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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Dehnungssensoren und insbesondere auf mehrelementige Dehnungssensoren,
in die Faser-Bragg-Gitter
als das dehnungsmessende Element eingebaut sind.
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Rosetten zur Messung von Dehnungen
sind bekannterweise mehrelementige Dehnungssensoren und kommen häufig bei
mechanischen Prüfverfahren
zum Einsatz. Diese Rosetten umfassen normalerweise zwei oder drei
nicht-kolineare Dehnungsmesser, die auf einer gemeinsamen Unterlage
befestigt sind. Die Dehnungsmesser sind in der Regel in 45°- oder 60°-Winkeln
zueinander angeordnet und bilden rechteckige bzw. deltaförmige Rosetten.
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Rosetten zur Messung von Dehnungen
können
auf Oberflächen
befestigt oder in Strukturen eingebettet werden und dazu dienen,
verschiedene Informationen über
Dehnungsfelder zu liefern. Beispielsweise können dehnungsmessende Rosetten dazu
verwendet werden, die Größen der
Dehnung längs
und senkrecht zu einer Hauptachse zu messen oder die Ausrichtung
der Hauptachse zu ermitteln, falls diese noch unbekannt ist.
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Früher wurden bei dehnungsmessenden
Rosetten im Allgemeinen drei elektrische Dehnmessstreifen (z. B.
Widerstands-Dehnmessstreifen) als Dehnungssensorelemente eingesetzt.
In 1 ist eine bekannte
rechteckige dehnungsmessende Rosette schematisch dargestellt, die
drei Widerstands-Dehnmessstreifen
S1, S2, S3 enthält,
die zueinander in einem 45°-Winkel
angeordnet sind. Die Dehnmessstreifen sind auf einer im Wesentlichen ebenen
gemeinsamen Unterlage 99 befestigt, um die Handhabung zu
erleichtern und ihre Ausrichtung zueinander beizubehalten. Die einzelnen
Dehnmessstreifen sind so nahe zusammen positioniert wie möglich, um
optimale Ergebnisse zu gewährleisten. Für jeden
Sensor sind eigene elektrische Anschlüsse erforderlich.
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Die bekannten Faser-Bragg-Gitter
können als
Temperatursensoren oder Dehnungsmesser verwendet werden, sind Alternativen
zu elektrischen Sensoren und bieten zahlreiche Vorteile. Faser-Bragg-Gitter
(FBGs) und ihre Verwendung als Sensorelemente werden beschrieben
in: „Optical Fibre
Bragg Grating Sensors: A Candidate for Smart Structure Applications", Dunphy et al.,
Kapitel 10 von „Fibre
Optic Smart Structures",
herausgegeben von Eric Udd, 1995, John Wiley & Sons, Inc., ISBN 0-471-55448-0.
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In 2(a) ist
ein typisches FBG schematisch dargestellt. Das FBG ist aus einem
Stück Lichtleitfaser
mit einem Kern 21 geformt, der von einem Mantel 22 umgeben
ist, der einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als der Kern.
Die Lichtleitfaser ist im Allgemeinen eine Einmodenfaser (Monomodefaser),
bei der der Durchmesser des Faserkerns ausreichend klein ist, so
dass sich das von einer ausgewählten
Lichtquelle stammende Licht nur in einer einzigen Mode entlang des
Kerns ausbreiten kann. Die einzige Mode wird im Wesentlichen von
der Kern-Mantel-Grenze geleitet. Die „Linien" 11 des Gitters sind eine Reihe
von regelmäßig beabstandeten Störungen des
Brechungsindexes Nc des Kerns. Das Gitter
verläuft
entlang einer Länge
L der Faser, wobei L normalerweise in einem Bereich von 1–20 mm liegt; die Änderung
des Kern-Brechungsindexes
entlang der Längsachse
Z des FBG ist in 2(b) dargestellt.
Zur Herstellung von FBGs können
verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Bei einem dieser Verfahren
werden die Störungen
des Brechungsindexes im Kern erzeugt, indem die Faser mit einer
Phasenmaske maskiert und mit starkem Ultraviolett-Licht bestrahlt
wird. Bei einem anderen Verfahren werden die Indexstörungen dadurch
gebildet, dass die Faser dem Interferenzmuster ausgesetzt wird,
das aus zwei sich schneidenden Hälften
eines UV-Laserstrahls
erzeugt wird. Der Abstand X zwischen den Indexstörungen wird durch den Winkel
bestimmt, bei dem sich die beiden Hälften des Strahls schneiden.
Die durch diese Methoden bewirkten Störungen des Kern- Brechungsindexes
liegen normalerweise in der Größenordnung
von einem Tausendstel oder darunter.
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Die für die Fertigung von FBGs verwendeten Lichtleitfasern
haben in der Regel eine Schutzschicht außerhalb des Mantels. Die Schutzschicht
wird entfernt, bevor die Faser zur Bildung des Gitters dem UV-Licht
ausgesetzt wird. Nach der Bestrahlung wird der abgestreifte Teil
der Faser neu beschichtet, um ihre Haltbarkeit wiederherzustellen.
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Wenn dem FBG ein breites Lichtspektrum als
Eingangssignal zugeführt
wird, durchdringen die meisten Wellenlängen den Gitterbereich und
bilden ein transmittiertes Ausgangssignal 82. Die periodischen
Störungen
des Brechungsindexes erzeugen aber bei Bestandteilen des Eingangssignals
eine starke Bragg-Reflexion mit der Wellenlänge λb – der Bragg-Wellenlänge –, wobei: λb = 2XNc
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Folglich kann man mit einem abstimmbaren Detektor
nach einem Peak im refektierten Signal oder einem Tal im transmittierten
Signal suchen. Die Wellenlänge,
bei der der Peak bzw. das Tal auftritt, zeigt daher den Linienabstand
X des Gitters an.
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Wenn eine Längsdehnung auf das FBG wirkt, ändert sich
der Abstand X, so dass sich die Bragg-Wellenlänge verschiebt. Die Bragg-Wellenlänge verhält sich
dabei annähernd
proportional zur Dehnung entlang der Längsachse. Der Gittersensor neigt
vorteilhafterweise von sich aus dazu, die Wirkungen derjenigen Dehnungsfelder
abzuweisen, die nicht auf die Längsachse
ausgerichtet sind.
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Die Messung wird vorteilhafterweise
nicht durch Schwankungen der Intensität des Eingangslichts beeinträchtigt,
während
die Dehnung anhand der Bragg-Wellenlänge gemessen wird.
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Das Faser-Bragg-Gitter bietet noch
andere Vorteile, die mit faseroptischen Sensoren im Zusammenhang
stehen. Es ist beispielsweise immun gegen elektromagnetische Interferenzen,
leicht und klein, zeigt eine Toleranz ge genüber hoher Temperatur und Strahlung
und ist sogar in agressiver Umge bung beständig.
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Es gibt bekannterweise Faser-Bragg-Gitter-Rosetten
mit drei getrenn ten FBGs als Dehnmesselementen, wobei jedes FBG
seine eigenen Eingangs- und
Ausgangsfasern besitzt, die von denen der anderen FBGs getrennt
sind. Die drei Gruppen mit den zugehörigen Fasern sind unpraktisch,
obwohl der Sensorbereich angemessen kompakt sein kann (d. h., dass
die FBGs dicht beieinander angeordnet sein können).
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Statt separater Verbindungen für jede FBG-Gruppierung
kann man FBGs bekannterweise in Reihe verbinden, vorausgesetzt,
dass sich ihre Bragg-Nennwellenlängen ausreichend
voneinander unterscheiden. In 3 ist
eine solche Anordnung schematisch dargestellt. Hier strahlt eine
Lichtquelle 70 ein Signal aus, von dem ein Teil 80 über einen
in zwei Richtungen wirkenden Koppler C zu einer in Reihe angeordneten
Kette von Faser-Bragg-Gittern 1A, 1B, 1C geleitet
wird. Die drei FBGs haben die unterschiedlichen Nennwellenlängen λBA, λBB bzw. λBC, und
das zum Koppler zurückkehrende
reflektierte Signal 81 besteht im Wesentlichen nur aus
Licht mit diesen drei Wellenlängen.
Ein Teil des reflektierten Signals 81 wird über den
Koppler C einem Lichtdetektor 71 zugeführt. In diesem Beispiel strahlt
die Lichtquelle 70 breitbandiges Licht aus, während der Lichtdetektor 71 ein
abstimmbarer Schmalbanddetektor ist. Demgemäß werden Peaks der Lichtintensität erkannt,
die den drei Bragg-Wellenlängen entsprechen,
während
der Detektor einen Bereich von Wellenlängen absucht, so dass sich
die bei jedem FBG auftretende Dehnung bestimmen lässt. Die
Faser-Bragg-Gitter in 3 werden
folglich im Multiplexverfahren betrieben.
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Es versteht sich, dass bei alternativen
Anordnungen eine abstimmbare, schmalbandige Lichtquelle in Verbindung
mit einem breitbandigeren Lichtdetektor verwendet werden kann, um
die Bragg-Wellenlängen
zu messen.
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In 4 sind
bekannte dehnungsmessende Rosetten mit integrierten, in Reihe angeordneten
Faser-Bragg-Gittern als Beispiel schematisch dargestellt. Die Lichtleitfaser-Komponenten
der dehnungsmesssenden Rosette sind hier aus einer einzigen durchgehenden
Faser geformt, die einen Eingangsteil
50 umfasst, der mit
einem ersten Faser-Bragg-Gitter 1A verbunden ist. Das erste
Faser-Bragg-Gitter ist über
eine Verbindungsschleife 6 mit dem zweiten FBG 1B verbunden,
das wiederum über
eine zweite Schleife 6 mit einem dritten FBG 1C verbunden
ist. Die FBGs sind in Winkeln von 0°, 45° und 90° relativ zu einer Bezugsachse
angeordnet, während
die Rosette in einen dünnen
Film eines Einkapselungsmaterials 9 eingebettet ist. Die
Dicke der Lichtleitfaser ist zur Verdeutlichung in der Figur übertrieben
dargestellt.
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Die drei FBGs sind dicht zueinander
angeordnet und bilden einen kompakten Sensorteil, doch das Gesamtformat
der Rosette ist wegen der zu Schleifen geformten Verbindungsstücke der
Faser 6 beträchtlich
größer. Obwohl
die Schleifen so klein wie möglich
gehalten werden sollen, um die Gesamtgröße der Rosette zu minimieren,
muss der Mindest-Biegeradius groß genug sein, damit kein wesentlicher Biegeverlust
auftritt. Bei typischen Lichtleitfasern mit Manteldurchmessern von
bis zu 200 μm
beträgt
der Mindest-Biegeradius ohne Verlust ungefähr 1 cm. Dieser große Mindest-Biegeradius
der Fasern führt demzufolge
dazu, dass eine Vorichtung groß und
unhandlich ist, wenn die gemultiplexten FBG-Sensoren in der erforderlichen
Geometrie angeordnet sind.
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Es sind auch aus gemultiplexten FBGs
gebildete Delta-Rosetten bekannt, die beispielsweise beschrieben
werden in: „State
of Strain Evaluation with Fibre Bragg Grating Rosettes", S. Magne et al.,
Applied Optics, 20. Dezember 1997, Band 36, Nr. 36, S. 9437–9447. In 5 ist ein Beispiel einer
dieser Delta-Rosetten schematisch dargestellt. Die drei FBGs 1A, 1B, 1C sind
durch zwei Schleifen L, die im Stück der Verbindungsfaser 6 geformt
sind, in Reihe verbunden und in 60°-Winkeln zueinander angeordnet. Die
Mindestgröße der Verbindungsschleifen
L wird auch hier durch den Mindest-Biegeradius der Faser bestimmt
und ergibt eine ungefähr
8 cm große
Rosette.
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Die Anordnung der FBGs zueinander
wird also durch die Bauform und Funktion der Rosette vorgegeben,
und die Verbindungsteile der Faser 6 müssen in geeigneter Weise vom
Ende eines FBGs zum „Eingangsende" eines anderen geführt werden.
Die Tatsache, dass der Verbindungsteil einer Lichtleitfaser nicht
ohne merklichen Verlust um einen Radius von unter 1 cm gebogen werden
kann, stellte in der Vergangenheit eine starke Einschränkung bei
der Anordnung der Verbindungsteile dar und bedeutete wiederum, dass
sich in der Praxis keine dehnungsmessenden FBG-Rosetten herstellen
ließen,
die kleiner als einige Quadratzentimeter waren.
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Im US-Patent Nr. 5.726.744 wird auch
ein ebenes, rosettenartiges, optisches Mikrosystem mit Dehnungsmessern
offenbart, bei dem mit dielektrischen Leitern ein System von Dehnungen
bzw. Spannungen gemessen wird, das auf ein Bauteil einwirkt; bei
diesem Mikrosystem ist das Bauteil nur einer Längsdehnung ausgesetzt, wird
mindestens eine Rosette durch mindestens zwei Dehnungsmesser mit
dielektrischen Leitern geformt und wird mit einem Rechenkreis ermöglicht,
die Dehnung durch Lösung eines
Systems von Gleichungen zu ermitteln.
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Es ist offensichtlich wünschenswert,
kleinere mehrelementige Dehnungssensoren herzustellen, die dehnungsmessende
FBG-Rosetten einschließen, und
zwar besonders bei Anwendungen, wo der Sensor in eine Struktur einzubetten
ist. Eine kleinere Vorrichtung kann beispielsweise ohne Beeinträchtigung der
Festigkeit der Struktur integriert werden.
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Der oben beschriebene Dehnungssensor, der
in der obigen Patentveröffentlichung
an Magne et al. offenbart wird, lässt sich zusammenfassen als eine
Vorrichtung, die ein erstes und zweites Faser-Bragg-Gitter sowie
eine Lichtleitfaser enthält,
die die Gitter in Reihenanordnung verbindet, wobei jedes Gitter
im Wesentlichen gerade ist, die zwei Gitter nicht-parallel sind
und verschiedene Bragg-Nennwellenlängen aufweisen und das Verbindungsstück der Lichtleitfaser
eine Biegung hat.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung ist ein Dehnungssensor vorgesehen, der ein erstes und
zweites Bragg-Gitter sowie ein die Gitter in Reihe verbindendes
Stück Lichtleitfaser
umfasst, wobei jedes Gitter im Wesentlichen gerade ist, die zwei
Gitter nicht-parallel sind und verschiedene Bragg-Nennwellenlängen aufweisen
und das Verbindungsstück
der Lichtleitfaser eine Biegung hat, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Teil des Verbindungsstücks
verjüngt
ist, wobei der verjüngte
Teil einen lang gestreckten, schmalen Abschnitt mit kleinerer Querschnittsfläche enthält und die
Biegung im schmalen Abschnitt geformt ist.
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Die FBGs sind demgemäß gemultiplext
und sprechen nur auf Dehnungsarten entlang ihrer jeweiligen Längsachsen
an, da sie im Wesentlichen gerade sind. Sie sind nicht-parallel
angeordnet, damit sie auf verschiedene Dehnungsrichtungen ansprechen können, und
lassen sich beispielsweise in einer im Wesentlichen gemeinsamen
Ebene in einem Winkel von 60°,
45° oder
90° zueinander
als Teil einer dehnungsmessenden Rosette anordnen.
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Das Verbindungsstück der Lichtleitfaser enthält im Gegensatz
zu früheren
Dehnungsmessern einen verjüngten
Teil. Das Verjüngen
von Lichtleitfasern ist ein bekanntes Verfahren, bei dem normalerweise
ein Faserabschnitt in einer Flamme erwärmt und dann gestreckt oder
gezogen wird, um einen verjüngten
schmalen Abschnitt (oder Hals) mit kleinerer Querschnittsfläche zu formen.
Der schmale Abschnitt ist im Allgemeinen lang gestreckt und besitzt
einen im Wesentlichen gleichmäßigen Querschnitt;
und die Bereiche der Faser, bei denen die Querschnittsfläche kleiner
ist, sind als verjüngte Übergangsteile
bekannt; d. h., dass der verjüngte
Teil normalerweise zwei verjüngte Übergangsteile
und den verjüngten schmalen
Abschnitt umfasst, wobei die verjüngten Übergangsteile den verjüngten schmalen
Abschnitt mit den nicht-verjüngten
Teilen der Faser verbinden.
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Die vorliegende Erfindung nutzt die
Tatsache, dass der verjüngte
schmale Abschnitt verlustfrei in kleineren Radien gebogen werden
kann als die nicht-verjüngte
Faser. Das Verbindungsstück
der Faser kann also im Wesentlichen mit im verjüngten schmalen Abschnitt geformten
Biegungen von einem Gitter zum anderen geführt werden, und der kleinere Mindest-Biegeradius
schränkt
diese Art der Faserführung
weniger ein.
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Zusammengefasst gesagt: durch Verwendung
verjüngter
Teile im Verbindungsstück
und Formung von Biegungen mit einem Radius unter 10 mm im verjüngten schmalen
Abschnitt kann die Führung des
Verbindungsstücks
von einem FBG zum nächsten
direkter verlaufen, wodurch sich die Größe der Vorrichtung reduzieren
lässt.
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Je kleiner normalerweise die Querschnittsfläche des
verjüngten
schmalen Abschnitts ist, desto kleiner ist der kleinste akzektable
Radius der Krümmung
und desto direkter kann die Verbindung sein. Der Querschnitt des
ver jüngten
schmalen Abschnitts muss aber groß genug sein, damit sich die
gewünschten
Wellenlängen
des Lichts entlang der Vorrichtung ausbreiten können.
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Bei der den Dehnungssensor umfassenden Sensorvorrichtung
kann ein Lichtdetektor verwendet werden, der so angeordnet ist,
dass er entweder das Licht erfasst, das von den Gittern durch das
Fasereingangsstück
zurück
reflektiert wird, oder alternativ das Licht misst, das durch die
Gitter und den Ausgang entlang einem Faserausgangsstück transmittiert
wird, das mit einem Ende des zweiten FBGs verbunden ist.
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Der Dehnungssensor kann zusätzliche FBGs
umfassen, die in Reihe mit dem ersten und zweiten FBG verbunden
sind, wobei jedes Faserverbindungsstück einen verjüngten Abschnitt
enthalten kann.
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Der minimale akzeptable Biegeradius
des schmalen Abschnitts hängt
von dessen Querschnitt ab; bei Durchmessern des verjüngten schmalen
Abschnitts von beispielsweise 20 μm
oder darunter kann der minimale Biegeradius bis zu 1 mm klein sein.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Konstruktion
einer faseroptischen Rosette zur Dehnungsmessung (mit den einhergehenden
Vorteilen faseroptischer Sensoren), die sowohl kompakt ist als auch
eine minimale Anzahl von Faserführungen
aufweist.
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Das Verbindungsstück kann vorteilhafterweise
aus einer Einmoden-Lichtleitfaser
geformt werden, während
die reduzierte Querschnittsfläche
des schmalen Abschnitts weniger als die Hälfte der Nennquerschnittsfläche der
nicht-verjüngten
Einmodenfaser groß sein
kann.
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Wie bereits gesagt, können die
Enden des Verbindungsstücks
nicht-verjüngte Teile
der Einmodenfaser umfassen, wobei die Einmodenfasern (auch als Monomodefasern
bekant) einen Kern umfassen, der von einem umhüllenden Mantelmaterial umgeben
ist, dessen Ende einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern hat.
Der Faserkern ist normalerweise kreisförmig und besitzt einen ausreichend
kleinen Durchmesser, so dass nur die Grundmode die nicht-verjüngte Faser
durchlaufen kann. Diese Grundmode wird in der nicht-verjüngten Faser von
der Kern-Mantel-Grenze geführt.
Der Kerndurchmesser ist in der Regel kleiner als 15 μm, doch es sind
auch andere Größen bekannt.
Durch Reduzierung der Querschnittsfläche im schmalen Abschnitt um
einen Faktor von mindestens Zwei wird sichergestellt, dass die Grundmode
praktisch nicht länger
von der Kernmaterial-Mantelmaterial-Grenzfläche im verjüngten schmalen Abschnitt zusammengehalten
und geführt
werden kann. In diesem Fall wird die Grundmode von der Außengrenze
des Mantelmaterials (normalerweise die Grenzfläche mit dem Einkapselungs-
bzw. Einbettungsmaterial oder der Luft) geführt, während sie durch den verjüngten schmalen Abschnitt
läuft;
der Kern spielt hier keine Rolle mehr. Die Grundmode breitet sich
anfangs entlang dem nicht-verjüngten
Faserteil aus und wird vom Faserkern geführt. Der Querschnitt des Kerns
wird immer kleiner, während
die Grundmode in den verjüngten Übergangsbereich
eintritt. An einem Punkt wird der Kern zu klein, um die Grundmode
noch führen
zu können,
so dass die Grundmode schließlich „ausbricht" und von der Außengrenze
des Mantelmaterials geführt
wird, d. h., dass das sich ausbreitende Lichtfeld jetzt über den
gesamten Querschnitt des schmalen Abschnitts verläuft.
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Bekannterweise neigt ein ausreichend
verjüngter
Bereich einer isolierten Einmodenfaser weniger zu Biegeverlusten
als die nicht-verjüngte
Faser, da die Grundmode, die vorher schwach von der Kern-Mantel-Grenze
zusammengehalten wurde, jetzt stark von der Mantel-Luft-Grenze im
verjüngten
Bereich zusammengehalten wird. In dem Dokument „Miniature High Performance
Loop Reflector",
Oakley et al., Electronics Letters, 5. Dezember 1991, Band 27, Nr.
25, S. 2334–2335,
wird beispielsweise berichtet, dass eine Biegung mit 1,5 mm Durchmesser
geformt werden kann, ohne dass dabei ein messbarer Verlust (d. h.
in diesem Fall unter 0,05 dB) im verjüngten schmalen Bereich einer
Einmodenfaser auftritt, wobei die nicht-verjüngte Faser einen Kerndurchmesser
von 10 μm,
einen Manteldurchmesser von 125 μm
und eine Grenzwellenlänge
von 1250 Nanometer aufweist; der ursprünglich berichtete Manteldurchmesser
im verjüngten
schmalen Abschnitt betrug 30 μm,
wurde jedoch in einer späteren
Veröffentlichung
auf den wirklichen Durchmesser von 15 μm korrigiert. Im Gegensatz dazu
betrug der Mindest-Biegedurchmesser der nicht-verjüngten Faser bei
dem einzuhaltenden geringen Verlust ungefähr 4 cm.
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Es wurde festgelegt, dass der verjüngte schmale
Abschnitt in Ausführungen
der vorliegenden Erfindung eine scharfe Biegung mit unwesentlichem zusätzlichen
Verlust haben kann, indem die Lichtleitfasern ausreichend dünn gemacht
werden, um sicherzustellen, dass sich das Eingangslichtfeld der Grundmode
im verjüngten Übergangsbereich
vom Eingangsfaserkern löst.
Der verjüngte
schmale Abschnitt kann vorteilhafterweise einen Durchmesser unter
50 μm aufweisen.
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Der verjüngte schmale Abschnitt kann
vorzugsweise einen „Durchmesser" von 30 μm oder kleiner
besitzen. Im Allgemeinen gilt: je geringer der Durchmesser des verjüngten schmalen
Abschnitts ist, desto enger ist die Biegung, die ohne inakzeptablen
Verlust erzeugt werden kann. Der Mindestdurchmesser wird jedoch
durch die Wellenlänge
des Lichts bestimmt, die der schmale Abschnitt führen soll.
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Wenn die verjüngten Bereiche einer Einmodenfaser
als Verbindungsstücke
verwendet werden, können
Letztere über
Biegungen im schmalen Abschnitt mit Radien von 2 mm oder geringer
zwischen den FBGs geführt
werden, so dass sich die Gesamtgröße der Vorrichtung gegenüber Anordnungen
nach dem Stand der Technik wesentlich verkleinern lässt.
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Das Verbindungsstück kann vorteilhafterweise
aus einer Lichtleitfaser geformt werden, die einen von Mantelmaterial
umgebenen Kern hat, wobei das Mantelmaterial einen Brechungsindex
aufweist und der verjüngte
Teil in einem ersten Körper
eines ersten Mediums enthalten sein kann, das einen niedrigeren Brechungsindex
als das Mantelmaterial besitzt, wobei der erste Körper direkt
die Oberfläche
des verjüngten
Teils berührt.
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Durch die Einkapselung des verjüngten Teils in
solch einem Medium wird die starke Führung des Lichts im schmalen
Abschnitt beibehalten, so dass darin scharfe Biegungen ohne merklichen
Verlust geformt werden können.
Die Einkapselung schützt
den schmalen Abschnitt auch vor Störungen und Verunreinigungen
und kann gute Haftfestigkeit an einem zweiten Körper bereitstellen, der den
ersten enthält.
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Der erste Körper kann eine Schicht sein,
die die Oberfläche
des verjüngten
Teils abdeckt.
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Der erste Körper kann sich über den
gesamten schmalen Abschnitt erstrecken und den verjüngten Übergangsteil
vollständig
oder teilweise abdecken, umhüllen
oder einkapseln.
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Der erste Körper besteht vorzugsweise aus durchsichtigem
Silikongummi. Der Brechungsindex dieses Materials ist niedrig genug,
um die starke Lichtführung
im schmalen Abschnitt aufrechtzuerhalten, so dass im gebogenen schmalen
Abschnitt kein zusätzlicher
Verlust auftritt. Silikongummi schützt den bzw. die schmalen Abschnitte
und verhindert, dass sich nennenswerte Dehnungen auf den bzw. die
gebogenen schmalen Abschnitte übertragen.
Das flexible Silikongummi kann demzufolge verhindern, dass die vom
Sensor zu überwachende
Dehnung die Verluste in den Biegungen der verjüngten schmalen Abschnitte auf
ein inakzeptables Maß ansteigen lässt.
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Der Dehnungssensor kann ferner in
einem zweiten Körper
eines zweiten Mediums enthalten (eingekapselt) sein, das aus demselben
Material wie das erste Medium oder einem anderen Material besteht.
Der zweite Körper
ist vorzugsweise ein Körper aus
einem im Wesentlichen starren Material wie z. B. Epoxidharz und
kann die Dehnung zu den Bragg-Gittern übertragen.
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Damit das Licht im schmalen Abschnitt
des Verbindungsstücks
sogar noch stärker
geführt
werden kann, ist in bestimmten Ausführungen der vorliegenden Erfindung
eine Gasschicht oder -tasche in einem Einkapselungskörper eingeschlossen,
der die Faser-Bragg-Gitter und den Verbindungsteil enthält, wobei
die Gasschicht oder -tasche den verjüngten schmalen Abschnitt umgibt.
Die Tasche kann so verlaufen, dass sie den verjüngten Teil vollständig umhüllt. Das
Licht wird stark von der Mantelmaterial-Gas-Grenzfläche des
schmalen Abschnitts geführt und
es können
verlustfreie Biegungen mit kleinem Durchmesser geformt werden. Das
Gas kann beispielsweise Luft sein und/oder unter so niedrigem Druck
stehen, dass die Tasche im Wesentlichen ein Vakuum enthält.
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Der Sensor kann eine rohrförmige Hülse enthalten,
die den verjüngten
Teil über
dessen Länge umgibt,
um den Einschluss einer Gastasche rund um den verjüngten Teil
zu erleichtern. Die Hülse
kann sich bis zu den FBGs und/oder nicht-verjüngten Abschnitten des Verbindungsstücks erstrecken
und mit den FBGs bzw. nicht-verjüngten
Abschnitten eine lose Dichtung bilden; bei Anordnungen, wo die Vorrichtung
eingekapselt (eingebettet) ist, kann die Hülse einen Kontakt zwischen
dem Einkapselungsmaterial und dem verjüngten schmalen Abschnitt verhindern.
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In alternativen Ausführungen
sind Gasblasen im Einbettungsmaterial rund um die verjüngten Teile
geformt.
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Zur Minimierung von Verlusten können das erste
und das zweite FBG sowie das Verbindungsstück aus einer durchgehenden
einzigen Lichtfeitfaser geformt werden, die eine Einmodenfaser sein kann.
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Der Sensor umfasst vorzugsweise einen Körper aus
(durchsichtigem) Silikongummi, der den schmalen Abschnitt umhüllt oder
einkapselt und dadurch in Kontakt zur Oberfläche des schmalen Abschnitts
steht, und einen Körper
aus starrem Material, der sowohl den Silikongummikörper als
auch die Faser-Bragg-Gitter
einkapselt. Das starre Material berührt folglich die Oberfläche der
Bragg-Gitter, ist jedoch durch das Silikongummi von der Oberfläche des verjüngten schmalen
Abschnitts getrennt.
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Die auf den Sensor (d. h. den starren
Einkapselungskörper)
einwirkende Dehnung kann demgemäß zu den
Faser-Bragg-Gittern übertragen
werden, erreicht aber wegen des flexiblen Einkapselungs-/Umhüllungskörpers aus
Silikongummi nicht den bzw. die gebogenen schmalen Abschnitte.
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Der Sensor umfasst vorzugsweise zwei
starre Platten, zwischen die die FBGs und das Verbindungsstück eingeschichtet
sind. Vorzugsweise sind nur die FBGs an den Platten angeklebt, während der verjüngte schmale
Abschnitt nicht von Letzteren gehalten wird. Auf diese Weise kann
die auf die Platten einwirkende Dehnung zu den FBGs übertragen
werden, aber nicht zur Biegung im verjüngten schmalen Abschnitt. So
lässt sich
ein Anstieg der Verluste in der oder jeder Biegung vermeiden oder
zumindest im unwesentlichen Bereich halten, sobald der Sensor einer
Dehnung ausgesetzt wird.
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Die Platten stehen vorzugsweise in
engem Kontakt mit den FBGs, d. h., dass der Abstand zwischen den
Platten im Grunde genommen nur dem Durchmesser der FBGs entspricht.
Die FBGs können dann
mit einer geringen Menge Klebstoff an den Platten befestigt werden.
Selbst wenn die Platten nur durch den kleinstmöglichen Abstand (vorgegeben durch
die FBG-Durchmesser) voneinander getrennt sind, wird der verjüngte schmale
Abschnitt, der einen kleineren Durchmesser hat, nicht von den Platten eingeschlossen;
er kann in nicht-gehaltenem Zustand in der Luft belassen werden,
um die Lichtführung
zu verbessern. Der Sensor kann folglich eine Verbundstruktur aufweisen.
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Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden
nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung einer bekannten Rosette mit elektrischer
Dehnungsmessung;
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2a:
eine schematische Darstellung eines bekannten Faser-Bragg-Gitters;
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2b:
die Veränderung
des Kern-Brechungsindexes entlang dem FBG von 2a;
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3:
eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung, die gemultiplexte
FBGs umfasst;
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4:
eine schematische Darstellung einer bekannten dehnungsmessenden
Rosette mit integrierten FBGs;
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5:
eine schematische Darstellung einer anderen bekannten dehnungsmessenden
Rosette, bei der FBGs verwendet werden;
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6:
eine schematische Darstellung einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
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7:
eine detailliertere schematische Darstellung der Ausführung von 6;
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8:
eine schematische Darstellung verschiedener Ausführungen der vorliegenden Erfindung;
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9:
eine schematische Darstellung eines Teils eines Dehnungssensors,
der die vorliegende Erfindung verkörpert;
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10:
eine schematische Darstellung eines Teils einer weiteren Ausführung;
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11:
eine schematische Darstellung einer dehnungsmessenden Rosette, die
die vorliegende Erfindung verkörpert;
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12:
eine schematische Darstellung einer anderen dehnungsmessenden Rosette,
die die vorliegende Erfindung verkörpert;
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13:
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung;
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14:
eine schematische Darstellung einer anderen Ausführung;
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15:
eine schematische Darstellung eines Dehnungssensors, der die vorliegende
Erfindung verkörpert;
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16:
eine schematische Darstellung einer dehnungsmessenden Rosette, die
die vorliegende Erfindung verkörpert;
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17:
eine schematische Darstellung einer dehnungsmessenden Rosette gemäß einer
weiteren Ausführung
der vorliegenden Erfindung; und
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18:
eine schematische Seitenansicht eines Dehnungssensors gemäß einer
weiteren Ausführung.
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Bezug nehmend auf 6, sind in diesem Beispiel drei FBGs 1A, 1B, 1C in
Reihe durch die Verbindungsteile 6 der Lichtleitfaser miteinander
verbunden. Die Verbindungsteile enthalten die Biegungen B mit einem
Radius unter 10 mm, die in den schmalen Abschnitten der verjüngten Teile
der Verbindungsstücke
geformt sind. Obwohl die FBGs in Winkeln von 0,45 und 90° zu einer
Bezugsachse angeordnet sind, ermöglichen
scharfe Biegungen in den Verbindungsteilen eine Führung zwischen
den FBGs, die direkter ist als bei Anordnungen nach dem Stand der
Technik. Es sind keine Schleifen mit großem Durchmesser erforderlich.
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7 zeigt
die Ausführung
von 6 in detaillierterer
schematischer Darstellung. Die FBGs und Verbindungsteile 6 sind
aus einem einzigen Stück
einer Einmodenfaser geformt, um Verluste zu minimieren (d. h.: es
gibt keine Füge-
oder Klebestellen). Jeder Verbindungsteil umfasst einen verjüngten Teil, der
aus den verjüngten Übergangsteilen 61 und
einem schmalen Abschnitt 62 besteht. Die Querschnittsfläche des
schmalen Abschnitts wurde ausreichend reduziert, so dass die einzige
Mode des Lichts praktisch nicht vom restlichen Faserkern im schmalen
Abschnitt geführt
werden kann. Die Querschnittsfläche 611 des
Kerns wird im Verlauf der verjüngten Übergangsteile
immer kleiner.
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Bezug nehmend auf 8, sind hier verschiedene Ausführungen
der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. In jedem Fall
enthalten die die FBGs 1A, 1B, 1C verbindenden
Verbindungsstücke 6 der
Lichtleitfaser verjüngte
Teile, und die Biegungen B sind in den schmalen Abschnitten der
verjüngten
Teile geformt, wobei der Mindest-Biegeradius der Biegungen unter
10 mm beträgt.
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8a zeigt
eine rechteckige Rosette zur Dehnungsmessung, wobei die drei FBGs
durch die drei Biegungen B miteinander verbunden sind.
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8b zeigt
eine so genannte Delta-Rosette, bei der die drei FBGs durch zwei
Biegungen verbunden sind.
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8c zeigt
einen Teil eines Dehnungssensors, in den zwei FBGs intergriert sind,
die durch eine einzige Biegung B miteinander verbunden und im Wesentlichen
in einem 90°-Winkel
zueinander angeordnet sind.
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8d zeigt
einen im Wesentlichen ebenen Dehnungssensor, bei dem die dünnen FBGs
aufeinander angeordnet sind und einander bei 90° schneiden; das Verbindungsstück 6,
das die zwei Biegungen B enthält,
verbindet die FBGs. Die Größe des Sensors
wird so durch die Überlappung
der FBGs weiter reduziert. Da die Durchmesser der die FBGs umfassenden
Fasern klein sind, können
die überkreuzten
FBGs in einen dünnen
Film eingebettet werden, um einen handlichen, praktisch zweidimensionalen
Dehnungssensor zu formen.
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8e zeigt
eine Ausführung,
bei der die im schmalen Abschnitt des Verbindungsstücks geformte Biegung
B eine kleine Schleife ist, die einen Biegeradius aufweist, der
im wesentlich kleiner ist als 10 mm.
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8f, g und h zeigen
alternative Ausführungen
der dreielementigen dehnungsmessenden Rosetten, die die vorliegende
Erfindung verkörpern.
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9 zeigt
im Detail einen Teil eines Sensors, der die vorliegende Erfindung
verkörpert.
In dieser schematischen Abbildung ist der Durchmesser der Fasern
zur Veranschaulichung übertrieben
dargestellt. Die zwei FBGs 1A, 1B und das Verbindungsstück 6 sind
in diesem Beispiel aus einem einzigen, durchgehenden Lichtleitfaserstück geformt,
das einen von einem Mantel 22 umgebenen Kern 21 aufweist.
Am Ende des ersten FBGs 1A wird die Faser entlang einem
verjüngten Übergangsteil 61, 611 zu einem
verjüngten
schmalen Abschnitt 62 hin schmaler, der eine ungefähr konstante
Querschnittsfläche hat.
Am zweiten Ende des schmalen Abschnitts wird die Faser entlang einem
zweiten verjüngten Übergangsteil
breiter, der mit einem Ende des zweiten FBGs 1B verbunden
ist.
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In diesem Beispiel besteht das Verbindungsstück demnach
nur aus dem verjüngten
Teil 61, 611, 62. Die Länge der
Verbindungsstücks
wird durch die gestrichelten Begrenzungslinien D1 angezeigt. Im verjüngten Übergangsteil
wird der Kern 21 schließlich 611 so dünn, dass
er im schmalen Abschnitt keine wichtige Rolle bei der Lichtführung mehr
spielt.
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Eine flexible rohrförmige Hülse 7 umgibt
und erstreckt sich über
die gesamte Länge
des verjüngten
Teils und bildet eine Abdichtung mit beiden FBGs. Eine Lufttasche
oder -schicht ist in der Röhre 7 und somit über deren
gesamte Länge
eingeschlossen; der verjüngte
Teil ist von Gas umhüllt
und hat einen niedrigen Brechungsindex. Das Licht, das den verjüngten Teil
von einem FBG zum nächsten
durchläuft, wird
von der Mantelmaterial-Luft-Grenzfläche stark zusammengehalten
und geführt;
wird der verjüngte Teil
so angeordnet, das er von Gas umgeben ist, können sogar enge Biegungen im
verjüngten
schmalen Abschnitt ohne Verlust geformt werden.
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Obwohl der schmale Abschnitt 62 in
diesem Beispiel nicht die Innenseite der Röhre 7 berührt, ist etwas
Kontakt in anderen Ausführungen
akzeptabel.
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Die Ausführung von 9 wurde dadurch geformt, dass die Röhre 7 über den
verjüngten
Teil geschoben und die Vorrichtung dann in einem dünnen Film
von Einkapselungsmaterial eingekapselt wurde (auch als Einbettung
oder Einschluss bezeichnet), wobei das Material so gewählt wurde,
dass sein Brechungsindex niedriger ist als der des Mantels 22. Das
Einkapselungsmaterial 9 steht in direktem Kontakt mit den
FBGs, wird jedoch durch die Röhre 7 und die
eingeschlossene Luft daran gehindert, den verjüngten Teil zu berühren. Es
ist offensichtlich, dass – wenn
die Viskosität
des Einkapselungsmaterials vor dem Härten hoch genug ist – die Röhre 7 dieses
Material von dem Bereich fernhalten kann, der den verjüngten Teil
umgibt, ohne dass gute Dichtungen für die FBGs gebildet werden
müssen.
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Bezug nehmend auf 10, sind das Verbindungsstück und die
FBGs in dieser Ausführung aus
einem Stück
Einmoden-Lichtleitfaser geformt. Das Verbindungsstück besteht
aus zwei nicht-verjüngten
Teilen 63 der Faser an seinen Enden und an jeder Seite
des verjüngten
Teils aus zwei verjüngten Übergangsteilen 61, 611,
die durch einen schmalen Abschnitt 62 verbunden sind. Im
schmalen Abschnitt 62 ist nur eine einzige Biegung B geformt,
um das Verbindungsstück
zwischen den FBGs zu führen, wobei
die Biegung einen Mindestradius unter 2 mm aufweist.
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Der schmale Abschnitt 62 und
ein Teil der verjüngten Übergangsteile
sind mit einem Material 30 beschichtet, dessen Brechungsindex
niedriger ist als der des Mantelmaterials 22. In diesem
Beispiel bedeckt die Beschichtung nicht den ganzen verjüngten Teil,
von dem Abschnitte seiner Oberfläche 65 unbeschichtet
sind.
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Die Beschichtung schützt den
verjüngten schmalen
Abschnitt und erhält
die starke Lichtführung
aufrecht, wodurch Biegeverluste auf ein Minimum reduziert werden.
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Der Sensor kann auch in eine Schicht
oder einen Film eines geeigneten Materials eingebettet sein, um
die relativen Positionen der FBGs zu fixieren und die Handhabung
zu erleichtern.
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11 zeigt
eine dehnungsmessende Rosette, die die vorliegende Erfindung verkörpert und drei
FBGs umfasst, die in einem 60°-Winkel
zueinander in Delta-Konfiguration angeordnet sind. Ein einziges
Faserstück 50 dient
als Eingangsleitung und Ausgangsleitung für in Reihe verbundene Sensoren. Die
Führung
zwischen den FBGs wird mittels der zwei Biegungen B in den verjüngten schmalen
Abschnitten 62 der Verbindungsstücke realisiert, und die Verbindungsteile
sind über
ihre gesamte Länge
in einem Material 30 eingekapselt, dessen Brechungsindex
niedriger ist als der des Mantels 22. Die Einkapselung
der Verbindungsstücke
erstreckt sich in diesem Beispiel so weit, das ein Teil der Faser-Bragg-Gitter
selbst abgedeckt ist.
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Am Ende des dritten Faser-Bragg-Gitters 1c ist
eine nichtreflektierende, absorbierende Oberfläche vorgesehen. Diese abschließende Oberfläche stellt
sicher, dass nur das Licht durch die Eingangs-/Ausgangsfaser 50 zurückkehren
kann, das von den Gittern bei ihren spezifischen Wellenlängen reflektiert
wird. Die Anzahl der Faseranschlüsse
zur Vorrichtung wird dadurch minimiert, dass ein nicht-reflektierendes,
abschließendes
Mittel an einem Ende der Reihe von Faser-Bragg-Gittern eingebaut
ist.
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Die faseroptischen Komponenten des
Sensors sind ferner in einem dünnen
Film 9 eines geeigneten Materials eingeschlossen. Das Filmmaterial
ist nach dem Härten
im Wesentlichen starr genug, um die Dehnung auf die FBGs zu übertragen,
und hat einen niedrigeren Brechungsindex als das Mantelmaterial 22.
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In der Ausführung von 12 kapselt ein einziger Körper eines
Materials 9 die Oberflächen
der FBGs und den verjüngten
Teil des Verbindungsstücks
ein und steht in direktem Kontakt mit beiden.
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Bezug nehmend auf 13, wurden die zwei FBGs 1a, 1b in
dieser Ausführung
in einer Reihe entlang einem durchgehenden Lichtleitfaserstück geformt,
das über
seine Breite gleichmäßig ist,
d. h., dass es keinen getrennten Mantel aufweist. Ein Verbindungsstück, das
durch die gestrichelten Begrenzungslinien D1 dargestellt ist, enthält einen
verjüngten
Teil, der aus verjüngten Übergangsteilen 61 und einem
schmalen Abschnitt 62 besteht. Der schmale Abschnitt enthält eine
Biegung B mit einem Radius von 1 mm und ist als Schleife geformt.
Der ganze verjüngte
Teil ist in einer Tasche aus Gas eingekapselt, das in dem Einbettungsmaterial 9 eingeschlossen
ist. Die Gastasche ist in einer Einschlussstruktur 71 eingeschlossen,
die verhindert, dass das Einkapselungsmaterial 9 den verjüngten Teil
während
des Einbettungsverfahrens berührt.
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14 zeigt
eine dehnungsmessende Rosette gemäß der vorliegenden Erfindung,
wobei die Rosette einen Eingangsteil 50 und einen Ausgangsteil 52 einer
Lichtleitfaser umfasst. Die Lichtleitfaser ist eine Einmodenfaser,
und die FBGs 1a, 1b, 1c sind im schmalen
Abschnitt 62 eines verjüngten
Teils des Faser geformt. Weitere schmale Abschnitte verbinden die
FBGs und enthalten Biegungen, deren Radius kleiner als 1 mm ist.
Die Größe der Rosette
kann gegenüber
vorherigen Anordnungen beträchtlich
reduziert werden, indem die FBGs im schmalen Abschnitt geformt werden.
Die Rosette ist in einem geeigneten Material 9 eingekapselt.
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15 zeigt
eine weitere Ausführung,
bei der die im Wesentlichen geraden Faser-Bragg-Gitter 1a, 1b in
einem Winkel θ zueinander
angeordnet und in einem Film des Materials 9 eingekapselt
sind. Die FBGs sind in einem durchgehenden Lichtleitfaserstück geformt,
während
das Verbindungsstück,
das durch die gestrichelten Begrenzungslinien D1 dargestellt ist,
nicht-verjüngte Teile
bei 63 enthält,
die in Kurven angeordnet sind, deren Mindestradius mindestens 1
cm beträgt.
Der durch die Begrenzungslinien D2 dargestellte verjüngte Teil
des Verbindungsstücks
enthält
zwei scharfe Biegungen B im schmalen Abschnitt 62, während die
Führung
des Verbindungsstücks
zwischen den FBGs im Wesentlichen durch die Biegungen B erfolgt.
Der gesamte verjüngte
Teil 61, 62 des Verbindungsstücks ist in einer Gasblase eingeschlossen,
die im Einkapselungsmaterial 9 geformt ist.
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16 zeigt
eine rechteckige, dreielementige dehnungsmessende Rosette gemäß einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung. Das erste FBG 1A und das zweite
FBG 1B sind durch ein Verbindungsstück verbunden, das einen nicht-verjüngten Teil 63 zwischen
zwei verjüngten
Teilen 61 und 62 enthält. Der nicht-verjüngte Teil 63 ist
im Wesentlichen gerade, und die Biegungen sind in den verjüngten schmalen
Abschnitten 62 geformt; die verjüngten schmalen Abschnitte 62 und
die verjüngten Übergangsteile
sind in einem Material 91 eingekapselt, das nach dem Härten im
Wesentlichen flexibel ist und einen niedrigeren Brechungsindex aufweist
als die Bestandteile der Lichtleitfasern. Ein zweites Verbindungsstück verbindet
das zweite FBG mit dem dritten und ist ebenfalls im flexiblen Material 91 eingekapselt.
Ein im Wesentlichen starrer Film 9 ist rund um die Vorrichtung
geformt und steht in direktem Kontakt mit den FBGs und den äußeren Oberflächen der
einkapselnden flexiblen Teile 91. Das im Wesentlichen starre
Material 9 kann die Dehnung auf die FBGs übertragen,
während
die flexiblen Teile 91 eine gewisse Dehnungsentlastung
für die
verjüngten
Teile bereitstellen. Das flexible Material 91 kann außerdem einen
niedrigeren Brechungsindex aufweisen als der durch die starren Einkapselungsmittel
zur Verfügung stehende.
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Das flexible Material ist in diesem
Beispiel durchsichtiges Silikongummi. Die Einkapselung der Biegungen
führt bei
diesem Material nicht zu zusätzlichem
Verlust.
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17 zeigt
eine weitere Ausführung,
bei der drei FBGs in einem Film 9 eines Materials eingeschlossen
und die schmalen Abschnitte der Verbindungsstücke in im Film gebildeten Öffnungen
oder Hohlräumen 101 angeordnet
sind. Diese Hohlräume können dadurch
geformt werden, dass das Filmmaterial während des Einkapselungsverfahrens
von den verjüngten
schmalen Abschnitten ferngehalten wird oder alternativ das Einkapselungsmaterial
nach dem Härten
oder Abbinden abgeätzt
wird. Weitere Filme eines geeigneten Materials können an jede Seite des Films 9 geklebt
werden und folglich Gas in den Hohlräumen 101 einschließen. Dies
ist eine praktische Art für
die Fertigung von Vorrichtungen, bei der die starke Lichtführung in
der Biegung des verjüngten schmalen
Abschnitts dadurch beibehalten wird, dass die Oberfläche des
schmalen Abschnitts in Kontakt mit einem Gas angeordnet ist.
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Die Vorrichtung von 17 hat ein ungefähr quadratisches Format mit
einer Seitenlänge
von 2 cm.
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18 zeigt
eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführung. In
diesem Beispiel sind drei Faser-Bragg-Gitter 1a, 1b, 1c zwischen zwei
parallele starre Platten PT, PB eingeschichtet. Die
Trennung zwischen der oberen PT und unteren Platte
PB ist so beschaffen, dass beide in engem
Kontakt mit den FBGs stehen (der Abstand entspricht dem Durchmesser
der nicht-verjüngten Faser).
Die FBGs sind jeweils an die Platten angeklebt (angeleimt), und
die an den Platten wirkende Dehnung kann auf die FBGs übertragen
werden. Die verjüngten
schmalen Abschnitte 62 haben einen kleineren Durchmesser
und berühren
deshalb nicht die Platten. Die verjüngten schmalen Abschnitte sind
nicht in Silikongummi oder Epoxidharz eingekapselt, dafür aber im
Raum zwischen den Platten von Luft umgeben. Die Plattendehnung kann
nicht direkt zu den verjüngten
schmalen Abschnitten übertragen
werden. Die verjüngten
schmalen Abschnitte enthalten 90°-Biegungen,
und die „nach
vorne" zeigenden
Oberflächen 61f der
verjüngten Übergangsteile
des ersten und dritten FBGs 1a, 1c sind in der
Figur ersichtlich.
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Sensoren gemäß der vorliegenden Erfindung
können
als an einer Oberfläche
befestigte Sensoren verwendet oder als Sensoren in Strukturen und Komponenten
eingebettet werden, die aus Verbundwerkstoffen wie z. B. kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoffen
oder Materialien auf Zementbasis bestehen.
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Bei den letzteren Anwendungen ist
für den ganzen
Sensor bzw. die ganze Rosette eine Einkapselung zum Schutz und zur
Verstärkung
während des Einbettungsverfahrens
erforderlich. Dies ist insbesondere von Bedeutung für die Biegungen
der verjüngten
schmalen Abschnitte, die von sich aus zerbrechlich sind, wenn vorher
die Schutzbeschichtungen entfernt wurden und ihr Durchmesser durch
die Streck- oder Ziehverfahren wesentlich reduziert wurde. Die Biegungen
in den verjüngten
schmalen Abschnitten erleiden obendrein ausgeprägte Verluste, wenn sie unkontrollierten
Verzerrungen ausgesetzt werden, wobei sie besonders auf Verzerrungen
in den verjüngten Übergangsbereichen
empfindlich reagieren. Darüber
hinaus geht Licht durch die teilweise oder vollständige Reduzierung
der Wellenführungs-Fähigkeit
des gebogenen schmalen Abschnitts verloren, wenn der Brechungsindex
des umgebenden Materials nicht ausreichend niedrig ist.
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Sogar bei Oberflächenanwendungen ist eine Einkapselung
erforderlich, damit die Rosette handlich und sicher gehandhabt und
auf die Prüfoberfläche aufgebracht
werden kann.
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Die Rosette kann in den Ausführungen
der vorliegenden Erfindung demzufolge in einem geformten Material
wie z. B. Epoxidharz eingekapselt sein, dessen Brechungsindex wesentlich
niedriger ist als der des Materials, das den Mantel der Lichtleitfaser bildet.
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Die Rosette kann in einem geformten
Material wie z. B. Epoxidharz eingekapselt sein, während die
Biegungen der verjüngten
schmalen Bereiche von einem Epoxidharz umgeben sind, das einen wesentlich
niedrigeren Brechungsindex aufweist als das Material, das den Mantel
der Lichtleitfaser bildet, wobei das umhüllende Epoxidharz entweder
während des
Formens aufgetragen oder alternativ vor der Einkapselung beschichtet
werden kann.
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Die Rosette kann alternativ in einem
geformten Material wie z. B. Epoxidharz eingekapselt sein, während die
gebogenen verjüngten
Teile in dünnen, flexiblen
Röhren
untergebracht sind, die den gebogenen schmalen Abschnitt im Wesentlichen
von einer Berührung
der Röhrenwände fernhalten,
obwohl etwas Kontakt akzeptabel ist.
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Als Alternative zu Epoxidharz kann
Silikongummi verwendet werden, beispielsweise als Einbettungs-,
Formungs- oder Einkapselungsmaterial oder als Beschichtungsmaterial.
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Es können selbstverständlich andere
geeignete Materialien verwendet werden; in bestimmten Ausführungen
können
auch mehrere verschiedene Materialien zur Anwendung kommen, beispielsweise ein
erstes Material, mit dem die gebogenen verjüngten Teile beschichtet werden,
und ein zweites Material, das den Sensor einkapselt.