EP0696782A1 - Optische Druckkrafterfassungsvorrichtung - Google Patents

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EP0696782A1
EP0696782A1 EP95112610A EP95112610A EP0696782A1 EP 0696782 A1 EP0696782 A1 EP 0696782A1 EP 95112610 A EP95112610 A EP 95112610A EP 95112610 A EP95112610 A EP 95112610A EP 0696782 A1 EP0696782 A1 EP 0696782A1
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EP
European Patent Office
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light detector
optical waveguide
modes
optical
pressure force
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EP95112610A
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Peter Dr. Fasshauer
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Marinitsch Waldemar
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Marinitsch Waldemar
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B13/00—Burglar, theft or intruder alarms
    • G08B13/02—Mechanical actuation
    • G08B13/10—Mechanical actuation by pressure on floors, floor coverings, stair treads, counters, or tills

Definitions

  • the invention relates to an optical pressure force detection device according to the preamble of claim 1.
  • Such a pressure force detection device is known from DE GM 9 111 359.
  • Optical pressure force detection devices with an optical waveguide arranged in a contact mat serve, inter alia, as optical alarm devices which perceive a change in a compressive force on the contact mat, for example the entry of a contact mat by a person or the removal of an object standing on the contact mat and trigger a corresponding alarm signal, but also as pressure measuring devices, for example weighing devices, with which the weight of an object arranged on the contact mat can be determined.
  • Such pressure force detection devices work on a physical principle, for example in Thomas G. Giallorenzi et al. "Optical Fiber Sensor Technology” in IEEE Journal of Quantum Electronics, Volume QE-18, No. 4, April 1982.
  • a pressure force on the contact mat or, if necessary, the decrease of a pressure force on the contact mat causes a change in the state of curvature of the optical waveguide, which in turn leads to a change in the transmission of the light from the light source to the light detector.
  • This change in the light passing through the optical waveguide, which is detected by the light detector is evaluated and, depending on the field of application, converted into an alarm signal or a measurement signal.
  • One possibility, which is also provided in the pressure force detection device according to the preamble of claim 1, is to periodically structure the contact mat on the inside on at least one side of the optical waveguide in the direction of the pressure force, so that the compressive force lying on the contact mat at periodically spaced locations on the optical waveguide is transmitted and this is periodically curved.
  • Another possibility of the periodic curvature of the optical waveguide is to wrap the optical waveguide with a metallic helix which is guided in a spiral around the optical waveguide with a constant pitch.
  • the pressure force on the contact mat is transmitted to the optical fiber via the helix, as a result of which the latter is periodically curved.
  • the optical waveguide which generally consists of an optical fiber
  • the respective sensitivity is determined by the degree of deformation of the optical waveguide and the resulting loss of the light traveling in the optical waveguide.
  • the object underlying the invention is to design an optical pressure force detection device according to the preamble of claim 1 so that it has a higher sensitivity.
  • the design according to the invention is based on the idea that a higher sensitivity can be achieved if the mode coupling is used to detect the compressive force, which consists in the fact that when the optical waveguide is curved, the light energy changes from modes with a lower atomic number to modes with a higher atomic number without that a change in the total transmitted light energy, ie a real loss occurs.
  • the result of the mode coupling is that the far field distribution of the light emerging from the optical waveguide widens when an applied pressure force is applied to the contact mat. Since the total energy is retained, an evaluation of the entire mode field would not lead to a distinction between loading and unloading the optical waveguide.
  • the light detector is designed and arranged such that only the radiation field in the vicinity of the modes of low atomic number is evaluated, so that the considerable change in the partial energy in this area, depending on the presence of a compressive force on the contact mat and thus on the optical waveguide, is determined and can be evaluated.
  • the pressure force detection device with the design according to the invention has the desired high sensitivity.
  • the optical pressure force detection device shown in the drawing represents in particular an optical alarm device with an optical touch sensor in the form of an optical waveguide made of an optical fiber 1, which is embedded in a contact mat 2, for example made of a rubber or plastic material.
  • the optical fiber 1 can be loop-shaped be arranged over a given surface area in the contact mat 2, so that when this is laid on a floor surface to be secured, a pressure force is exerted on the optical fiber 1 when the contact mat is entered.
  • the contact mat 2 on one side of the optical fiber 1 in the direction of the applied compressive force in this case is periodically structured on the underside of the optical fiber 1, i.e. provided with a wave profile 3, so that a pressure force lying on the contact mat leads to a corresponding periodic curvature of the optical fiber 1.
  • the contact mat 2 can also be provided on the inside on both opposite sides in the direction of the pressure force with corresponding profiles 3, 4, which further increases the sensitivity.
  • the contact mat 2 expediently consists of two mat parts, between which the optical fiber 1 is laid. This training is easy to manufacture and involves low costs.
  • Periodic pressure points on the optical fiber can also be formed by a corresponding layer, for example a grid-shaped layer, on which the optical fiber e.g. is arranged by sewing. Any layer generating pressure points is suitable. Such a layer can in turn be arranged between two flat mats.
  • the arrangement shown in Figures 1a and 1b is arranged between a light source, for example a light emitting diode or a laser diode and a light detector, so that the light emitted by the light source, for example in the form of light pulses, passes through the optical fiber 1 and from the light detector at the output of the optical one Fiber 1 is detected.
  • the output signals of the light detector are on an evaluation device.
  • the top of one of the mats can be made of a rubber-like material with a large number of small plates Pressure transmission to the optical fiber must be occupied, with each plate distributing the partial weight on its load over a stretch of the fiber, the length of which is determined by the plate size. Therefore, the smaller the plate area, the lower the signal voltage supplied by the light detector at the same weight load, since this load acts on a shorter fiber path. If the total weight load G is made up of individual partial weights G i , as is the case, for example, with a load by several people, then the signal voltage resulting from a partial weight in the plate arrangement is lower than if this partial weight were to be applied to the entire mat surface. This leads to an advantageous linearization and extension of the signal voltage-load characteristic.
  • the optical fiber 1 is a multimode fiber with step profile, i.e. an optical fiber, the refractive index of which changes stepwise between the core and the cladding, in contrast to an optical fiber with a gradient profile, which is usually used in known pressure force detection devices and in which the refractive index changes continuously.
  • This has the advantage that when the periodic structuring, i.e. 1a and 1b, larger tolerances are permissible, since there is no sharp resonance for the sensitivity, which can only be achieved if a certain period length is strictly observed, as is the case when using a multimode fiber with a gradient profile Case is.
  • Equation (5) shows that with a complete mode coupling, a different period length l p is required for each mode m, which is greater the lower the atomic number of the mode in question.
  • the light source for example a laser diode
  • the optical waveguide namely the optical fiber 1
  • this light pulse travels through the optical fiber 1 to the output of the optical fiber 1, to which, for example, a photodiode is attached as the light detector.
  • the light emerging from the optical fiber 1 has a far field distribution P ( ⁇ ), which is shown in FIG. 2.
  • the illustration of Fig. 2 relates to a certain loading condition of the contact mat, i.e. the optical fiber, which can be the unloaded state, for example. If due to an increasing load, i.e. An increasing compressive force on the contact mat causes a curvature of the optical fiber 1, then the mode coupling described above occurs, which leads to the fact that the far field distribution P ( ⁇ ) changes as shown in Fig. 2b. 2b shows that the field has widened while its maximum value has decreased, but the total power of all modes remains constant.
  • the partial power then recorded shows considerable changes depending on the load condition and comprises 40% to 80%, preferably about 60% of the modes.
  • the detection range can start at about 20% of the modes of the total radiation field.
  • FIG. 3 shows the difference between the power received by the light detector, ie the photodiode, when the optical fiber 1 is loaded and unloaded as a function of an angle ⁇ o, which is caused by the distance d of the photodiode from the end of the optical fiber 1 certain aperture is given.
  • 4 shows: As shown in Fig. 3, the photodiode 5 is formed and arranged so that it covers an opening angle 2 ⁇ o, which includes the modes of low atomic number. This can be achieved by an appropriate setting of the distance d to the fiber end and an appropriate choice of the width D of the photodiode 5.
  • the aperture of the receiving device is dependent on the numerical aperture A N of the optical waveguide system.
  • the optimal value is obtained if the following applies according to FIG. 4: ⁇ o ⁇ arc sin A N
  • Adequate sensitivity of the arrangement is obtained if ⁇ o is approximately in the range from 0.8 to 1.2 arc sin A N , ie correspondingly in the distance range lies.
  • the use of a laser diode as the light source with the correspondingly narrow radiation characteristic is particularly preferred, since only modes of relatively low atomic numbers are excited, as a result of which the radiation power in the far field is concentrated over a narrow angular range. This increases the difference in the distribution of the far field when loading and unloading, and further increases the sensitivity of the device.
  • the periodic curvature of the optical fiber 1 under a load i.e. A force exerted on the contact mat 2 can also be achieved by laying the optical fiber 1 in the contact mat 2 in such a way that it intersects at periodically spaced locations, as shown in FIG. 6.
  • the load on the contact mat 2 at the crossing points is transferred from one intersecting fiber part to the other fiber part, as a result of which the latter is curved in the desired manner.
  • the contact mat 2 itself can be unprofiled.
  • the pressure force detection devices described above can not only be used to signal the entry of the contact mat by a person, it is also possible to reduce the pressure force, for example the removal of an object, by correspondingly comparing the evaluation device in a loaded state from the contact mat, and to provide a corresponding output signal.
  • the pressure force detection device can also be arranged in museums and galleries on the walls on which paintings are hung, so that the removal of a painting and thus the reduction of the pressure otherwise present triggers a corresponding output signal, for example an alarm signal.
  • the sensitivity is such that changes in the compressive force of approximately 1 g per 1 m fiber length can already be detected. Such a device is therefore suitable as theft protection, object protection and the like. But it can also be used to determine the weight of an object that is placed on the contact mat.

Abstract

Optische Druckkrafterfassungsvorrichtung, beispielsweise optische Alarmeinrichtung mit einem Multimoden-Lichtwellenleiter (1), der in einer Kontaktmatte (2) angeordnet ist, an der die Druckkraft liegt und der durch die an der Kontaktmatte (2) liegende Druckkraft gekrümmt wird. Der Lichtwellenleiter (1) ist zwischen einer Lichtquelle und einem Lichtdetektor (5) angeordnet, wobei eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, die die Ausgangssignale des Lichtdetektors z.B. zu einem Alarmsignal auswertet, die sich durch Modenkopplung in Abhängigkeit von der anliegenden Druckkraft ändern. Der Lichtdetektor deckt einen Öffnungswinkel am Ausgang des Lichtwellenleiters (1) ab, der nur das Strahlungsfeld in der Umgebung der Moden mit niedriger Ordnungszahl des Lichtwellenleiters (1) einschließt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine optische Druckkrafterfassungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Druckkrafterfassungsvorrichtung ist aus dem DE GM 9 111 359 bekannt.
  • Optische Druckkrafterfassungsvorrichtungen mit einem in einer Kontaktmatte angeordneten Lichtwellenleiter dienen u.a. als optische Alarmeinrichtungen, die eine Änderung einer an der Kontaktmatte liegenden Druckkraft, beispielsweise das Betreten der Kontaktmatte durch eine Person oder das Entfernen eines auf der Kontaktmatte stehenden Gegenstandes wahrnehmen und ein dementsprechendes Alarmsignal auslösen, aber auch als Druckmeßvorrichtungen, z.B. Wiegevorrichtungen, mit denen das Gewicht eines auf der Kontaktmatte angeordneten Gegenstandes bestimmt werden kann.
  • Derartige Druckkrafterfassungsvorrichtungen arbeiten nach einem physikalischen Prinzip, das beispielsweise in Thomas G. Giallorenzi et al. "Optical Fiber Sensor Technology" in IEEE Journal of Quantum Electronics, Band QE-18, Nr. 4, April 1982 beschrieben ist. Nach diesem physikalischen Prinzip bewirkt eine an der Kontaktmatte liegende Druckkraft oder ggfs. das Abnehmen einer an der Kontaktmatte liegenden Druckkraft eine Änderung im Krümmungszustand des Lichtwellenleiters, was wiederum zu einer Änderung in der Transmission des Lichtes von der Lichtquelle zum Lichtdetektor führt. Diese Änderung in dem durch den Lichtwellenleiter hindurchgehenden Licht, die vom Lichtdetektor erfaßt wird, wird ausgewertet und je nach Anwendungsgebiet in ein Alarmsignal oder ein Meßsignal umgewandelt.
  • Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine derartige Krümmung des Lichtwellenleiters zu erreichen. Eine Möglichkeit, die auch bei der Druckkrafterfassungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorgesehen ist, besteht darin, die Kontaktmatte innen an wenigstens einer Seite des Lichtwellenleiters in Druckkraftrichtung periodisch zu strukturieren, so daß die an der Kontaktmatte liegende Druckkraft an periodisch beabstandeten Stellen auf den Lichtwellenleiter übertragen wird und dieser dadurch periodisch gekrümmt wird.
  • Eine weitere Möglichkeit der periodischen Krümmung des Lichtwellenleiters, die beispielsweise in der EP 0 131 474 B1 beschrieben ist, besteht darin, den Lichtwellenleiter mit einer metallischen Wendel zu umwickeln, die spiralförmig mit einer konstanten Ganghöhe um den Lichtwellenleiter geführt ist. Bei dieser Ausführungsform wird die an der Kontaktmatte liegende Druckkraft über die Wendel auf den Lichtwellenleiter übertragen, wodurch dieser periodisch gekrümmt wird.
  • Den bekannten Druckkrafterfassungsvorrichtungen ist es gemeinsam, daß die bei einer Krümmung des Lichtwellenleiters, der in der Regel aus einer optischen Faser besteht, auftretenden Verluste im durchgehenden Licht erfaßt und ausgewertet werden. Dabei ist die jeweilige Empfindlichkeit von dem Maß an Verformung des Lichtwellenleiters und des daraus resultierenden Verlustes des im Lichtwellenleiter wandernden Lichtes bestimmt.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine optische Druckkrafterfassungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszugestalten, daß sie eine höhere Empfindlichkeit hat.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Ausbildung gelöst, die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
  • Der erfindungsgemäßen Ausbildung liegt der Gedanke zugrunde, daß eine höhere Empfindlichkeit dann erzielbar ist, wenn zur Erfassung der Druckkraft die Modenkopplung genutzt wird, die darin besteht, daß sich bei einer Krümmung des Lichtwellenleiters die Lichtenergie von Moden niedriger Ordnungszahl auf Moden höherer Ordnungszahl übergeht, ohne daß eine Änderung der gesamten übertragenen Lichtenergie, d.h. ein echter Verlust auftritt. Die Modenkopplung hat nun zur Folge, daß sich die Fernfeldverteilung des aus dem Lichtwellenleiter austretenden Lichtes bei einer anliegenden Druckkraft an der Kontaktmatte verbreitert. Da die Gesamtenergie erhalten bleibt, würde somit eine Auswertung des gesamten Modenfeldes zu keiner Unterscheidung zwischen einer Belastung und Entlastung des Lichtwellenleiters führen. Erfindungsgemäß ist aber der Lichtdetektor so ausgebildet und angeordnet, daß nur das Strahlungsfeld in der Umgebung der Moden niedriger Ordnungszahl ausgewertet wird, so daß die erhebliche Änderung der Teilenergie in diesem Bereich in Abhängigkeit von dem Anliegen einer Druckkraft an der Kontaktmatte und damit am Lichtwellenleiter festgestellt und ausgewertet werden kann.
  • Da die Modenkopplung ein Effekt ist, der sich bereits bei sehr schwachen Belastungen und Krümmungen des Lichtwellenleiters zeigt, hat die Druckkrafterfassungsvorrichtung mit der erfindungsgemäßen Ausbildung die gewünschte hohe Empfindlichkeit.
  • Besonders bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Druckkrafterfassungsvorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 13.
  • Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen
    • Fig. 1a in einer Schnittansicht die Anordnung des Lichtwellenleiters in einer Kontaktmatte bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Druckkrafterfassungsvorrichtung,
    • Fig. 1b die Anordnung des Lichtwellenleiters in einer Kontaktmatte bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Druckkrafterfassungsvorrichtung,
    • Fig. 2a die Fernfeldverteilung des am Ausgang des Lichtwellenleiters austretenden Lichtes im unbelasteten Zustand des Lichtwellenleiters,
    • Fig. 2b die Fernfeldverteilung des am Ausgang des Lichtwellenleiters austretenden Lichtes im belasteten Zustand,
    • Fig. 3 die Differenz des vom Lichtdetektor im belasteten und unbelasteten Zustand des Lichtwellenleiters empfangenen Lichtes in Abhängigkeit vom Halbwertsöffnungswinkel des Lichtdetektors,
    • Fig. 4 schematisch die Anordnung des Lichtdetektors gegenüber dem Ende des Lichtwellenleiters,
    • Fig. 5 das Maß der Änderung in der vom Lichtdetektor erfaßten Lichtenergie bei einer gegebenen Belastung und bei gegebener Größe des Lichtdetektors in Abhängigkeit vom Abstand des Lichtdetektors vom Lichtwellenleiterende und
    • Fig. 6 ein weiteres Beispiel der Anordnung des Lichtwellenleiters in einer Kontaktmatte.
  • Die in der Zeichnung dargestellte optische Druckkrafterfassungsvorrichtung stellt insbesondere eine optische Alarmvorrichtung mit einem optischen Berührungssensor in Form eines Lichtwellenleiters aus einer optischen Faser 1 dar, die in eine Kontaktmatte 2 beispielsweise aus einem Gummi- oder Kunststoffmaterial eingebettet ist. Die optische Faser 1 kann schleifenförmig über einen gegebenen Flächenbereich in der Kontaktmatte 2 angeordnet sein, so daß dann, wenn diese auf einer zu sichernden Bodenfläche verlegt ist, bei einem Betreten der Kontaktmatte eine Druckkraft auf die optische Faser 1 ausgeübt wird.
  • Wie es in Fig. 1a dargestellt ist, ist die Kontaktmatte 2 an einer Seite der optischen Faser 1 in Richtung der anliegenden Druckkraft in diesem Fall an der Unterseite der optischen Faser 1 periodisch strukturiert, d.h. mit einem Wellenprofil 3 versehen, so daß eine an der Kontaktmatte liegende Druckkraft zu einer entsprechenden periodischen Krümmung der optischen Faser 1 führt. Wie es in Fig. 1b dargestellt ist, kann die Kontaktmatte 2 innen auch auf beiden gegenüberliegenden Seiten in Richtung der Druckkraft mit entsprechenden Profilen 3, 4 versehen sein, was die Empfindlichkeit weiter erhöht. Zweckmäßigerweise besteht die Kontaktmatte 2 zu diesem Zweck aus zwei Mattenteilen, zwischen denen die optische Faser 1 verlegt ist. Diese Ausbildung ist einfach herzustellen und mit geringen Kosten verbunden. Periodische Druckpunkte an der optischen Faser können auch durch eine entsprechende Lage, beispielsweise eine gitterförmige Lage, gebildet sein, auf der die optische Faser z.B. durch Aufnähen angeordnet ist. Jede Druckpunkte erzeugende Lage ist geeignet. Eine derartige Lage kann wiederum zwischen zwei planen Matten angeordnet werden.
  • Die in den Figuren 1a und 1b dargestellte Anordnung ist zwischen einer Lichtquelle beispielsweise einer Leuchtdiode oder einer Laserdiode und einem Lichtdetektor angeordnet, so daß das von der Lichtquelle ausgesandte Licht beispielsweise in Form von Lichtimpulsen durch die optische Faser 1 hindurchgeht und vom Lichtdetektor am Ausgang der optischen Faser 1 erfaßt wird. Die Ausgangssignale des Lichtdetektors liegen an einer Auswerteeinrichtung.
  • Zur Linearisierung der Kennlinie Signalspannung-Gewichtsbelastung kann die Oberseite einer der Matten aus einem gummiartigen Material mit einer Vielzahl von kleinen Platten zur Druckübertragung auf die optische Faser belegt sein, wobei jede Platte das auf ihr lastende Teilgewicht auf eine Strecke der Faser verteilt, deren Länge durch die Plattengröße bestimmt ist. Je kleiner daher die Plattenfläche ist, umso geringer ist bei gleicher Gewichtsbelastung die vom Lichtdetektor gelieferte Signalspannung, da diese Belastung auf eine kürzere Faserstrecke einwirkt. Setzt sich die Gesamtgewichtsbelastung G aus einzelnen Teilgewichten Gi zusammen, wie es z.B. bei einer Belastung durch mehrere Personen der Fall ist, dann ist die durch ein Teilgewicht entstehende Signalspannung bei der Plattenanordnung geringer, als wenn dieses Teilgewicht auf der gesamten Mattenfläche lasten würde. Das führt zu einer vorteilhaften Linearisierung und Verlängerung der Kennlinie Signalspannung-Belastung.
  • Die optische Faser 1 ist eine Multimodenfaser mit Stufenprofil, d.h. eine optische Faser, deren Brechungsindex sich zwischen Kern und Mantel stufenartig ändert, im Unterschied zu einer optischen Faser mit Gradientenprofil, die bei bekannten Druckkrafterfassungsvorrichtungen üblicherweise verwandt wird und bei der sich der Brechungsindex kontinuierlich ändert. Das hat den Vorteil, daß bei der Ausbildung der periodischen Strukturierung, d.h. bei dem in Fig. 1a und 1b dargestellten Wellenprofil 3, 4 größere Toleranzen zulässig sind, da es für die Empfindlichkeit keine scharf ausgeprägte Resonanz gibt, die nur bei genauer Einhaltung einer bestimmten Periodenlänge erreichbar ist, wie es bei der Verwendung einer Multimodenfaser mit Gradientenprofil der Fall ist.
  • Das läßt sich in der folgenden Weise zeigen:
       Durch die periodische Krümmung des Lichtwellenleiters, d.h. der optischen Faser 1, kommt es zu einer Leistungskopplung, nämlich der Modenkopplung zwischen benachbarten Moden. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn bei einer mechanischen Periodenlänge lp der die Krümmung der optischen Faser 1 bewirkenden Struktur 3 oder 3, 4 zwischen benachbarten Moden mit der Ordnungszahl m und m+1 für die Phasendifferenz folgendes gilt: Δφ = β m+1 l p - β m l p = 2π
    Figure imgb0001
     wobei βm die Phasenkonstante für die Mode mit der Ordnungszahl m ist.
  • Bei einer optischen Faser mit Stufenprofil ergibt sich nach Gleichung (1):
    Figure imgb0002
    wobei Δ die relative Brechzahldifferenz, a den Kernradius und M die Gesamtzahl aller Moden bezeichnet.
  • Bei einer Faser mit Gradientenprofil ergibt sich demgegenüber:
    Figure imgb0003
       Aus den Gleichungen (2) und (3) ist ersichtlich, daß bei einer Faser mit Stufenprofil die Phasendifferenz und damit die Modenkopplung von der Modenzahl m abhängig ist, während sie bei einer Faser mit Gradientenprofil davon unabhängig ist. Das bedeutet, daß es bei einer Faser mit Gradientenprofil nur eine einzige Periodenlänge lp gibt, für die die maximale Modenkopplung auftritt. Dafür gilt:
    Figure imgb0004
       Somit ergibt sich in der Empfindlichkeit bei einer Faser mit Gradientenprofil eine scharf ausgeprägte Resonanz, die genau eingehalten werden sollte, was hinsichtlich der Kosten bei der Herstellung der periodischen Struktur 3,4 mit Problemen verbunden ist.
  • Bei einer Faser mit Stufenprofil ergibt sich aus den Gleichungen (1) und (2) nach Einführung der Numerischen Apertur der Faser A n = n√2Δ
    Figure imgb0005
    , daß die Kopplung benachbarter Moden eintritt für:
    Figure imgb0006
       Gleichung (5) zeigt, daß bei einer vollständigen Modenkopplung für jede Mode m eine andere Periodenlänge lp erforderlich ist, die umso größer ist, je niedriger die Ordnungszahl der betreffenden Mode ist.
  • Vorzugsweise wird die Periodenlänge lp bei Verwendung einer optischen Faser mit Stufenprofil so gewählt, daß M/m etwa gleich 2 ist, so daß die Modenkopplung hauptsächlich bei Moden niedriger Ordnungszahl auftritt, da auch in der Nachbarschaft der Mode m=M/2
    Figure imgb0007
     eine teilweise Kopplung vorhanden ist. Wenn beispielsweise eine optische Faser mit Stufenprofil verwandt wird, bei der a=0,1mm, An=0,3 und der Brechungsindex des Faserkernes n=1,5 ist, dann ergibt sich eine Periodenlänge lp nach Gleichung (5) von etwa 5 mm.
  • Als optische Fasern mit Stufenprofil können handelsübliche unter der Bezeichnung HCS (Hard Cladding Silica) bekannte Fasern verwandt werden, die neben den erforderlichen optischen Eigenschaften auch die notwendigen mechanischen Eigenschaften zur Verwendung in der Kontaktmatte besitzen. Die o.a. Periodenlänge lp der Profile 3,4 ist weiterhin bei handelsüblichen, kostengünstigen Gummiprofilmatten erhältlich, die ohne weiteres eingesetzt werden können, da keine hohen Anforderungen an eine genau einzuhaltende Periodenlänge gegeben sind, wie es bei Verwendung von Fasern mit Gradientenprofil der Fall wäre. Die Ausbildung ist daher insgesamt kostengünstig.
  • Im folgenden wird die Arbeitsweise der oben beschriebenen Druckkrafterfassungsvorrichtung im einzelnen erläutert:
       Wenn die Lichtquelle, beispielsweise eine Laserdiode, einen Lichtimpuls an den Lichtwellenleiter, nämlich die optische Faser 1 abgibt, dann wandert dieser Lichtimpuls durch die optische Faser 1 bis zum Ausgang der optischen Faser 1, an dem als Lichtdetektor beispielsweise eine Photodiode angebracht ist.
  • Das aus der optischen Faser 1 austretende Licht hat eine Fernfeldverteilung P (γ), die in Fig. 2 dargestellt ist. Die Darstellung von Fig. 2 bezieht sich auf einen bestimmten Belastungszustand der Kontaktmatte, d.h. der optischen Faser, der beispielsweise der unbelastete Zustand sein kann. Wenn aufgrund einer zunehmenden Belastung, d.h. einer zunehmenden Druckkraft an der Kontaktmatte eine Krümmung der optischen Faser 1 bewirkt wird, dann tritt die oben beschriebene Modenkopplung auf, die dazu führt, daß sich die Fernfeldverteilung P (γ) so ändert, wie es in Fig. 2b dargestellt ist. Fig. 2b zeigt, daß sich das Feld bei gleichzeitiger Abnahme seines Maximalwertes verbreitert hat, wobei jedoch die Gesamtleistung aller Moden konstant bleibt.
  • Eine Auswertung des gesamten Modenfeldes, beispielsweise eine Differenzbildung zwischen den vom Lichtdetektor empfangenen Lichtleistungen gemäß Fig. 2a und Fig. 2b, würde daher zu keinem Unterschied führen, so daß auch keine Unterscheidung zwischen einer Belastung und einer Entlastung der optischen Faser möglich wäre.
  • Ein Unterschied ergibt sich jedoch dann, wenn nur das Strahlungsfeld in der Umgebung des Maximums, d.h. das Strahlungsfeld der Moden mit niedriger Ordnungszahl ausgewertet wird. Die dann erfaßte Teilleistung zeigt in Abhängigkeit vom Belastungszustand erhebliche Änderungen und umfaßt 40 % bis 80 %, vorzugsweise etwa 60 % der Moden. Der Erfassungsbereich kann bei etwa 20 % der Moden des Gesamtstrahlungsfeldes beginnen.
  • Fig. 3 zeigt die Differenz der vom Lichtdetektor, d.h. der Photodiode empfangenen Leistung bei Belastung und Entlastung der optischen Faser 1 in Abhängigkeit von einem Winkelγo, der durch die vom Abstand d der Photodiode vom Ende der optischen Faser 1 bestimmte Apertur gegeben ist. Aus Fig. 4 ergibt sich dazu:
    Figure imgb0008
       Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, ist die Photodiode 5 so ausgebildet und angeordnet, daß sie einen Öffnungswinkel 2 γo abdeckt, der die Moden niedriger Ordnungszahl einschließt. Das kann durch eine entsprechende Einstellung des Abstandes d zum Faserende sowie eine entsprechende Wahl der Breite D der Photodiode 5 erreicht werden.
  • Da es gemäß Fig. 3 für die erfaßte Änderung in der Lichtleistung ein Maximum gibt, das bei einem Halbwertsöffnungswinkel zwischen 12° und 18° insbesondere bei 15° liegt, gibt es bei gegebener Breite der Photodiode 5 auch einen optimalen Abstand d, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Durch die entsprechende Anordnung der Photodiode 5 in der in Fig. 5 dargestellten optimalen Position wird die maximale Empfindlichkeit hinsichtlich der Druckkrafteinwirkung auf die optische Faser 1 erhalten.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit HCS-Fasern gemäß Fig. 3 liegt der halbe Öffnungswinkel γo bei etwa 15°, woraus sich bei einem Durchmesser D der Photodiode 5 von D=1mm ein optimaler Abstand zum Faserende nach Gleichung (6) von d=2mm ergibt.
  • Allgemein läßt sich sagen, daß die Apertur der Empfangseinrichtung von der Numerischen Apertur AN des Lichtwellenleitersystems abhängig ist. Der optimale Wert ergibt sich dann, wenn gemäß Fig. 4 gilt: γo ∼ arc sin A N
    Figure imgb0009
        Daraus ergibt sich für den optimalen Abstand der Photodiode 5 vom Ende der optischen Faser 1:
    Figure imgb0010
       Eine ausreichende Empfindlichkeit der Anordnung wird dann erhalten, wenn γo etwa im Bereich von 0,8 bis 1,2 arc sin AN, d.h. entsprechend im Abstandsbereich
    Figure imgb0011
    liegt.
  • Dann ist z.B. bei AN = 0,25 mm und D = 1 mm γo ∼ 12° bis 18° und d ∼ 1,7 bis 2,5 mm.
  • Die Verwendung einer Laserdiode als Lichtquelle mit der entsprechend schmalen Strahlungscharakteristik ist insbesondere bevorzugt, da dabei nur Moden relativ niedriger Ordnungszahl angeregt werden, wodurch die Strahlungsleistung im Fernfeld auf einen schmalen Winkelbereich konzentriert wird. Dadurch vergrößert sich der Unterschied in der Verteilung des Fernfeldes bei Be- und Entlastung und wird die Empfindlichkeit der Vorrichtung weiter erhöht.
  • Die periodische Krümmung der optischen Faser 1 bei einer Belastung, d.h. einer an der Kontaktmatte 2 liegenden Kraft kann auch dadurch erzielt werden, daß die optische Faser 1 in der Kontaktmatte 2 so verlegt ist, daß sie sich an periodisch beabstandeten Stellen kreuzt, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. In diesem Fall wird die an der Kontaktmatte 2 liegende Belastung an den Kreuzungspunkten von einem sich kreuzenden Faserteil auf das andere Faserteil übertragen, wodurch dieses in der gewünschten Weise gekrümmt wird. Die Kontaktmatte 2 selbst kann in diesem Fall unprofiliert sein.
  • Die oben beschriebenen Druckkrafterfassungsvorrichtungen können nicht nur dazu benutzt werden, das Betreten der Kontaktmatte durch eine Person zu signalisieren, es ist gleichfalls möglich, durch einen entsprechenden Abgleich der Auswerteeinrichtung in einem belasteten Zustand das Abnehmen einer Druckkraftbelastung, beispielsweise das Entfernen eines Gegenstandes von der Kontaktmatte, zu erfassen und ein entsprechendes Ausgangssignal zu liefern. Die Druckkrafterfassungsvorrichtung kann auch in Museen und Galerien an den Wänden angeordnet werden, an denen Gemälde aufgehängt sind, so daß die Abnahme eines Gemäldes und damit die Abnahme des sonst anliegenden Druckes ein entsprechendes Ausgangssignal, beispielsweise ein Alarmsignal, auslöst. Die Empfindlichkeit ist derart, daß bereits Druckkraftänderungen von etwa 1 g pro 1 m Faserlänge erfaßbar sind. Somit eignet sich eine derartige Vorrichtung als Diebstahlsschutz, Objektschutz und ähnliches. Sie kann aber auch zur Bestimmung des Gewichtes eines Gegenstandes verwandt werden, der auf der Kontaktmatte angeordnet wird.

Claims (13)

  1. Optische Druckkrafterfassungsvorrichtung mit
    - einem Multimoden-Lichtwellenleiter, der an einer periodische Druckpunkte bildenden Lage angeordnet ist, an der die Druckkraft liegt, und der durch die an der Lage liegenden Druckkraft periodisch gekrümmt wird,
    - einer Lichtquelle und einem Lichtdetektor, zwischen denen der Lichtwellenleiter angeordnet ist, und
    - einer Auswerteeinrichtung, die die in Abhängigkeit von der Druckkraft variierenden Ausgangssignale des Lichtdetektors auswertet, dadurch gekennzeichnet, daß
    - der Lichtdetektor (5) einen Öffnungswinkel am Ausgang des Lichtwellenleiters (1) abdeckt, der den Teil des Strahlungsfeldes der Moden mit niedriger Ordnungszahl einschließt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Strahlungsfeldes, den der Lichtdetektor (5) abdeckt, 40 % bis 80 % der Moden des Gesamtstrahlungsfeldes umfaßt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Strahlungsfeldes, den der Lichtdetektor (5) abdeckt, 60 % der Moden des Gesamtstrahlungsfeldes umfaßt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Strahlungsfeldes, den der Lichtdetektor (5) abdeckt, bei etwa 20 % des Gesamtstrahlungsfeldes beginnt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der halbe Öffnungswinkel (γo) des Lichtdetektors (5) zwischen etwa 0,8 und 1,2 arc sin AN liegt, wobei AN die Numerische Apertur des Lichtwellenleiters ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der halbe Öffnungswinkel (γo) des Lichtdetektors (5) zwischen etwa 12° und etwa 18° liegt.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß der halbe Öffnungswinkel (γo) bei 15° liegt.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktmatte (2) innen an wenigstens einer Seite des Lichtwellenleiters (1) in Druckkraftrichtung in Längsrichtung des Lichtwellenleiters (1) eine periodische Struktur (3,4) aufweist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (1) eine Lichtfaser mit Stufenprofil seines Brechungsindex ist und die Periodenlänge der periodischen Struktur so gewählt ist, daß eine Modenkopplung im Bereich der Moden mit niedriger Ordnungszahl auftritt.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodenlänge so gewählt ist, daß eine Modenkopplung im Bereich der Moden m=M/2
    Figure imgb0012
     auftritt, wobei M die Gesamtanzahl der Moden bezeichnet.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Laserdiode mit schmaler Strahlungscharakteristik ist.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische, Druckpunkte bildende Lage gitterförmig ausgebildet ist und der Lichtwellenleiter auf die gitterförmige Lage aufgenäht ist.
  13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Seite der Lage, an der die Druckkraft liegt, mit einer Vielzahl von kleinen Platten zur Druckübertragung belegt ist.
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