagnetische Strahlungsquelle kann betrieben werden, mehrere Impulse zu den mehreren ersten Schwingungsmeßgeräten zu senden, derart, dass ein Strahlungsimpuls, der von einem Reflektor durch ein Schwingungsmeßgerät zurückreflektiert wird, unmittelbar nach dem Schwingungsmeßgerät den elektromagnetischen Strahlungsdetektor zur selben Zeit erreicht und mit diesem wechselwirkt, zu der ein nachfolgender Impuls von einem Reflektor unmittelbar vor diesem Schwingungsmeßgerät reflektiert wird; wobei die Änderungen der mindestens einen vorgegebenen Eigenschaft des optischen Signals, die vom elektromagnetischen Strahlungsdetektor erfaßt werden, Phasenänderungen in sind.
Das System umfaßt ferner einen Signalprozessor, der einen Zeitmultiplexer enthält, wobei der Signalprozessor zur Verarbeitung von Signalen betrieben werden kann, die vom elektromagnetischen Detektor unter Ansprechen auf die Phasenänderungen erzeugt wurden und zur Isolierung von Signalen von den einzelnen Schwingungsmeßgeräten unter Verwendung des Zeitmultiplexers.
Das System kann ferner mehrere zweite Schwingungsmeßgeräte umfassen, die optisch in Reihe miteinander angeordnet sind, und die mit den mehreren ersten Schwingungsmeßgeräten optisch parallel angeordnet sind, und eine erste und zweite Wellenlängenmultiplex/Demultiplex-Einheit, die zur Isolierung einer einzelnen Frequenz betrieben werden kann, wobei die elektromagnetische Quelle betrieben werden kann, um Strahlungsimpulse in einer ersten und einer zweiten Frequenz zu senden, und die erste und zweite Wellenlängenmultiplex-/Demultiplex-Einheit derart ausgeführt sind, dass Impulse der ersten Frequenz von der Quelle zur den mehreren ersten Schwingungsmeßgeräten gesendet werden, und die Impulse der zweiten Frequenz von der Quelle zu den mehreren zweiten Schwingungsmeßgeräten gesendet werden.
Das System umfaßt bevorzugt ferner mindestens mehrere Schwingungsmeßgeräte und mindestens eine weitere Wellenlängenmultiplex-/Demultiplex-Einheit, wobei diese mehreren Schwingungsmeßgeräte optisch parallel mit den mehreren ersten und zweiten Schwingungsmeßgeräten angeordnet sind, wobei die elektromagnetische Quelle betrieben werden kann, um Strahlungsimpulse in einer ersten, einer zweiten und mindestens einer weiteren Frequenz zu senden, und mindestens eine weitere Wellenlängenmultiplex-/Demultiplex-Einheit derart ausgeführt ist, dass Impulse der mindestens einen weiteren Frequenz von der Quelle zu den mindestens mehreren Schwingungsmeßgeräten gesendet werden.
Die mehreren ersten Schwingungsmeßgeräte können optisch parallel angeordnet sein.
Die Schwingungsmeßgeräte der vorliegenden Erfindung, die klein und leicht sind, und bei denen beide Enden der optischen Faser verfügbar sind, sind besonders gut für eine Montage in einem Feld in einem Schwingungsmeßsystem geeignet. Sie sind hierdurch besonders für eine Verwendung als Erschütterungsmeßgeräte geeignet.
In einigen Ausführungsformen sind die Schwingungsmeßgeräte optisch in Reihe angeordnet, andere können parallel oder parallel und in Reihe angeordnet sein.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung gibt ein Verfahren zur Erfassung von Schwingungen, mit den Schritten an:

– Koppeln eines Sensors an einen auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper, welcher einen Querschnitt aufweist, der eine Hauptachse und eine kleinere Achse vorgibt, wobei der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper derart betrieben werden kann, dass er sich unter Ansprechen auf eine empfangene Schwingungsenergie verformt und dabei eine Änderung einer vorgegebenen Eigenschaft, die dieser Körper aufweist, in Richtung einer der Achsen, der Hauptachse oder der kleineren Achse, erzeugt, wobei der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper so geformt ist, dass die Änderung einer vorgegebenen Eigenschaft in Richtung zur anderen Achse, der Hauptachse oder der kleineren Achse, verstärkt wird, und
– Anordnen des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers in einer Umgebung, in der Schwingungsenergie erfaßt werden soll, und
– Erfassen der verstärkten Änderung, die die empfangene Schwingungsenergie anzeigt, mit dem Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner den Schritt umfaßt:
– Montage einer Masse auf dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper derart, dass die Schwingungsenergie die Beschleunigung der Masse erzeugt.

Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung eines Schwingungsmeßgerätes gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben, welches die Schritte umfaßt:

(i) Montage von Blöcken auf der Außenseite des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers an jedem Ende der kleineren und der Hauptachse,
(ii) Halten des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers in Spannfuttern, die so ausgeführt sind, dass sie um die Außenkanten der Blöcke in einer Windungsvorrichtung für eine optische Spule herumgehen und sie halten,
(iii) Durchführen einer optischen Faser durch einen Harzbehälter derart, dass eine Harzschicht die optische Faser bedeckt und die optische Faser den Harzbehälter durch eine Nadel verläßt, und die Nadel betrieben werden kann, die optische Faser über dem auf Biegung und Dehnung empfindlicher Hohlkörper, der von den Spannfuttern gehalten wird und derart ausgeführt ist, dass eine geeignete Harzmenge die Faser bedecken kann, zu positionieren,
(iv) Drehen des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers derart, dass die optische Faser um die Blöcke, die an jedem Ende einer Achse des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers montiert sind, gewickelt wird, um so mit der optischen Faser eine um diese Achse gewickelte Spule zu bilden, wobei die Spule mit dem Harz an den Blöcken befestigt ist und mindestens ein Ende der optischen Faser für eine Verbindung mit den externen optischen Komponenten zugänglich ist.

Die Herstellung dieser Schwingungsmeßgeräte bezieht die direkte Wicklung der Spule auf den auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper mit ein. Das geschieht unter Verwendung eines Apparats, der so ausgeführt ist, dass er den auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper hält. Die Nadel ist ein ausgezeichnetes Mittel zur Anordnung der Faser akkurat zur Montage auf den Wickelschablonen an jedem Ende der des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers und zur Zufuhr der korrekten Harzmenge.
Der Schritt (iv) des Wickelns der optischen Faser wird derart ausgeführt, dass die Spule unter Spannung gewickelt wird. Wickeln der Spule unter Spannung bedeutet, dass der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper vorgespannt ist. Wenn dieser daher Schwingungskräften ausgesetzt ist, die in verschiedene Richtungen wirken, entstehen keine auf die Ellipse einwirkenden Druck- und Dehnungskräfte. Im normalen Betrieb bleibt die längs der Abtastachse des Geräts einwirkende Nettokraft vielmehr eine Druck- oder Dehnungskraft und sie bewegt sich im Leistungsbereich der Linearverschiebung. Dadurch wird eine Verzerrung des Signals verhindert.
In bevorzugten Ausführungsformen umfaßt das Verfahren ferner den Schritt der Fortsetzung der Drehung des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers nach dem Aufwickeln der Spule, bis das Harz fest geworden ist. Hierdurch wird ein Hängen der Spule nach der Verfestigung verhindert.
Es ist die Verwendung eines auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers zur Erfassung von Schwingungen beschrieben. Die Formfunktion der auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper gewährleistet eine Verstärkung einiger Signale an und bietet damit die Möglichkeit, in empfindlicher Weise Schwingungen zu erfassen.
Im folgenden sind lediglich beispielhaft unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, die zeigen:
1 mehrere Formen, die Biegungs- und Dehnungseigenschaften zeigen,
2A eine schematische Seitenansicht des Kerns eines Schwingungsmeßgeräts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Abtastspule längs der Hauptachse des Geräts gekoppelt ist,
2B den Kern von 2A mit seinen Dimensionen in mm,
3 eine Draufsicht auf eine optische Spule, die um das Schwingungsmeßgerät von 1 gewickelt ist,
4 ein Schwingungsmeßgerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welches den in den 2A und 2B gezeigten Kern enthält, der in einem Gehäuse angeordnet ist,
5 eine schematische Teilansicht des Kerns eines Schwingungsmeßgeräts gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Abtastspule entlang der kleineren Achse des Geräts gekoppelt ist,
6 eine schematische Darstellung mehrerer, in Reihe angeordneter Schwingungsmeßgeräte,
7 mehrere optische, parallel und in Reihe angeordnete optische Fasern,
8 drei Schwingungsmeßgeräte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die orthogonal zueinander als Schwingungsmeßbaugruppe angeordnet sind, und
9 ein Gerät zum Naßwickeln der Spulen.
1 zeigt mehreren Beispiele von Formen, deren Geometrie derart ist, dass sie eine Biegungs- und Dehnungseigenschaft aufweisen. Der Pfeil B zeigt die Richtung der Hauptachse eines Querschnitts dieser Formen an, während Pfeil C die Richtung der kleineren Achse anzeigt.
Das Prinzip Biegung und Dehnung kann als Wirkung einer Ummantelung definiert werden, bei der die Ummantelung unter Ansprechen auf eine Dehnungs- und/oder Druckkraft gebogen wird. Wenn die Ummantelung Dehnung oder Druck entlang einer der Achsen, der Hauptachse oder der kleineren Achse, eines Querschnitts der Ummantelung zeigt, verursacht das eine Biegung, die entlang der anderen Achse eine Bewegung erzeugt. In Abhängigkeit davon, entlang welcher Achse die Dehnung oder der Druck auftritt, wird entweder die Bewegung oder die Kraft durch den mechanischen Vorteil verstärkt, welcher durch Formfunktion erzeugt wird. Bei einem akustischen, auf Biegung und Dehnung empfindlichen Sender wird die schallausstrahlende Oberfläche der Ummantelung gebogen, wenn sie mechanisch durch eine Dehnungsschwingung eines Antriebsmotors getrieben wird. Beim vorliegenden Gerät, bei dem Formen, die diese Geometrie aufweisen, als Empfänger verwendet werden, ist das Verfahren des Betriebs umgekehrt. Die Oberflächen, die verwendet werden, um das akustische Signal in das sie umgebende Medium zu emittieren, werden nun verwendet, das Signal zu empfangen, das eine Schwingungsdehnung und/oder -druck entlang einer Achse erzeugt, was zu einer Biegung des Körpers und Bewegung entlang der anderen Achse führt. Bei einem Empfänger wird der Antriebsmotor durch einen Sensor ersetzt, der diese Biegung erfaßt.
2A zeigt den Kern eines Schwingungsmeßgeräts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und zeigt eine auf Biegung und Dehnung empfindliche elliptische Ummantelung 11, die Endstücke oder Wickelschablonen 12 aufweist. Die Wickelschablonen sind auf der elliptischen Ummantelung an den Enden der Hauptachse der Ummantelung in der Ebene montiert, in der die Hauptachse senkrecht zur kleineren Achse ist. Eine Abtastspule 13 aus einer optischen Faser ist um die Wickelschablonen und die elliptische Ummantelung längs der Hauptachse der Ummantelung gewickelt. Die Wickelschablonen 12 haben gebogene Kanten (siehe 3), weshalb es möglich ist, dass die Faserspule ohne zuviel Spannung und den damit verbundenen Problemen eines Bruchs der Faser um die Ellipse gewickelt wird. Die Wickelschablonen 12 versorgen ferner die optische Faser mit einem größeren Radius, um den sie sich biegen können, als die Ellipsenkante selbst haben würde. Ein größerer Biegeradius der optischen Faser senkt die Lichtverluste. Ferner würdesdy ein direktes Wickeln der optischen Spule auf den auf Biegung und Dehnung empfindlichen Körper seine Verformung unterbinden und dadurch die Empfindlichkeit des Gerätes verringern. Eine Masse (in 4 gezeigt) ist auf der elliptischen, auf Biegung und Dehnung empfindlichen Ummantelung 11 angeordnet. Die Masse beträgt 40 bis 100 Gramm, typischerweise 60 bis 80 Gramm.
2B zeigt den gleichen Kern in der Perspektive. Wie ersichtlich ist, ist die auf Biegung und Dehnung empfindliche elliptische Ummantelung 11 22 mm lang und 12 mm breit. Die Wickelschablonen 12 sind 5 mm lang und 11 mm hoch. Diese Dimensionen sind bevorzugt, es können aber auch andere Dimensionen ins Auge gefaßt werden.
Die elliptische Ummantelung 11 besteht bevorzugt aus Metall, wobei auch die Endstücke oder Wickelschablonen aus Metall hergestellt sind. Die Materialeigenschaften des Metalls werden durch Temperaturänderungen, insbesondere durch bei Seismikanwendungen zu erwartende Temperaturen, nicht sehr beeinträchtigt und somit sollten derartige Temperaturänderungen das physische Ansprechverhalten des Geräts nicht beeinträchtigen.
Im Gebrauch erzeugt die zur Beschleunigung der trägen Masse erforderliche Kraft (in 4 gezeigt), wenn eine Beschleunigungskomponente parallel zur kleineren Achse(Pfeil A) auftritt, eine Spannung entlang der kleineren Achse, und eine – Spannung in entgegengesetzter Richtung entsteht entlang der Hauptachse. Die Verwendung der elliptischen Ummantelung in dieser Anordnung bedeutet, dass die Kraft, die auf den optischen Fasersensor (oder einen anderen Sensor in anderen Ausführungsformen), montiert längs der Hauptachse, aufgebracht wird, größer ist, als die Kraft, die auf den Sensor aufgebracht würde, wenn er längs der kleineren Achse montiert wäre, das führt zu einer gesteigerten Empfindlichkeit des Geräts. Mit anderen Worten, die Kraft wird durch den mechanischen Vorteil verstärkt, der durch die Formfunktion der elliptischen Ummantelung erzeugt wird.
4 zeigt ein Schwingungsmeßgerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die den in 2 gezeigten Kern enthält, welcher umfaßt: eine elliptische Ummantelung 11, eine Spule 13, ein Außengehäuse 24 und eine träge Masse 21, die in der elliptische Ummantelung 11 angeordnet ist. Die elliptische Ummantelung weist Löcher an jedem Ende der kleineren Achse auf. Ein Bolzen 22 ist durch eines dieser Löcher hindurch und in die träge Masse 21 gesteckt, die träge Masse mit einem Ende der kleineren Achse verbindend. Das andere Loch wird verwendet, das andere Ende der kleineren Achse der Ummantelung 11 mit dem starren Außengehäuse 24 zu verbinden. Eine Scheibe 23 wird verwendet, um die Ummantelung 11 vom Gehäuse wegzuheben, so dass die Endstücke 12 nicht am Gehäuse 24 anstoßen. In einigen Ausführungsformen wird das Gerät, anstatt an einem Außengehäuse befestigt zu sein, durch das Loch in der kleineren Achse an der Anordnung befestigt, dessen Beschleunigung erfaßt werden soll.
5 zeigt den Kern eines Schwingungsmeßgeräts gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und zeigt eine elliptische, auf Biegung und Dehnung empfindliche Ummantelung 11 mit Endstücken oder Wickelschablonen 12. In dieser Ausführungsform sind die Wickelschablonen auf der elliptischen Ummantelung an den Enden der kleineren Achse der Ummantelung in der Ebene montiert, die die kleinere Achse senkrecht zur Hauptachse enthält. Eine Sensorspule 13 aus einer optischen Faser ist um die Wickelschablonen und die elliptische Ummantelung längs der kleineren Achse der Ummantelung gewickelt. Die Wickelschablonen 12 haben gebogene Kanten und ermöglichen so, daß die Faserspule ohne zuviel Zug und die damit verbundenen Probleme eines Faserbruchs um die Ellipse herum gewickelt wird. Die Wickelschablonen 12 bieten der optischen Faser einen größeren Biegeradius, als die Ellipse selbst, und ein größerer Biegeradius der optischen Faser verringert die Lichtverluste.
Wie bei der vorherigen Ausführungsform besteht die elliptische Ummantelung bevorzugt aus Metall, und auch die Endstücke sind aus Metall.
In dieser Ausführungsform erfaßt der Schwingungssensor eine Bewegung in Richtung der Hauptachse der Ellipse (Pfeil A), indem die Formfunktion der Geometrie der Ummantelung genutzt wird, um die Orientierung der Schwingung zu ändern und eine gewisse mechanische Verstärkung zu erzielen. Im Endeffekt erzeugt die Kraft, die erforderlich ist, um die träge Masse zu beschleunigen, eine Spannung längs der Hauptachse, und eine Spannung der entgegengesetzten Richtung entsteht entlang der kleineren Achse. Die Verwendung der elliptischen Ummantelung in dieser Anordnung bedeutet, dass die Verschiebung, die auf den optischen Fasersensor (oder einen anderen Sensor in anderen Ausführungsformen), der entlang der kleineren Achse montiert ist, aufgebracht wird, größer als die Verschiebung ist, die auf den Sensor aufgebracht würde, wenn er entlang der Hauptachse montiert wäre. Mit andern Worten, die Verschiebung wurde durch den mechanischen Vorteil verstärkt, der durch die Formfunktion der elliptischen Ummantelung erzeugt wurde.
In beiden Ausführungsformen können Schwingungskräfte oder Beschleunigungskräfte parallel zur kleineren Achse, die aber in verschiedene Richtungen wirken, sowohl Druck- als auch Dehnungskräfte erzeugen, die auf die kleinere Achse der Ellipse einwirken. Diese Kräfte werden wiederum als Druck- oder Dehnungskräfte an die Faser weitergegeben. Das ist unerwünscht, da beim Ansprechen Nichtlinearitäten auftreten können, die eine Signalverzerrung hervorrufen. Zur Vermeidung von Verzerrungen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Gerät vorzuspannen, so dass bei Normalbetrieb die Nettokraft, die längs der kleineren Achse des Geräts wirkt, eine Druck- oder Dehnungskraft bleiben muß. Zur Gewährleistung einer niedrigen Verzerrung bei Erregung des Gerätes, muß es im Leistungsbereich der Linearverschiebung bleiben. Zu diesem Zweck werden die optischen Faserspulen unter Spannung gewickelt.
Da die einzelnen Sensoren gegen Schwingungen parallel zu einer bestimmten Achse empfindlich sind, sind drei Sensoren orthogonal zueinander montiert, so dass die Schwingungen in jeder der drei Dimensionen erfaßt werden können, sind dieselben oft zusammen als eine Einheit montiert. Dann ist ferner Multiplexen möglich, wobei mehrere dieser Einheiten zusammen in einem Feld angeordnet werden. In einigen Geräten ist auch ein Hydrophon in der Baugruppe angeordnet, welches Informationen über die Scherwelle liefert.
Die 6 und 7 zeigen Möglichkeiten, die einzelnen Schwingungsmeßgeräte unter Bildung eines Feldes zu multiplexen. Hierbei wird Zeitmultiplexen (TDM) im Feld von 6 und sowohl Zeitmultiplexen (TDM) als auch Multiplexen dichter Wellenlängen (DWDM) in der Architektur von 7 angewendet.
6 zeigt die in Reihe angeordneten einzelnen optischen Sensorspulen 63. Die Spulen 63 sind durch Koppler 61 umklammert. An einem der Ausgänge der Koppler 61 ist ein Spiegel 62 befestigt, der andere Ausgang ist mit einer Sensorspule 63 verbunden. Diese Koppler 61 und Spiegel 62 sind so angeordnet, dass ein Reflektor vor und nach jeder Spule ist, so dass zwei, in der Faser enthaltene Lichtimpulse von den Spiegeln 62 reflektiert werden. Der erste Impuls wird vom ersten Koppler 61 geteilt, ein Teil des Impulses wird zurückreflektiert, und der Rest wird in die Spule 63 gerichtet, dieser Impuls wird dann vom nächsten Koppler 61 geteilt und ein Teil des Lichtes wird dann vom Spiegel zurückreflektiert. Zur gleichen Zeit wird der zweite Impuls vom ersten Koppler 61 geteilt ein Teil des Lichts wird zurückreflektiert. Die Längen der Fasern und die Zeitsteuerung der Impulse werden derart gewählt, dass der zweite Impuls, der vom ersten Spiegel zurückkehrt, und der erste Impuls, der vom zweiten Spiegel zurückkehrt, zu gleichen Zeit auf dem Empfänger auftreffen. Phasenänderungen zwischen den zwei Signalen können zur Erfassung von Änderungen der Länge und/oder des Brechungsindex der Spule verwendet werden, die aus Spannungen stammen, die auf die Spule aufgebracht wurden.
7 zeigt mehrere dieser in Reihe verbundenen Ketten von Schwingungsmeßgeräten oder parallel verbundenen Erschütterungsmeßgeräten. Die Ketten der Erschütterungsmeßgeräte sind gemultiplext und parallel verbunden und verwenden eine DWDM-Architektur. Die Bezugsziffern 71 bezeichnen Multipex/Demultiplex-Einheiten; sie isolieren eine einzige Frequenz aus der Quelle und richten diese zur Kette der relevanten Erschütterungsmeßgeräte und multiplexen dann das Signal zurück in die Signalfaser.
8 zeigt drei der Schwingungsmeßgeräte, die orthogonal zueinander angeordnet sind. Diese drei Vorrichtungen können in einem Gehäuse mit einem Hydrophon angeordnet sein und eine Schwingungsmeßgerät-Baugruppe bilden. Diese Baugruppe kann dann verwendet werden, Informationen sowohl über die Größe als auch die Richtung einer beliebigen empfangenen Schwingung zu liefern.
9 zeigt eine Vorrichtung zum Naßwickeln der Spulen 13 um den auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper herum. Bei der Herstellung des Schwingungsmeßgeräts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die grundlegende elliptische Ummantelung so modifiziert, dass sie zur Anordnung einer optischen Faser geeignet ist, ohne dass diese Faser bricht. An jeder Seite sind End- oder Wangenstücke hinzugefügt (wie in den 2 und 5 gezeigt), diese sind Platten, die die Gesamtlänge der Spule verlängern und die gleiche Breite (oder Länge, je nach Ausführungsform), wie die elliptische Ummantelung haben. Hierdurch wird eine interessante Form erhalten, die mit Klammern in einer Naßwickelmaschine gehalten werden muß, um die optische Faserspule auf das Gerät zu wickeln. Daher sind spezielle Halter 43 hergestellt, die Ellipse 11 und die Endstücke 12 aufzunehmen. Diese Halter haben eine Vertiefung 44, in die die Endstücke 12 hineinpassen. Diese Vertiefung dient dazu, sowohl den auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper zu halten, als auch Sperrverschlüsse vorzusehen, die verhindern, dass sich die Faser beim Aufwickeln ablöst. Der Halter enthält eine breite Spindel 46, die als Stütze dient, um die die Anschlußkabel vom Gerät während der Herstellung zu ihrem Schutz gewickelt sein können.
Wenn die Spule aufgewickelt wird, wird der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper montiert und dann zwischen den Haltern festgeklemmt; einer wird auf dem Reitstock einer Wickelmaschine angeordnet. Eine Faserlänge wird am Anfang durch das Bad und die Nadel gezogen, bevor das Bad mit Harz gefüllt wird. Diese Länge wird dann einmal um den auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper 11, 12 herum geführt und am Wickeldorn auf der Spindel 46 festgemacht. Das Bad wird dann mit flüssigem Epoxyharz und einer Härtermischung oder einem anderen ähnlichen Klebematerial gefüllt, und es wird mit dem Wickeln begonnen. Die Faser 57 geht durch die Nadel 55, die verwendet wird, um die Faser in der richtigen Lage zu bringen und um das überflüssige Harz von der Faser 57 abzustreifen. Bezugsziffer 54 hält die Nadel starr in Position, bezogen auf das Bad 56 und den Positionierarm der Präzisionswickelmaschine.
Wenn 20 m der Faser auf den auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper 11, 12 gewickelt worden ist, wird angehalten. Das Bad wird dann geleert und ein weiteres Anschlußkabel wird durchgezogen und an der Spindel 46 gesichert. Um eine Verformung der Komposite-Spule zu vermeiden, wird das Gerät gedreht, bis das Harz fest geworden ist. Je nach verwendetem Harztyp kann eine Nachhärtung anzuraten sein.
Da das Verfahren und die Anordnung der Spule derart sind, dass die Faser an beiden Enden frei ist, kann eine Reihe von Schwingungssensoren in einem Arbeitsgang aufgewickelt werden. Beispielsweise können die drei Komponenten für die Drei-Achsen-Messungen in einem Arbeitsgang aufgewickelt werden. Hierdurch wird nicht nur die Produktionszeit verkürzt, sondern es lassen sich auch Lichtverluste zwischen den Geräten verringern, da die Notwendigkeit für ein Spleißen geringer ist.
Die Wickelmaschine hat eine integrierte Spannungsregelung, die die aufgebrachte Spannung einstellt und beim Wickeln der Faser aufrechterhält. Wie oben erläutert, wird die Spule unter Spannung gewickelt und es ist notwendig, dass die auf die Spule aufgebrachte Spannung durchgängig relativ konstant ist. Wenn das Positioniersystem der Nadel 55 verwendet wird, ist es nicht erforderlich, überschüssiges Harz zu entfernen, da nur die korrekte Menge an Harz auf der Faser 57 verbleibt.
Wenn das Epoxyharz ausgehärtet ist, kann das Gerät aus den ausgewählten Teilen montiert werden. Es muß Sorge getragen werden, dass nicht die Faser 57 beschädigt wird, die aus dem Schwingungsmeßgerät austritt.
Die in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendete optische Faser 57 hat einen Kern einer Größe von 6 Mikrometern und einen Mantel von 80 Mikrometern. Es können jedoch auch andere Typen optischer Fasern verwendet werden. Das verwendete Epoxyharz muß einen hohen Elastizitätsmodul aufweisen, damit es die Spannungen des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers 11, 12 auf die Faser 57 überträgt.
Die Schwingungsmeßgeräte der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eignen sich besonders gut zur Anordnung in einem Feld, wobei die einzelnen Signale bei der Anwendung von Zeitmultiplexen oder Wellenlängenmultiplexen isoliert sind. Insbesondere erweist sich die Zugänglichkeit beider Enden der optischen Faser in den einzelnen Schwingungsmeßgeräten in dieser Feldarchitektur als hilfreich.
Kurz zusammengefaßt, gewährleisten die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein höchst empfindliches Erschütterungsmeßgerät, das eine niedrige Querachsenempfindlichkeit ausweist und einfach gemultiplext werden kann, wobei sowohl Zeitmultiplexen, als auch Wellenlängenmultiplexen angewendet werden kann.

Claims

Schwingungsmeßgerät, das umfaßt: – einen auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper (11), welcher einen Querschnitt aufweist, der eine Hauptachse und eine kleinere Achse hat, wobei der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper derart betrieben werden kann, dass er sich unter Ansprechen auf eine empfangene Schwingungsenergie verformt und dabei eine Änderung einer vorgegebenen Eigenschaft, die dieser Körper aufweist, in Richtung einer der Achsen, der Hauptachse oder der kleineren Achse, erzeugt, wobei der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper so ausgebildet ist, dass die Änderung der vorgegebenen Eigenschaft in Richtung zur anderen Achse, der Hauptachse oder der kleineren Achse, verstärkt ist, und – einen Sensor (13), welcher mit dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper gekoppelt ist und betrieben werden kann, die verstärkte Änderung zu erfassen, die die empfangene Schwingungsenergie anzeigt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner eine träge Masse (21) umfaßt; die auf dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper derart montiert ist, dass die Schwingungsenergie die Beschleunigung der trägen Masse bewirkt.
Schwingungsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem die vorgegebene Eigenschaft Kraft ist, Schwingungsenergie, die längs der kleineren Achse empfangen wird und die Verformung des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers bewirkt, wobei eine Kraft entlang der kleineren Achse einwirkt und eine verstärkte Kraft entlang der Hauptachse einwirkt, wobei der Sensor mit dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper entlang der Hauptachse gekoppelt ist, um die verstärkte Kraft zu erfassen.
Schwingungsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem die vorgegebene Eigenschaft Verschiebung ist, Schwingungsenergie, die entlang der Hauptachse empfangen wird und die Verschiebung des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers entlang der Hauptachse und eine verstärkte Verschiebung entlang der kleineren Achse bewirkt, wobei der Sensor mit dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper entlang der kleineren Achse gekoppelt ist, um die verstärkte Verschiebung zu erfassen.
Schwingungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner ein äußeres Gehäuse (24) zur Unterbringung des Schwingungsmeßgeräts umfaßt.
Schwingungsmeßgerät nach Anspruch 2 oder Anspruch 4, wenn von Anspruch 2 abhängig, bei dem die kleinere Achse ein erstes und ein zweites Ende aufweist, und die Masse auf dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper in der Nähe des ersten Endes der kleineren Achse montiert ist.
Schwingungsmeßgerät nach Anspruch 5, wenn von Anspruch 4 abhängig, bei dem der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper mit Hilfe einer Montageeinrichtung (23) auf dem äußeren Gehäuse montiert ist, wobei die Montageeinrichtung einen Abschnitt des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers in der Nähe des zweiten Endes der kleineren Achse mit dem Gehäuse verbindet.
Schwingungsmeßgerät nach Anspruch 3 oder 4, wenn von Anspruch 3 abhängig, bei dem die Hauptachse ein erstes und ein zweites Ende aufweist, und die Masse auf dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper in der Nähe des ersten Endes der Hauptachse montiert ist.
Schwingungsmeßgerät nach Anspruch 7, wenn von Anspruch 4 abhängig, bei dem der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper mit Hilfe der Montageeinrichtung (23) auf dem äußeren Gehäuse montiert ist, wobei die Montageeinrichtung einen Abschnitt des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers in der Nähe des zweiten Endes der Hauptachse mit dem Gehäuse verbindet.
Schwingungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper ein Rohr mit einem elliptischen Querschnitt ist.
Schwingungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Masse im auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper montiert ist.
Schwingungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper eine Außenwand aufweist, die eine im wesentlichen einheitliche Dicke hat.
Schwingungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eins von beiden, einen Beschleuniger oder einen Spannungssensor umfaßt.
Schwingungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sensor eine optische Faser (13) ist, die mit dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper derart gekoppelt ist, dass die Verformung desselben eine Spannung in der optischen Faser erzeugt, was eine Änderung mindestens einer vorgegebenen Eigenschaft eines durch die optische Faser gesendeten optischen Signals verursacht, wobei die optische Faser derart ausgeführt ist, dass mindestens ein Ende für eine optische Kopplung mit einer optischen Vorrichtung zugänglich ist, die einen Detektor zur Erfassung der Änderungen der mindestens einen vorgegebenen Eigenschaft des gesendeten optischen Signals umfaßt.
Schwingungsmeßgerät nach Anspruch 13, bei dem die optische Faser unter Spannung mit dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper gekoppelt ist.
Schwingungsmeßgerät nach Anspruch 13 oder 14, wenn von Anspruch 3 abhängig, bei dem das Schwingungsmeßgerät Blöcke (12) umfaßt, die auf der Außenfläche des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers an jedem Ende der kleineren Achse montiert sind, wobei der optische Fasersensor eine optische Faserspule ist, die mit dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper gekoppelt ist, indem sie um die Blöcke gewickelt ist.
Schwingungsmeßgerät nach Anspruch 13 oder 14, wenn von Anspruch 2 abhängig, bei dem das Schwingungsmeßgerät Blöcke (12) umfaßt, die auf der Außenfläche des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers an jedem Ende der Hauptachse montiert sind, wobei der optische Fasersensor mit dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper gekoppelt ist, indem er um die Blöcke gewickelt ist.
Schwingungsmeßgerät nach Anspruch 13 bis 16, bei dem die optische Faser mit dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper derart gekoppelt ist, dass beide Enden der optischen Faser für eine optische Kopplung mit weiteren optischen Vorrichtungen zugänglich sind.
Verfahren zur Erfassung von Schwingungen, mit den Schritten: – Koppeln eines Sensors an einen auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper, welcher einen Querschnitt aufweist, der eine Hauptachse und eine kleinere Achse aufweist, wobei der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper derart betrieben werden kann, dass er sich unter Ansprechen auf eine empfangene Schwingungsenergie verformt und dabei eine Änderung einer vorgegebenen Eigenschaft, die dieser Körper aufweist, in Richtung einer der Achsen, der Hauptachse oder der kleineren Achse, erzeugt, wobei der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper so geformt ist, dass die Änderung einer vorgegebenen Eigenschaft in Richtung zur anderen Achse, der Hauptachse oder der kleineren Achse, verstärkt wird, und – Anordnen des auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörpers in einer Umgebung, in der Schwingungsenergie erfaßt werden soll, und – Erfassen der verstärkten Änderung, die die empfangene Schwingungsenergie anzeigt, mit dem Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner den Schritt umfaßt: – Montage einer trägen Masse auf dem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper derart, dass die Schwingungsenergie die Beschleunigung der trägen Masse bewirkt.
Schwingungsmeßsystem, das umfaßt: – mehrere erste Schwingungsmeßgeräte nach einem der Ansprüche 14 bis 18, – eine elektromagnetische Strahlungsquelle und einen elektromagnetischen Strahlungsdetektor, wobei – die optischen Fasern der mehreren ersten Schwingungsmeßgeräte in optischer Kommunikation miteinander und mit der elektromagnetischen Strahlungsquelle und dem Detektor ausgeführt sind, – die elektromagnetische Strahlungsquelle zur SR eines optischen Signals in die optischen Fasern der mehreren Schwingungsmeßgeräte betrieben werden kann und – der elektromagnetische Strahlungsdetektor derart ausgeführt ist, dass er elektromagnetische Strahlung empfängt, die von den mehreren Schwingungsmeßgeräten emittiert wird, und eine Änderung mindestens einer vorgegebenen Eigenschaft des emittierten optischen Signals erfaßt.
Verfahren zur Erfassung von Schwingungen, mit den Schritten: – Koppeln eines Sensors mit einem auf Biegung und Dehnung empfindlichen Hohlkörper, welcher einen Querschnitt aufweist, der eine Hauptachse und eine kleinere Achse aufweist, wobei der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper derart betrieben werden kann, dass er sich unter Ansprechen auf eine empfangene Schwingungsenergie verformt und dabei eine Änderung einer vorgegebenen Eigenschaft, die dieser auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper aufweist, in Richtung einer der Achsen, der Hauptachse oder der kleineren Achse, erzeugt, wobei der auf Biegung und Dehnung empfindliche Hohlkörper derart geformt ist, dass die Änderung einer vorgegebenen Eigenschaft in Richtung zur anderen Achse, der Hauptachse oder der kleineren Achse, verstärkt wird, und – Anordnen des auf Biegung und Dehnung empfindlicher Hohlkörpers in einer Umgebung, in der Schwingungsenergie erfaßt werden soll, und – Erfassen der verstärkten Änderung, die die empfangene Schwingungsenergie anzeigt, mit dem Sensor.