DE69521971T2

DE69521971T2 - Optisches Mikrosystem des Typs Rosettenspannungslehre mit dielektrischen Leitern zur Messung der longitudinalen Spannung in Planarstruktur

Info

Publication number: DE69521971T2
Application number: DE69521971T
Authority: DE
Inventors: Pierre Ferdinand; Sylvain Magne; Stephane Rougeault
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1994-11-18
Filing date: 1995-11-16
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2015-11-17
Also published as: DE69521971D1; EP0713084A3; CA2162954A1; EP0713084A2; US5726744A; EP0713084B1; FR2727203B1; FR2727203A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Mikrosystem des Typs Rosettenspannungslehre mit dielektrischen Leitern zum Messen einer Längsspannung. In der Folge der Beschreibung wird der Ausdruck Längsspannung benutzt, um eine Spannung zu bezeichnen, die nur eine einzige Komponente hat.

Stand der Technik

Gegenwärtig werden Dehnungsmessungen mittels Dehnungsmessstreifen oder Rosetten (d. h. einer aus mehreren Dehnungsmessstreifen zusammengesetzten Struktur) mit Bahnen aus Metall oder Halbleiter-Verbindungen durchgeführt, wie dargestellt in der Fig. 2A.
Ein Dehnungsmessstreifen misst eine Komponente bekannter Ausrichtung, während eine Rosette ermöglicht, die Werte der hauptsächlichen Spannungen der Dehnungsmessstreifen-Ebene zu bestimmen sowie die Ausrichtung des Hauptbezugssystems in Bezug auf die Anordnung der die Rosette bildenden Messstreifen.
Diese Dehnungsmessstreifen oder diese Rosetten sind elektrisch und auf einem beschränkten Anwendungsgebiet temperaturkompensiert durch eine richtige Auswahl der Materialien.
Nun wurden in den letzten Jahren aufgrund der Fortschritte in der Optoelektronik neue Extensometrietechniken entwickelt. Diese Techniken beruhen aber nicht mehr auf elektrischen sondern auf optischen Phänomenen: polarimetrische Sensoren, mit Modenkopplung oder interferometrische Sensoren.
Diese Sensoren weisen jedoch wie die meisten existierenden Sensoren eine Temperaturempfindlichkeit auf, die nicht intrinsisch kompensiert wird. Die übliche für diesen Problemtyp vorgeschlagene Annäherung besteht darin, die Reaktion eines der zu bestimmenden Spannung (und damit der induzierten Verformung) ausgesetzten Detektors zu vergleichen mit der Reaktion eines Bezugsdetektors, der dieser Spannung nicht ausgesetzt ist. Das Verhalten des aus den beiden Detektoren gebildeten Sensors ist unabhängig von den Temperaturschwankungen, wenn die beiden Detektoren nahe genug beieinander sind, um dieselbe Temperatur aufzuweisen. In den meisten Fällen werden die beiden Detektoren jedoch aus konstruktiven Gründen relativ weit voneinander angebracht, sodass in der industriellen Wirklichkeit Theorie und Praxis oft nicht übereinstimmen.
Ein Beispiel einer solchen technischen Unmöglichkeit kann z. B. das Messen einer Spannung sein, die in einer Rippe oder einem Holm eines Flugzeugflügels aus Verbundmaterial auftritt. In einem solchen Fall, wo die Detektoren in das Verbundmaterial eingebettet sind, muss man sie räumlich trennen, damit der eine eine Spannung misst der der andere nicht ausgesetzt ist. Nun ist es aber undenkbar, einen Spannungssensor weit entfernt von seinem Temperaturbezugssensor anzubringen, denn die Temperaturunterschiede können zu groß sein.
Dieser Empfindlichkeitskonflikt (bezüglich der Temperatur und der Spannungen) begrenzt gegenwärtig den Aufschwung der Lichtleitfasersensoren, insbesondere für die Spannungsmessung. Eine technische Lösung dieses Problems ist daher sehr wichtig, um diese Blockierung aufzuheben und dieses neue Messgerätegebiet zu erschließen.
Dieses Empfindlichkeitkonflikt-Problem ist noch nicht befriedigend gelöst (s. insbesondere den Artikel von E. J. Friebele und A. D. Kersey, kürzlich erschienen in "Laser Focus World", Mai 1994, Seiten 165-171). Gewisse alternative Lösungen sind patentiert worden, die darin bestehen, die Wärmedehnung des Detektors zu kompensieren (Patent W. W. Morey und W. L. Glomb, WO 91/10151). Das Prinzip besteht darin, die empfindliche Faser zwischen zwei Teilen anzubringen, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen (und folglich unterschiedliche Wärmedehnungskoeffizienten haben). Diese Autoren zeigen, dass es möglich ist, eine geometrische Konfiguration zu finden, bei der die resultierende, auf die Messfaser wirkende Dehnung null ist. Das Problem beruht auf der Tatsache, dass dieses System eine komplexe mechanische Konstruktion ist und erforderlich macht, die Abmessungen sowie die Wärmedehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien genau zu definieren, sodass in der Praxis noch immer eine Temperaturschwankung vorhanden ist, verursacht durch die Herstellungstoleranzen.
Andere Ideen sind vorgebracht worden, z. B. die Nutzung der beiden sich in der Faser ausbreitenden Polarisationsmoden (beide unterschiedlichen Temperatur- und Spannungsreaktionen ausgesetzt).
Die Begrenzung beruht auf der Tatsache, dass die Detektoren sehr ähnliche Temperatur- und Spannungsreaktionen haben, denn die verwendeten Materialien unterscheiden sich sehr wenig. Eine deutliche Unterscheidung ist also schwierig. Zudem erfordert die erste Lösung, die Polarisation des Lichts aufrecht zu erhalten (Polarisationsaufrechterhaltungsfasern), was die Verwendung einer solchen Messvorrichtung wesentlich kompliziert (komplexer Anschluss) und teuer macht.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung vorzuschlagen, bei der man sich auf mathematische Weise von Temperaturschwankungen freimachen kann, über ein Verarbeitungsverfahren der von einem Sensor erhaltenen Daten, die Detektoren umfasst, die sich ausreichend nahe beieinander befinden, um die gleiche Temperatur aufzuweisen.

Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Mikrosystem des Typs Rosettenspannungslehre mit dielektrischen Leitern, bestimmt zur Messung aller auf ein Teil wirkenden Spannungen, wobei das genannte Mikrosystem wenigstens eine Rosette umfasst, gebildet durch wenigstens zwei Spannungslehren mit dielektrischen Leitern (J1, J2, J3) von bekannter und nichtparalleler Ausrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungslehren Bragg-Gitter (RB&sub1;, RB&sub2;, RB&sub3;) sind, und dadurch, dass das Teil ein Teil ist, das durch eine Spannung mit einer einzigen Komponente belastet wird, enthalten in der Ebene der Spannungslehren, und dadurch, dass eine Rechenschaltung, die ein von der Temperatur unabhängiges Resultat liefert, ermöglicht, die genannte Spannung durch Auflösung des folgenden Systems von Gleichungen zu bestimmen:
wobei λ&sub1;, λ&sub2; und λ&sub3; jeweils charakteristische Wellenlängen der drei die Rosette bildenden Bragg-Gitter sind und diese Wellenlängen sehr nahe beieinanderliegen, und λ , λ und λ die charakteristischen Wellenlängen bei Fehlen von Verformungen und bei einer Bezugstemperatur T&sub0; sind, wobei ξ&sub1; ein Koeffizient ist, der die charakteristische Wellenlänge mit der Verformung verknüpft, und ξ&sub2; ein Wärmeausdehnungskoeffizient ist, die beiden Winkel β&sub1; und β&sub2;, beliebig aber bekannt und nicht null modulo π, die Rosette charakterisieren und α der Winkel ist, den die Richtung der zu bestimmenden Hauptspannung mit der Ausrichtung der Bezugsspannungslehre der Rosette bildet, wobei die Parameter d und r jeweils die Halbsumme und die Halbdifferenz der zu bestimmenden Hauptverformungen sind.
Erfindungsgemäß wird also eine Rosettenspannungslehre mit dielektrischen Leitern, insbesondere optischen Fasern, im Prinzip bekannt, üblicherweise benutzt zum Messen von Spannungen von im Voraus unbekannter Richtung, die in einem Punkt auf ein Teil wirken, überraschenderweise im Falle eines Teils benutzt, das einer Spannung ausgesetzt ist, die nur eine Komponente hat. Die Lösung eines Systems von Gleichungen durch eine Rechenschaltung ermöglicht die Bestimmung der Spannung, unabhängig von der Temperatur, wenn die Rosette durch zwei Lichtleitfaser-Spannungslehren gebildet wird, und des Positionierungswinkels der Rosette auf dem Teil, wenn sie durch drei Spannungslehren gebildet wird. Dieses Prinzip ist für alle Spannungslehren gültig, die eine Veränderung des optischen Wegs unter Spannung messen, insbesondere für die photoinduzierten Bragg-Gitter.
Vorteilhafterweise wird die Rosette durch drei Bragg-Gitter gebildet, die um 120º oder um 45º gegeneinander versetzt sind. Diese drei Gitter können gleichzeitig oder nacheinander durch dasselbe optische Einstrahlungsbündel induziert werden. Diese drei Gitter können auch ungleichzeitig induziert werden und unterschiedliche charakteristische Wellenlängen aufweisen.
Vorteilhafterweise sind die dielektrischen Leiter optische Fasern.
Dieses Mikrosystem umfasst wenigstens einen dielektrischen Leiter mit Polarisationsaufrechterhaltung oder nicht, in den die Spannungslehren integriert sind, die Dehnungswandler bzw. -umsetzer sind, angeordnet entsprechend bekannten nichtparallelen Richtungen. Die Dehnungswandler bzw. -umsetzer, die selbst dielektrische Leiter sind, können in ein örtlich ebenes Trägermaterial, dessen Verformungen zu bestimmen sind, eingebettet oder auf dessen Oberfläche geklebt sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind diese Wandler Bragg-Gitter, die mit Phasenanpassung arbeiten, und die Leiter sind photosensible Einmodenleiter (z. B. mit Germaniumsilikat-Matrix oder mit Seltenerd-Ionen dotiert (Ce³&spplus;, ...)).
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel arbeiten die Wandler mittels interferometrischem Effekt (Fabry-Perot-, Michelson- oder Mach-Zehnder-Interferometer) und die Leiter sind Einmodenleiter.
Bei einem Ausführungsbeispiel misst jede Spannungslehre eine Veränderung des optischen Wegs in Abhängigkeit von der zu messenden Spannung, die eine Spektralverschiebung bewirkt (Bragg-Gitter).
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel misst jede Lehre eine Veränderung des optischen Wegs in Abhängigkeit von der zu messenden Spannung, die eine Interferenzstreifenverschiebung bewirkt (Fabry-Perot-, Michelson-, Mach-Zehnder- Interferometer).
Das erfindungsgemäße optische Mikrosystem kann derartig sein, dass die die Rosette bildenden Lehren in Reihe auf demselben dielektrischen Leiter angeordnet sind.
Das Mikrosystem kann auch eine Konfiguration des Typs abgeglichenes Sagnac- Interferometer aufweisen, das einen Koppler mit 50% Reflexion in dem Nutzungsspektralband verwendet, wobei diese Konfiguration durch eine einzige Leiterebene gebildet wird und ermöglicht, eine Rosette zwischen zwei Ebenen eines Materials einzuschließen.
Das vorliegende Mikrosystem ermöglicht also, ein optisches Signal zu liefern, das ermöglicht, eine reine Längsspannung zu messen (Zug, Druck), und dies unabhängig von der Temperatur und der Positionierung dieses optischen Mikrosystems auf dem Trägermaterial, dessen Spannungen zu bestimmen sind. Der so gebildete Längsspannungssensor ist also perfekt an eine industrielle Umgebung angepasst (Baustelle, ...), denn er bedarf keines Temperaturkorrekturverfahrens mehr und kann beliebig in jeder Lage in einem ebenen Bereich des zu überwachenden Teils (Träger, Mast, Tafel, ...) angeordnet werden. Eine interessante Sonderanwendung besteht darin, die empfindliche Faser im Innern eines Materials des Verbundtyps anzubringen. Die Faser kann vorteilhafterweise mehrere Verstärkungsfaser ersetzen (typischerweise aus Kohlenstoff) und behält die Ausrichtung dieser Fasern bei. Die die Rosette bildenden Fasern befinden sich im Innern paralleler Ebenen mit verschiedenen Ausrichtungen. Eine solche Rosette kann in eine Rippe oder einen Holm eines Flugzeugflügels aus Verbundmaterial integriert sein und die Längsspannungsinformation kann unabhängig von der bekannten (nichtparallelen) Ausrichtung der zwei oder drei Spannungslehren der Rosette gefunden werden.
Die Spannungsinformation kann optisch auf verschiedene Weise ausgedrückt werden, denn das Mikrosystem kann verschiedene physikalische Detektionsprinzipien nutzen (Interferometrie, Phasenabgleichung), soweit alle diese Prinzipien den dielektrischen Leiter als intrinsischen Sensor benutzen, wobei der effektive Leitungsindex und die Wechselwirkungslänge dieses Leiters zusätzlich zu den Spannungen von der Temperatur abhängen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

- Die Fig. 1A, 1B, 1C und 1D zeigen das Filterverhalten der photoinduzierten Bragg- Gitter;
- die Fig. 2A, 2B und 2C sind typische Beispiele bekannter Rosettenspannungslehren;
- die Fig. 3A, 3B und 3C sind Konfigurationsbeispiele erfindungsgemäßer Rosetten mit drei Bragg-Gittern;
die Fig. 4 zeigt die Konfiguration der optischen Spektren als Funktion der Wellenlänge;
- die Fig. 5A, 5B und 5C zeigen eine Bragg-Rosette mit Sagnac-Interferometer;
- die Fig. 6 zeigt eine interferometrische Anordnung zum Einschreiben photoinduzierter Bragg-Gitter nach der sognannten "Prisma"-Methode;
- die Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines Trägers einer Rosette mit drei Lehren;
- die Fig. 8A und 8B zeigen ein Bragg-Rosetten-Sensorengitter;
- die Fig. 9A zeigt eine Mach-Zehnder-Interferometer-Spannungslehre zum Messen einer Längsspannung;
- die Fig. 9B zeigt eine Mach-Zehnder-Interferometer-Rosette zum Messen einer Längsspannung;
- die Fig. 10 zeigt eine Übertragungsfunktion der Michelson- und der Mach-Zehnder- Interferometer;
- die Fig. 11 zeigt eine Michelson-Interferometer-Rosette;
- die Fig. 12 zeigt die typischen Übertragungsfunktionen eines Fabry-Perot- Interferometers für mehrere Reflexionskoeffizienten;
- die Fig. 13 zeigt eine Fabry-Perot-Interferometer-Rosette.

Detaillierte Darstellung von Ausführungsarten

Um die erfindungsgemäße Vorrichtung besser beschreiben zu können, werden zunächst einige Erinnerungen bezüglich der photoinduzierten Bragg-Gitter aufgefrischt.
Das Prinzip der als Spannungslehren arbeitenden Bragg-Gitter besteht darin, die Abhängigkeit des Reflexions- oder Transmissionsspektrums dieses einer entsprechend der Achse einer Faser ausgerichteten, lokalen Spannung ausgesetzten Transducers bzw. Wandlers zu nutzen. Das Gitter überträgt nur die entsprechend der lokalen Achse der Faser ausgerichtete Spannung.
Wie in der Fig. 1A dargestellt, filtert das Bragg-Gitter das Reflexionslicht, wobei die Wellen (einfallende und reflektierte) geleitet bleiben. Die gefilterte Wellenlänge (als Reflexion) ist die, die der Phasenabstimmung entspricht (Bragg-Bedingung):
λr = 2.N.Λ (1)
wo λr die Länge der reflektierten Welle ist, N der effektive Index der geleiteten Mode ist (z. B. fundamental: LP&sub0;&sub1;), und Λ die räumliche Periode des photoinduzierten Gitters ist.
So zeigen die Fig. 1B bis 1D das Filtrierverhalten der drei in der Fig. 1A dargestellten photoinduzierten Bragg-Gitter RB1, RB2 und RB3.
Die Fig. 1B, 1C und 1D sind Intensitätskurven in Abhängigkeit von der Wellenlänge von jeweils dem Spektrum beim Einfall, der Transmission und der Reflexion.
Die optischen Fasern sind meist Einmodenfasern, damit die gesamte Energie, die sich in einer einzigen Mode ausbreitet, beinahe ganz mit der Abstimmungswellenlänge reflektiert wird (Reflexion über 95%). In dem Fall, wo die Faser eine Einmodenfaser ist, ist die Wellenlängenabstimmung bei jeder Mode anders.
Diese Fasern haben meist einen Siliciumdioxidkern, codotiert mit Germaniumoxid, jedoch wurden auch Codotierungen mit Aluminiumoxid oder Seltenerdoxiden (Cerium) veröffentlicht. Die Diffusion von Wasserstoff oder von Deuterium im Kern ermöglicht auch, die Photoempfindlichkeit der Siliciumdioxidfasern zu erhöhen. Andere Gläser, des Typs Fluorgläser, z. B. codotiert mit Seltenerdoxiden, ermöglichen ebenfalls, photoinduzierte Bragg- Gitter herzustellen.
Die Einstrahlung modifiziert die lokale Brechzahl so, dass eine räumlich periodische Einstrahlung das Gitter erzeugt, entweder durch interne Einstrahlung (stationäre Wellen im Leiterinnern), oder durch externe Einstrahlung (Interferenzstreifen mit zwei Wellen). Die externe Einstrahlung ermöglicht, ein Gitter mit egal welcher räumlichen Periode einzuschreiben, während die interne Einstrahlung nur ermöglicht, ein Gitter mit der der halben Einstrahlungswellenlänge entsprechenden Periode einzuschreiben.
Die Einschreibmethoden wurden in zahlreichen Patenten und Veröffentlichungen beschrieben. Die externe Einschreibmethode mittels Zweiwellen-Interferometrie (die meistgebrauchte), wird beschrieben in dem Patent WO 86/0 1303, angemeldet durch W. H. Glenn, G. Meltz und E. Snitzer.
Die auf dem Einsatz von Bragg-Gittern basierenden optischen Wandler haben zahlreiche Vorteile: sie reagieren nicht auf elektromagnetische Störungen, ermöglichen das Multiplexing (z. B. Wellenlängen-Multiplexing im uns beschäfigenden Fall), haben Abmessungen im Millimeterbereich (Mikrosystem-Lösung) und führen zu Auflösungen und Messempfindlichkeiten, die mit den klassischen Methoden vergleichbar sind, z. B. mit den resistiven Spannungslehren bzw. Dehnungsmessstreifen mit Metalldrähten oder Halbleitern.
Die Sensoren, die das Prinzip der Abhängigkeit von der Abstimmungswellenlänge des Bragg-Gitters in Abhängigkeit von der Dehnung dieses Gitters (als Folge einer Spannung) nutzen, sind über den Wärmedehnungskoeffizienten der Matrix (meist Siliciumdioxid) ebenfalls abhängig von der Temperatur und von der Wärmeempfindlichkeit ihrer Brechzahl. Bei den meisten realen Anwendungen (außerhalb des Labors) wird die Temperatur nicht kontrolliert und es ist leicht nachzuweisen, dass die Längung aufgrund von Wärmedehnung nicht vernachlässigt werden kann hinsichtlich der durch die Spannung bewirkten Verlängerung, die man messen will.
Das Konzept mit der Rosette ist nicht neu und die Rosetten werden seit langem verwendet, um die Werte der beiden Hauptspannungen der Ebene sowie die Ausrichtung des Hauptbezugssystems zu bestimmen, wenn die Temperatur T bekannt ist. Das Prinzip einer Spannungslehren-Rosette mit optischen Fasern wurde beschrieben in einer kürzlichen Veröffentlichung von T. Valis, D. Hogg und R. M. Measures (Smart Mater. Struct., Vol. 1, 1992, Seiten 227-232). Diese Rosette benutzt entweder Fabry-Perot-Interferometer oder Michelson- Interferometer als Spannungslehren, wie dargestellt in den Fig. 2B und 2C.
Die Fig. 2A, 2B und 2C sind nämlich typische Beispiele von Spannungslehren- Rosetten, mit denen man zwei Hauptspannungen in der Ebene der Lehren sowie die Ausrichtung ihres Hauptbezugssystems messen kann. Die Fig. 2A zeigt eine klassische Rosette (elektrisch) mit Metallbahnen 10. Die Fig. 2B zeigt eine optische Michelson- Interferometer-Rosette mit Messarmen 11 und einem Bezugsarm 12. Die Fig. 2C zeigt eine optische Fabry-Perot-Interferometer-Rosette (mit einem durch eine dielektrische Schicht 68 gebildeten Resonator, abgeschieden am Faserende, und einer semi-reflektierenden Schweißung 13). Bei diesen beiden letzten Figuren ist die Breite e z. B. gleich 125 um und die Länge 14 ist die empfindliche Länge.
Diese Rosetten wurden auf klassische Weise eingesetzt, d. h. um die Ausrichtung des Hauptbezugssystems der Spannungen sowie die Werte der beiden Hauptspannungen der Ebene zu finden, davon ausgehend, dass die Temperatur der Messfasern bekannt ist (was in der Praxis nicht der Fall ist).
Die Neuartigkeit der Erfindung beruht darin, dass man diese Geometrie benutzt, um punktuell nur eine Spannung zu messen, aber unabhängig von der Temperatur und der Positionierung der Rosette in ihrer Ebene. Sie ist in dem Sinne neuartig, dass sie ermöglicht, sich gänzlich freizumachen von den Wirkungen der Temperatur, und nur die Wirkungen zu messen, die von den zu bestimmenden Zug- und Druckkräfte ausgehen (was effizienter ist als die oben erwähnten Konzepte), vorausgesetzt die Spannung ist im Falle einer einfachen Rosette eine reine Längsspannung.
Der Vorteil liegt darin, dass die Information gefunden werden kann, unabhängig davon, wie die Rosette auf der Oberfläche oder im Innern des Trägermaterials positioniert ist, und darin, dass man aufgrund der punktuellen Messung keine als Bezugsfaser dienende zweite Faser benötigt, um sich von der Temperatur freizumachen. Diese Lösung beseitigt also das Problem des Empfindlichkeitskonflikts in Bezug auf die Spannungen und die Temperatur im Falle einer Längsspannung (Rippe, Holm, Mast, Träger, ...) und löst das Problem, einen zuverlässigen Temperaturbezug zu finden.
Obwohl dieses Mikrosystem-Konzept hier mit optischen Fasern dargestellt wird (erstes Integrationsniveau) kann es in integrierter Optik realisiert werden (zweiter Integrationsgrad).
Die Erfindung besteht darin, die Differenzen der charakteristischen Wellenlängen von zwei (oder drei) Gittern zu messen. Diese Gitter können a priori beliebig ausgerichtet sein, jedoch nicht parallel zueinander.
Wenn die Rosette nur aus zwei Gittern besteht, ist es möglich, daraus die ausgeübte Längsspannung abzuleiten, unabhängig von der Temperatur, wobei vorausgesetzt wird, dass der Positionierungswinkel dieser Rosette bezüglich der Richtung dieser Spannung bekannt ist.
Wenn hingegen die Rosette durch drei Gitter gebildet wird, ist es möglich, daraus die ausgeübte Längsspannung unabhängig von der Temperatur und von der Positionierung abzuleiten (d. h. den Winkel, den die Rosettenausrichtung mit der Richtung der zu bestimmenden Spannung bildet).
In der Praxis sind diese drei die Rosette bildenden Gitter generell um entweder 120º oder 45º gegeneinander versetzt, um die Resultate mit einfacheren mathematischen Formeln berechnen zu können.
Die Fig. 3A, 3B und 3C zeigen Beispiele der Konfiguration von Rosetten mit drei Bragg-Gittern RB1, RB2 und RB3, die jeweils die Verformungen &epsi;&sub1;, &epsi;&sub2; und &epsi;&sub3; von jeweils einer 120º-Rosette, einer 45º-Rosette und einer 120º-Bragg-Gitter-Rosette mit drei Lehren J1, J2 und J3 mittels einer optischen Siliciumdioxid-Faser 15 (photoinduziert) messen.
Jedoch entsprechen aus Gründen der Herstellungstoleranzen die Positionierungswinkel nicht immer genau den idealen Werten, sodass die numerische Auflösung eines unten definierten Gleichungssystems (3) der Rosette angewandt wird.
Aus Sicht der Spektralabfrage kann man mehrere Lösungen in Betracht ziehen. Als Beispiel kann man zwei nennen:
- Die drei Gitter werden simultan oder nacheinander durch denselben Lichtstrahl eingeschrieben (sie haben also dieselbe Übertragungsfunktion und folglich die gleiche charakteristische Wellenlänge): das Messen des spektralen Maximums ist mit dieser Technik nicht mehr einfach möglich, da sich die charakteristischen Spektren überlappen. In diesem letzteren Fall ist eine komplexere Abfragtechnik nötig; im vorliegenden Fall z. B. eine zeitlich aufgelöste Abfrage, wie beschrieben in dem Patent US-4 996 419 von W. W. Morey.
- Die drei Gitter werden nicht simultan eingeschrieben und können unterschiedliche charakteristische Wellenlängen aufweisen: diese Lösung ist einfacher anzuwenden hinsichtlich der Messung und des Demultiplexing.
In diesen beiden Fällen müssen die Gitter in Fasern eingeschrieben werden, die dieselben Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen. Diese Bedingung ist nur dann erfüllt, wenn die Fasern genau gleich sind (von demselben Vorformprodukt stammend). Wenn man von der Hypothese ausgeht, dass die Bragg-Transducer bzw. -Wandler, die die Rosette bilden, genügend nahe beieinander sind, um dieselbe Temperatur zu haben, ermöglicht die Messung der Differenzen der charakteristischen Wellenlängen, die Zugspannung unabhängig von der Temperatur zu bestimmen.
In der Folge wird diese Annäherung mehr im Detail untersucht.
λ&sub1;, λ&sub2; und λ&sub3; sind die charakteristische Wellenlängen von den drei die Rosette bildenden Bragg-Gittern, und λ , λ und λ sind die charakteristischen Wellenlängen ohne Verformungen und mit einer Bezugstemperatur T&sub0;.
Die Wellenlängenänderungen können sich für alle Gitter folgendermaßen schreiben (i = 1, 2 und 3):
Δλ/λ 0,78·&epsi;[u&epsi;] + 8,6·10&supmin;&sup6;·ΔT[K] - 5,2·10&supmin;&sup6;·ΔP[MPa]
Δλ&sub1; = λiλ = ξi + &epsi;i + ξ&sub2;·(T - T&sub0;) + ξ&sub3;·(P - P&sub0;) (2)
wo ξ&sub1; der Koeffizient ist, der die charakteristische Wellenlänge mit der Verformung verknüpft, und ξ&sub2; der Koeffizient der Wärmeausdehnung ist. Der Koeffizient ξ&sub1; (der von λ abhängt), kann experimentell genau gemessen werden. Er beträgt ungefähr 1 um mal bzw. durch u&epsi; (1 u&epsi; entspricht einer Verformung von 1 um/m) bei der Wellenlänge 1300 nm und einer Germaniumsilikat-Einmodenfaser. Der Koeffizient ξ&sub2; hat die Größenordnung 1o um/K und der Koeffizient ξs wird generell vernachlässigt; er beträgt -5pm/Mpa.
Zur Vereinfachung werden die drei Wellenlängen λ&sub1;, λ&sub2; und λ&sub3; als sehr nahe beieinanderliegend betrachtet (um einige nm verschoben).
Man erhält dann das folgende Gleichungssystem:
Die beiden Winkel β&sub1; und β&sub2;, die die Rosette charakterisieren, können beliebig sein (aber nicht null modulo π), und α ist der Winkel, den die Richtung der zu bestimmenden Hauptspannung (σx) mit der Richtung der Bezugsspannungslehre der Rosette bildet (hier die Lehre J1). Dieser Winkel α ist a priori unbekannt und ist abhängig von den Positionierungstoleranzen (Position der Lehre-Rosette auf der Oberfläche des Trägermaterials).
Die Parameter d und r sind jeweils die Halbsumme und die Halbdifferenz der zu bestimmenden Hauptverformungen.
Wenn die Rosette beliebige aber bekannte Winkel β&sub1; und β&sub2; aufweist, ist es möglich, daraus die reine Hauptzugspannung abzuleiten, indem man das System (3) numerisch löst.
Die Verformungsgleichungen ermöglichen, die folgende Zugspannung gemäß der einfachen analytischen Form zu formulieren:
wo E und v jeweils der Young-Modul und der Poisson-Koeffizient des Träger- oder Wirt- Materials sind (Verbundmaterial, Metall, Beton, ...).
Es gilt f(T) = ξ&sub2;·(T - T&sub0;); wenn die Rosette genau gemäß einem Winkel von 120º gebaut ist, wird der Ausdruck r durch die folgende Formel geliefert:
oder schließlich, nach Vereinfachung:
und ebenso:
oder, nach Vereinfachung:
Man stellt fest, dass r und α unabhängig sind von T, da die beiden Gleichungen, die sie charakterisieren, Spektraldifferenzausdrücke sind (Wellenlängenabstände zwischen den Spitzen bzw. Maxima der paarweise genommenen Bragg-Gitter-Übertragungsfunktionen). Man ebenfalls fest, dass r und α auch von dem Druck P unabhängig sind, der wie die Temperatur gleichmäßig in allen Richtungen des Raums wirkt. Die beiden obigen Gleichungen (5) und (6) ermöglichen, die Spannung direkt aufgrund der gemessenen Wellenlänge zu formulieren, da:
mit:
Die auf das Material ausgeübte reine Zugspannung schreibt sich schließlich im Falle der Rosette mit drei genau um 120º versetzten Lehren:
Dementsprechend gilt für eine Rosette mit drei genau um 45º versetzten Lehren:
mit: Δλ&sub3;&sub1; = λ&sub3; - λ&sub1; und Δλ = λ - λ ; usw. durch zyklische Vertauschung.
Wenn die Wellenlängen λ&sub1;, λ&sub2; und λ&sub3; durch mehr als einige nm getrennt sind (aber noch immer in demselben, einige zehn nm breiten Spektralband), müssen die Gleichungen (7) und (8) neu geschrieben werden, indem das Glied:
(λ&sub1; - λ ) - (λ&sub2; - λ ) = Δλ&sub1;&sub2;Δλ
ersetzt wird durch das Glied:
und ebenso:
und:
wobei der Koeffizient ξ&sub1; nach der Wellenlänge λ&sub1; definiert wird.
Der Sensor kann optisch kontinuierlich oder impulsartig abgefragt werden, mit Hilfe einer Quelle, die spektral breiter ist oder, ganz im Gegenteil, sehr viel feiner als die spektrale Breite des abgefragten Bragg-Gitters.
Zwei Konzeptionen können gewählt werden:
- Passiver Sensor: das gemessene optische Signal entspricht der Reflexion (oder der Transmission) eines Abfragesignals mit breitem Band, oder mit abstimmbarem schmalem Spektrum;
- Aktiver Sensor: das gemessene optische Signal entspricht der Emission des Lasersensors, abgefragt durch ein optisches Pumpsignal (mit einer von der Laseremission verschiedenen Wellenlänge).
In beiden Fällen ist die Methode der optischen Detektion dieselbe. Sie besteht darin, die Spektren der Reflexion oder Transmission (Passivsensoren) oder Reemission (Aktiv-, Laser- Sensoren) zu beobachten, um daraus die charakteristischen Wellenlängen abzuleiten.
Die Fig. 4 zeigt eine Kurve der optischen Spektren SO als Funktion der Wellenlänge λ, die ermöglicht, die verschiedenen charakteristischen Wellenlängen zu definieren. Die differentiellen Verformungen zwischen jedem Gitter können direkt aus dem optischen Spektrum gemessen werden.
Zwei Anordnungen können vorgesehen werden, je nach dem, ob das Abfrageverfahren mit Reflexion oder Transmission arbeitet. Der Reflexionsbetrieb ist in den Fig. 8A und 8B dargestellt.
Es ist jedoch möglich, eine Schleife (Sagnac-Interferometer) dank eines optischen Kopplers zu realisieren, dessen Kopplungsquote in dem interessanten Spektralband nahe bei 50% Reflexion liegt. Dieses ausgeglichene Interferometer (50%) bildet einen "Faserspiegel" entsprechend einer Publikation von K. O. Hill et al. (Electr. Lett., Vol. 23, Nr. 9, 1987, Seiten 465-466). Das Sagnac-Interferometer ermöglicht dann, die Betriebsweise der Rosette umzukehren, die von der Reflexion zur Transmission übergeht, sobald die Kohärenzlänge der gefilterten Welle den Spektralabstand zwischen den beiden äußersten Gittern überschreitet.
Die Fig. 5A, 5B und 5C zeigen eine Sagnac-Interferometer-Bragg-Rosette im Transmissionsbetrieb, mit einer optischen Eingangsquelle mit Breitband, dargestellt in der Fig. 5A, mit einem in der Fig. 5B dargestellten Koppler und einem in der Fig. 5C dargestellten Linienspektrum, beobachtet bei Transmission.
Der zweite Vorteil des Sagnac-Interferometers beruht auf der Tatsache, dass das Faser- Mikrosystem durch eine einzige Faserebene gebildet wird. Es scheint dann möglich, die Rosette z. B. einzubetten zwischen zwei Schichten aus einem Verbundmaterial.
In praktischer Hinsicht kann die Messmethode aus einer "nur optischen" Lösung bestehen (ein Transmissionsfilter oder ein Interferometer mit einer zur gemessenen Wellenlänge proportionalen Transmission einschließend) oder aus einer optischen und elektronischen Lösung (mit Erfassung durch Abtastung und Datenverarbeitung durch spezialisierten Prozessor).
Der Vorteil, Gitter mit denselben Charakteristika zu verwenden, beruht auf der Tatsache, dass man bei der Einstrahlung, die für alle Gitter gleich sein muss, nicht die Einschreib- Einstellungen modifizieren muss, jedoch ist es einfacher, die Übertragungsfunktionen der Fasern zu unterscheiden, wenn diese gut getrennt sind (die optischen Signale überlagern sich nicht), und folglich erscheint es doch vorteilhaft, verschiedene Einstrahlungen vorzunehmen, um unterschiedliche charakteristische Wellenlängen zu erzeugen.
Die verwendeten Fasern können Polarisationsaufrechterhaltungsfasern sein oder nicht. Bei Fehlen der Polarisationsaufrechterhaltung bewirken die Doppelbrechungen von Spannungen einen schlecht definierten Polarisationszustand und eine weniger genaue Messung der Spannungen, als bei Fasern mit einer Polarisationsaufrechterhaltung, wie T. Valis et al. festgestellt haben.
In der Folge werden mehrere praktische Ausführungen betrachtet.
Die Ausführung der Rosette zerfällt in zwei Teile: den Teil, in den die Bragg-Gitter eingeschrieben werden, und den Teil, der mit dem Trägermaterial integriert ist, auf der Oberfläche oder im Innern.

Einschreiben der die Rosette bildenden Gitter

Die Einschreibmethoden der Bragg-Gitter werden in zahlreichen Patenten und Veröffentlichungen beschrieben (Interferometriemethode mit zwei Wellen, Maskierung mit ebenem Gitter, Vorbeiführung der Faser unter einem Schlitz, ...); insbesondere in dem Patent WO 86/01303 von W. H. Glenn, G. Meltz und E. Snitzer.
Eine große Anzahl von Veröffentlichungen beschreiben die Einschreibtechnik, insbesondere:
G. Meltz et al., Opt. Lett., Vol. 14, Nr. 15,1989, Seiten 823-825,
K. O. Hill et al., Appl. Phys. Lett., Vol. 62, Nr. 10, 1993, Seiten 1035-1037,
K. O. Hill et al., Electr. Lett., Vol. 27, Nr. 17, 1991, Seiten 1548-1551,
G. Meltz et al., SPIE 1516, 1991, Seiten 185-199,
S. Legoubin et al., JNOG 92, Seiten 175-177,
M. M. Broer et al., Opt. Lett., Vol. 16, Nr. 18, 1991, Seiten 1391-1393.
Die für die Einstrahlung bestimmte Faser wird von ihrem Überzug befreit (indem man sie, falls dieser durch Epoxyacrylat gebildet wird, z. B. in ein Dichlormethan-Bad taucht).
Anschließend erfolgen drei Einstrahlungen mit unterschiedlichen räumlichen Perioden, die die drei Gitter bilden. Alle oben beschriebenen Einstrahlungsmethoden sind anwendbar, aber die Methode, die für unseren Fall am besten geeignet erscheint, ist die Methode des rechtwinkligen Prismas, denn sie einfacher zu instrumentieren. Diese Methode ermöglicht nämlich, nur einen einzigen Einfallwinkel zu kontrollieren, im vorliegenden Fall den Einfallwinkel des Einstrahlungsbündels auf der Hypotenusenfläche des Prismas.
Die Fig. 6 zeigt eine interferometrische Anordnung zum Einschreiben des photoinduzierten Bragg-Gitters nach der sogenannten Prisma-Methode, mit einer photosensiblen Faser 20, einem Prisma (rechtwinklig) 21, auf dem ein UV- Einstrahiungsbündel 22 eintrifft (geringe Divergenz), mit einer Darstellung der Interferenzstreifen 23.
Der Einfallwinkel auf der Prismenfläche ist mit der Reflexionswellenlänge des Gitters durch folgende Relation verbunden:
wo np der Index des Prismas für die Einstrahlungswellenlänge (λUV) ist, und N der effektive Index der geleiteten Mode (mit der Bragg-Wellenlänge (λB)) ist, schon definiert in der Relation (1).
Also, entweder durch Aufspalten des Einstrahfbündels in drei Bündel entsprechend drei Prismen, die entsprechend den etwas unterschiedlichen Einfallwinkeln ausgerichtet sind, oder durch sukzessives genaues Drehen (Rotationsplatine) desselben Prismas um einen entsprechenden Winkel, werden die drei Bragg-Gitter mit leichten Unterschieden der charakteristischen Wellenlängen (z. B. einige nm) eingestrahlt, simultan im ersten Fall und sequentiell im zweiten Fall.
Die bestrahlte räumliche Zone ist groß (typisch einige mm Länge auf 100 um Breite), sodass die Positionierungsspannungen der Faser auf dem Einstrahlungsträger nicht einschränkend sind.
Die Größe der Rosette ist abhängig von der Krümmung der Fasern. Eine Rosette von 2 cm Breite auf 5 cm Länge ist leicht realisierbar und nach der Publikation von H. W. Haslach und J. S. Sirkis (Appl. Opt., Vol. 30, Nr. 28, 2992, Seiten 4069-4080) erscheint es möglich, eine Rosette mit kleineren Abmessungen (6 · 9 mm²) zu realisieren.

Integration des Trägers

Nach der Einstrahlung muss die Rosette handhabbar bleiben, ohne Verschlechterungsrisiko und mit Beibehaltung der genauen Einstrahlrichtungen.
Die Fasern werden anschließend auf einen flexiblen Träger geklebt. Es ist auch möglich, die vorpositionierte Rosette einzubetten in eine polymerisierende Flüssigkeit, um den Aufbau zu verfestigen und handhabbar zu machen in industrieller Umgebung.
Die Fig. 7 zeigt ein Rosettenträgerbeispiel mit drei Lehren zur Positionierung der zu bestrahlenden Faser, mit einem flexiblen Träger 24, einer optischen Siliciumdioxidfaser 25, Positionierungsträgern 26, photoinduzierten Bragg-Gitter 27, mit Zugaufrechterhaltung 28.
Die Rosette kann auf verschiedene Weisen abgefragt werden: temporelle, frequentielle oder kohärente Abfrage. Diese Lösungen werden jedoch in der Praxis wenig benutzt aufgrund der Komplexität der Detektionselektronik und da die Lösung eher darin besteht, das optische Wellenlängen-Multiplexing zu benutzen.
Das Prinzip des optischen Multiplexing wurde schon in zahlreichen Patenten und Publikationen beschrieben. Nennen kann man das Patent WO 86/01286, angemeldet durch G. Meltz, W. H. Glenn und E. Snitzer, oder auch noch das Patent US 5191458, angemeldet durch D. R. Lyons und S. M. Reich.
Das Wellenlängen-Abfrageprinzip ist schon beschrieben worden: entweder ist der Sensor passiv und beschränkt sich dann darauf, ein optisches Reflexionssignal (mit schmalem Spektrum) zurückzusenden, oder der Sensor ist aktiv und sendet dann wieder seine eigene Strahlung aus, nachdem sie durch ein optisches Abfragebündel stimuliert worden ist.
Dieser letztere Fall (aktiver Sensor) entspricht einer Lasersensor-Konzeption, bei der die Spannungen die Rückkopplungsaktionsbedingung insbesondere eines Faserlasers modifiziert (meist spektral). Eine solche Vorrichtung wird in einigen Publikationen beschrieben, darunter die kürzliche Publikation von S. Melle et al. (IEEE Phot. Tech. Lett., Vol. 5, 1993, Seiten 263- 266).
Im Falle eines passiven Sensors dienen entweder eine Breitspektrumquelle (superlumineszente Diode) oder ein abstimmbarer Laser (mit weniger breitem Spektrum als das Gitter) als optisches Abfragebündel. Bei der schnellen Detektion kommt meist ein abstimmbares Fabry-Perot-Interferometer zum Einsatz, aber es sind auch andere Lösungen verwendbar (Mach-Zehnder-Interferometer, ...).
Die Fig. 8A und 8B zeigen zwei Beispiele von optischen Multiplexing-Schaltungen. Diese Figuren beschreiben ein Bragg-Rosetten-Sensoren-Gitter mit Reflexionsabfrage und dazugehörender Signalverarbeitung, jeweils für eine Abfragewellenlängen-Modulation (Fig. 8A) und eine Lesewellenlängen-Modulation (Scanning) (Fig. 88):
In der Fig. 8a ist eine wellenlängen-modulierbare optische Quelle 30 dargestellt, verbunden mit einem optischen Koppler 31 aus optischen Fasern, dessen einer Zweig mit einem Photodetektor 32 verbunden ist, auf den ein Erfassungsmodul 33 und ein Modulator 34 folgen, der seinerseits wieder mit der Quelle 30 verbunden ist. Jede Rosette wird durch drei Lehren J1, J2 und J3 gebildet.
In der Fig. 8B ist eine optische Quelle 36 mit breitem Spektralband mit einem optisch Koppler 37 aus optischen Fasern verbunden, dessen zweiter Zweig mit einem abstimmbaren Fabry-Perot-Interferometer 38 und einem Erfassungsmodul 39 verbunden ist. In dieser Figur sind ebenfalls die Rosetten R1 und R2 und die Lehren J1, J2 und J3 dargestellt.
Die Art und Weise, wie die Bragg-Gitter in der Messleitung verbunden sind, dient nur der Erläuterung. Jede Anordnung jeder einzelnen Lehre ist denkbar.
Diese Demultiplextechniken können auch auf die Regelverfahren ausgedehnt werden, die ermöglichen, den Spektralverschiebungen der Bragg-Gitter in Echtzeit zu folgen, was A. D. Kersey, T. A. Berkoff und W. W. Morey gezeigt haben (Opt. Lett., Vol. 18, Nr. 16, 1993, Seiten 1370-1372.
Die Schaltung umfasst ebenso viele Rosetten wie Messpunkte.
Die erfindungsgemäß definierte Rosette kann ein physikalisches Phänomen der Phasenabstimmung (Bragg-Gitter) aber auch die Zweiwellen-Interferometrie (Michelson und Mach-Zehnder) und die Mehrwellen-Interferometrie (Fabry-Perot) nutzen.
Nachdem gezeigt wurde, wie eine solche Bragg-Gitter-Rosette und ihre Verarbeitung des dazugehörenden Signals realisiert werden, wird nun die Ausführung einer solchen Rosette vervollständigt, die speziell die Interferometrie nutzt.
Oben wurde das Problem des Empfindlichkeitskonflikts bezüglich der Temperatur und der Spannungen beschrieben, und es wurde im Falle der Bragg-Gitter gezeigt, wie der Temperatureffekte unterdrückt wird, um nur den Effekt zu messen, der auf die gesuchte Hauptlängsspannung zurückzuführen ist, und dies unabhängig von der Position bzw. Lage der Rosette in ihrer Ebene, wenn sie durch drei Lehren gebildet wird.
Die durch interferometrische Sensoren gebildeten Rosetten unterliegen denselben Empfindlichkeitskonflikt-Problemen in Bezug auf die Spannungen und die Temperatur. Also können bei der erfindungsgemäßen optischen Rosettenvorrichtung Bragg-Gitter oder Interferometer verwendet werden.
In der Folge wird das Verhalten der interferometrischen Transducer bzw. Wandler, ihre praktische Ausführung sowie die mit ihnen verbundene Signalverarbeitung detailliert beschrieben.

Verhalten der interferometrischen Dehnungswandler

Im Gegensatz zu den Bragg-Gittern, wo die Information durch eine Wellenlänge ausgedrückt wird, liefern die interferometrischen Wandler eine Information in Form einer optischen Phasenverschiebung. Das Interferometer hat dann den Zweck, diese Phasenveränderung als Intensitätsveränderung auszudrücken, und es ist diese Intensitätsveränderung, die tatsächlich beobachtet wird, um daraus die Phasenveränderung abzuleiten, wobei das Umwandlungsgesetz von Phase in Intensität bekannt ist und vom Interferometertyp abhängt.
Dieser optische Rosettentyp erfordert also die Verwendung einer optischen Quelle mit einer Kohärenzlänge größer als die Differenz des charakteristischen optischen Wegs des Interferometers (typisch einige nm bis einige cm). Die am meisten verwendeten optischen Quellen sind dann die Laserdioden wegen ihrer ausreichenden zeitlichen Kohärenz und ihrer mit den Anwendungen der optischen Fasersensoren kompatiblen Integrierbarkeit.
Das allgemeine Gesetz, das die induzierte Phasenverschiebung mit den zu messenden physikalischen Parametern (Druck, Temperatur und Spannungen) verknüpft, schreibt sich folgendermaßen:
D /L = xT·dT + xs·de + xp·dP (10)
wo L die Längendifferenz zwischen dem Bezugsarm und dem Messarm bei den Mach- Zehnder- und Michelson-Interferometern ist, oder auch die Resonatorlänge im Falle des Fabry-Perot-Interferometers. Diese Länge entspricht dem Ungleichgewicht des geometrischen Wegs.
Bei einer Einmodenfaser aus Siliciumdioxid mit einer Wellenlänge von 850 nm haben die experimentellen Koeffizienten als durchschnittliche Werte (Anhaltswerte):
xT 100 Rad/m·K
xs 10&sup4; Rad/m·&epsi;
xp -5·10&sup5; Rad/m·Pa
(die relative Verlängerung schreibt sich:
&epsi; = Δl/l
wo Δl die Verlängerung ist und l die Anfangslänge, wobei 1&epsi; zu 100% der relativen Verlängerung entspricht).
Je nach Interferometertyp sind die Rosetten unterschiedlich konzipiert und das daraus resultierende Intensitätsgesetz ist spezifisch.

Mach-Zehnder-Interferometer-Rosette

Eine Rosette dieses Typs wird beschrieben in der Publikation von J. S. Sirkis und C. E. Taylor, Exp. Mech., 1988, Seiten 170-176, und von J. S. Sirkis und H. W. Haslach, J. of Light. Tech., Vol. 8, Nr. 10, 1990, Seiten 1497-1503. Ihre Beschreibung ist illustriert in Fig. 9A und ihre Konzeption sowie die Erfassungselektronik sind in diesen Publikationen beschrieben.
Diese Rosette wurde konzipiert, um nur eine Längsspannung zu bestimmen. Das Prinzip besteht darin, eine geometrische Konfiguration wie in der Fig. 9A zu wählen, damit die Differenz der optischen Wege proportional ist zu der entsprechend der Achse X der Figur wirkenden Spannung. Die beiden aus den beiden Fasern (Mess- und Bezugsfaser) austretenden Strahlen werden auf einen Schirm wie in der Fig. 9B projiziert, um die Interferenzfigur zu analysieren (Prinzip der Young-Schlitze, wobei die Kerne der beiden Fasern die Rolle der Schlitze spielen).
Die Fig. 9A zeigt eine Mach-Zehnder-Interferenz-Lehre zum Messen einer Längsspannung (nach Sirkis und Taylor): jeweils die experimentelle Anordnung und Montage. Die Fig. 9B zeigt eine Mach-Zehnder-Interferometer-Rosette.
In der Fig. 9A sieht man eine Messfaser 40 und eine Bezugsfaser 41, kreisförmig aufgeklebt. In der Fig. 9B sieht man einen Schirm 42, einen Träger 43, ein Teilerplättchen 44, Mikroskop-Objektive 45, Spiegel 46 und einen Laser 47.
Das Intensitätsgesetz und die Signalverarbeitung der Mach-Zehnder-Interferometer- Rosetten sind dieselben wie für die Michelson-Interferometer-Rosetten, die in der Folge beschrieben werden.

Michelson-Interferometer-Rosette

Diese Rosette und ihre Ausführung werden beschrieben in der Publikation von R. M. Measures mit dem Titel "Fiber Optic Fabry-Perot Strain Rosettes", Smart. Mater. Struct., Vol. 1,1992, Seiten 227-232. Sie ist in der Fig. 2B dargestellt.
Die Interferometrie erfolgt zwischen jedem der in den drei Messarmen reflektierten optischen Messbündel und dem reflektierten Signal, das vom Bezugsarm stammt (der den zu bestimmenden Spannungen nicht ausgesetzt ist).
Konstruktionsbedingt bzw. -abhängig kann die Phasenverschiebung Δ , induziert durch die Spannungen und die Temperatur, klein gewählt werden (unter π), sodass die Entwicklung der Intensität auf der Flanke der Übertragungskurve der Interferometer von Michelson und Mach-Zehnder erfolgt, wie dargestellt in der Fig. 10, die eine Intensitätskurve als Funktion der optischen Verzögerung R (Phasenverschiebung) eines Zweiwellen-Interferometers zeigt.
Dazu muss die Längendifferenz zwischen dem Messarm und dem Bezugsarm einige mm bis einige cm betragen.
Das Umwandlungsgesetz der Interferometer von Michelson und Mach-Zehnder ist:
wo i = 1 oder 2 oder 3 ist, je nach abgefragtem Messarm, und m der Kontrast (Sichtbarkeit) der Streifen ist. m ist ein Versuchsparameter (positiv und unter 1), der von den jeweiligen Intensitäten des Bezugsbündels und des Messbündels abhängt, festgelegt beim Bau der Rosette.
li ist die als Funktion der Phasenverschiebung Δ i beobachtete Intensität (im Falle der Fig. 9B auf den Schirm projiziert), und loi ist die eingespeiste Laserintensität.
Die beobachtete Intensität wird direkt in Strom umgewandelt durch eine Messdiode, deren Strom gemessen werden kann durch ein Picoampèremeter oder durch einen Verstärker (Phototransistorschaltung) wie beschrieben in der Publikation von Sirkis und Taylor.
Die Empfindlichkeit der Lehren ist maximal in einem auf halber Höhe befindlichen Betriebspunkt (s. Fig. 10). Es ist jedoch schwierig, den Betriebspunkt für die drei Lehren simultan zu justieren (indem man die Wellenlänge verändert); daher die Notwendigkeit eines Kompromisses.
Eine andere Lösung, angewandt von R. M. Measures (Publikation schon weiter oben erwähnt) und J. S. Sirkis, besteht darin, die Streifen zu zählen, wenn die Differenz der optischen Wege groß ist (ein Meter oder mehr). Das Problem ist, dass das Zählen nur ein Absolutmaß liefert und kein Relativmaß, was voraussetzt, dass das Vorzeichen der Spannung vorher bekannt ist, was in der Praxis selten der Fall ist.
Eine Lösung, entwickelt durch die Firma CSO in Frankreich, besteht also darin, das Messbündel in zwei Teile zu spalten, wobei der eine direkt beobachtet und der andere eine optische Strecke durchläuft, die einer Viertelwellenlängenplättchen-Phasenverschiebung entspricht. Derart werden zwei Interferenzfunktionen um 90º phasenverschoben beobachtet, was ermöglicht, die das Vorzeichen der wirkenden Spannung betreffende Unbestimmtheit aufzuheben.
Diese Lösung ist von J. S. Sirkis übernommen worden, der zwei Photodioden dicht beieinander auf dem Schirm angeordnet hat, auf den die Young-Schlitze projektiert werden. So ist es möglich, durch Beobachtung der beiden leicht phasenverschobenen, von jeder der beiden Photodioden emittierten Signale die Ausbreitungsrichtung der Streifen zu bestimmen. Der Zähler zählt vorwärts, wenn der erste Detektor vor dem zweiten durch einen Streifen ausgelöst wird, und umgekehrt zählt der Zähler rückwärts, wenn der zweite vor dem ersten ausgelöst wird.
Aus Gründen zeitlicher Kohärenz muss in beiden Anordnungen (Mach-Zehnder und Michelson) ein einziger Laser verwendet werden.
Der Aufbau eines Gitters aus mehreren Rosetten erfolgt durch Wiederholung des in der Fig. 11 dargestellten Musters, indem mehrere 1 · 4-Koppler (50) in Serie angeordnet werden, oder indem ebenso viele Laser 51 wie Rosetten 52 zugeordnet werden. In dieser Figur sieht man auch Photodioden 53, Messfasern 54, eine Bezugsfaser 55, reflektierende Überzüge (mehrschichtig dielektrisch) 56 und 1 · 2-Koppler (57 und 58). Ebenso können die Spiegel vorteilhafterweise durch mit charakteristischen Wellenlängen photoinduzierten Bragg-Gittern realisiert werden, die die Wellenlänge des verwendeten Lasers abdecken.

Fabry-Perot-Interferometer-Rosetten

Diese Rosette ist in der Fig. 2C dargestellt. Ihre Konzeption wird beschrieben in der weiter oben genannten Publikation von R. M. Measures. Die Interferometrie erfolgt über die gesamte empfindliche Länge jeder Lehre (d. h. zwischen der semi-reflektierenden Schweißung und dem am Faserende abgeschiedenen Spiegel).
Die indzuzierte Phasenänderung (durch Druck, Temperatur oder Spannungen) erzeugt eine Veränderung der übertragenen Intensität gemäß der Airy-Funktion, dargestellt in der Fig. 12. Diese Figur zeigt die typischen Übertragungsfunktionen eines Fabry-Perot- Interferometers für mehrere Koeffizienten R = R1 = R2.
wo l&sub0; die eintreffende Intensität ist (von der Diode kommend), R&sub1; und R&sub2; die Reflexionskoeffizienten der semi-reflektierenden Schweißung und der dielektrischen Schicht sind, und T&sub1; und T&sub2; ihre jeweiligen Übertragungen sind, wobei man die Absorptionsverluste γi und γ&sub2; berücksichtigt, sodass: T&sub1; + R&sub1; + γ&sub1; = 1 und T&sub2; + R&sub2; + γ&sub2; = 1. Die beobachtete Reflexionsintensität entspricht dem Intensitätskomplement l&sub0; der Formel (12).
Die optische Verbindung ist in der Fig. 13 dargestellt, mit einer optischen Quelle (Laserdiode) 60, einem 1 · 3-Koppler (61), einer Rosette (62), Messfasern (63), semireflektierenden Schweißungen (64), Photodioden (65) und optischen 1 · 2-Kopplern (66).
Gemäß den beiden oben erwähnten Prinzipien (Entwicklung der Intensität auf der Flanke der Kennlinie oder Zählen der Streifen) können dieselben Detektionsprinzipien wie für die Mach-Zehnder- oder Michelson-Interferometer-Rosetten angewandt werden.

Claims

1. Optisches Mikrosystem des Typs Rosettenspannungslehre mit dielektrischen Leitern zur Messung einer Gruppe bzw. Gesamtheit von Spannungen, die auf ein Teil wirken, wobei dieses Mikrosystem wenigstens eine Rosette umfasst, gebildet durch wenigstens zwei Spannungslehren mit dielektrischen Leitern (J1, J2, J3) bekannter und nicht paralleler Ausrichtungen,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Spannungslehren Bragg-Gitter (RB&sub1;, RB&sub2;, RB&sub3;) sind, und dadurch, dass das Teil ein Teil ist, das durch eine Spannung mit einer einzigen Komponente belastet wird, enthalten in der Ebene der Lehren, und dadurch, dass eine Rechenschaltung, die ein von der Temperatur unabhängiges Resultat liefert, ermöglicht, die genannte Spannung durch Auflösung des folgenden Systems von Gleichungen zu bestimmen:

wobei λ&sub1;, λ&sub2; und λ&sub3; jeweils charakteristische Wellenlängen der drei die Rosette bildenden Bragg-Gitter sind und diese Wellenlängen sehr nahe beieinanderliegen, und λ , λ und λ die charakteristischen Wellenlängen bei Fehlen von Verformungen und bei einer Bezugstemperatur T&sub0; sind, wobei ξ&sub1; ein Koeffizient ist, der die charakteristische Wellenlänge mit der Verformung verknüpft, und ξ&sub2; ein Wärmeausdehnungskoeffizient ist, die beiden Winkel β&sub1; und β&sub2;, beliebig aber bekannt und nicht null modulo π, die Rosette charakterisieren und α der Winkel ist, den die Richtung der zu bestimmenden Hauptspannung mit der Ausrichtung der Bezugsspannungslehre der Rosette bildet, wobei die Parameter d und r jeweils die Halbsumme und die Halbdifferenz der zu bestimmenden Hauptverformungen sind.

2. Optisches Mikrosystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungslehren photoinduzierte Bragg-Gitter (RB&sub1;, RB&sub2;, RB&sub3;) sind.

3. Optisches Mikrosystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bragg-Gitter um 120º oder um 45º gegeneinander versetzt sind.

4. Optisches Mikrosystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Gitter gleichzeitig oder nacheinander durch dasselbe optische Bestrahlungsbündel induziert werden.

5. Optisches Mikrosystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Gitter nicht gleichzeitig induziert werden und unterschiedliche charakteristische Wellenlängen haben können.

6. Optisches Mikrosystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrischen Leiter optische Fasern sind.

7. Optisches Mikrosystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens einen dielektrischen Leiter umfasst, mit Polarisationsaufrechterhaltung oder nicht, in den die Spannungslehren integriert sind.

8. Optisches Mikrosystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungslehren Dehnungswandler bzw. -transducer sind, auf die Oberfläche geklebt oder eingebettet in ein örtlich ebenes Trägermaterial, dessen Verformungen zu bestimmen sind.

9. Optisches Mikrosystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Transducer Bragg-Gitter sind, die mittels Phasenanpassung arbeiten, und dadurch, dass die Leiter vom Ein-Moden-Typ und photosensibel sind und vorzugsweise vom Ein-Moden-Typ.

10. Optisches Mikrosystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Transducer mittels interferometrischen Effekts arbeiten, und dadurch, dass die Leiter vom Ein- Moden-Typ sind.

11. Optisches Mikrosystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spannungslehre eine Veränderung des optischen Wegs misst, abhängig von der zu messenden Spannung, die eine Spektralverschiebung bewirkt.

12. Optisches Mikrosystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spannungslehre eine Veränderung des optischen Wegs misst, abhängig von der zu messenden Spannung, die eine Interferenzstreifenverschiebung bewirkt.

13. Optisches Mikrosystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Rosette bildenden Lehren in demselben dielektrischen Leiter in Serie angeordnet sind.

14. Optisches Mikrosystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Konfiguration des Typs abgeglichenes Sagnac-Interferometer mit einem Koppler mit 50% Reflexion in dem Nutzungsspektralband gibt, wobei diese Konfiguration durch eine einzige Leiterebene gebildet wird und ermöglicht, eine Rosette zwischen zwei Ebenen eines Materials einzuschließen.