KR20010108257A - Bragg grating device for measuring a mechanical force, utilization of said device and method for operating the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기계적 힘(K, K')을 측정하기 위한 브래그 그레이팅 장치에 관한 것으로, 이는 광학적 화이바(1) 및 상기 광학적 화이바(1)내에 형성된 광학적 브래그 그레이팅(11)을 포함하며, 측정되어진 힘을 화이바(1)를 신장 및/또는 수축시키는 힘(K1, K1')으로 변환하는 힘 전달 장치(2)를 추가로 포함한다. 상기 장치는 높은 측정 감도를 제공하며, 전기적 인장, 온도, 가속도, 진동 등과 같은 상이한 물리적 변수를 측정하기 위한 센서를 제공한다.The present invention relates to a Bragg grating device for measuring mechanical forces (K, K '), which includes an optical fiber (1) and an optical Bragg grating (11) formed in the optical fiber (1), the measured force And a force transmission device 2 for converting the fiber bar 1 into forces K1 and K1 'for stretching and / or contracting the fiber 1. The device provides high measurement sensitivity and provides sensors for measuring different physical parameters such as electrical tension, temperature, acceleration, vibration, and the like.
Description
기계적 힘을 측정하기 위한 브래그 그레이팅 장치는 독일 공개공보 196 48 403호에 개시되었다. 상기 장치는, 광학적 방사를 전파 방향(propagation direction)으로 유도하기 위한 하나 이상의 광학적 화이바와, 상기 화이바에 집적되며 그리고 전파 방향으로 상기 화이바의 신장과 수축의 함수로서 변화하는 그레이팅-특정 브래그 파장(grating-specific Bragg wavelength)을 갖는 광학적 브래그 그레이팅과, 그리고 두곳의 고정점에서 상기 화이바에 고정되는 신장 몸체로서 전파 방향으로 서로간에 거리를 두고 정렬되고 각각은 그레이팅을 포함하며 전파 방향으로 신장이 가능한 신장 몸체를 포함한다.Bragg grating apparatus for measuring mechanical forces is disclosed in German Publication 196 48 403. The apparatus comprises one or more optical fibers for directing optical radiation in a propagation direction and grating-specific Bragg wavelengths integrated into the fibers and varying as a function of the stretching and contraction of the fibers in the direction of propagation. optical Bragg grating having a specific Bragg wavelength, and an elongated body fixed to the fiber at two anchor points, arranged at a distance from each other in the direction of propagation, each including a grating and extensible in the direction of propagation It includes.
이러한 장치는 전파 방향으로 방위지며 화이바의 길이 방향과 일치하는 압축력 및/또는 인장력을 기록하는데 사용되며, 신장 몸체는 측정될 압축 또는 인장에 대한 "증폭기(amplifier)"로서 작용하지는 않는다.These devices are oriented in the direction of propagation and are used to record the compressive and / or tensile forces that match the longitudinal direction of the fiber, and the elongated body does not act as an "amplifier" for the compression or tension to be measured.
브래그 그레이팅을 포함하는 화이바는, 예를 들어, 탄성 스프링에 의해 전파 방향으로 인장으로 프리스트레스(prestressed)되어질 것이다.Fibers comprising Bragg gratings may be prestressed in tension in the direction of propagation, for example by elastic springs.
상기 장치의 일실시예는 온도-보상 변형(temperature-compensating variant)이고, 이는 집적된 참조 브래그 그레이팅을 구비한 부가적인 재하되지 않은 참조 화이바(additional unloaded reference fiber)를 가지며, 이에 의해 브래그 파장에서의 쉬프트를 일으키는 온도영향이 적절한 평가에 의해 기록되며 제거될 수 있다.One embodiment of the device is a temperature-compensating variant, which has an additional unloaded reference fiber with integrated reference brag grating, thereby at a Bragg wavelength The temperature effect causing the shift can be recorded and eliminated by appropriate assessment.
미국 특허 제 5,682,445는 브래그 그레이팅 장치를 나타내며, 이는 광학적 방사를 전파 방향으로 유도하기 위한 하나 이상의 광학적 화이바와, 상기 화이바내에 집적되며 전파 방향으로의 상기 화이바의 신장과 수축의 함수로서 변화하는 그레이팅-특정 브래그 파장을 갖는 광학적 브래그 그레이팅과, 그리고 회전 축선을 가지지 않으며 두곳의 고정점에서 상기 화이바에 고정되는 레버 트랜스미션(lever transmission)으로서 전파 방향으로 서로간에 거리를 두고 정렬되고 각각은 그레이팅을 포함하는 레버 트랜스미션을 포함한다.U. S. Patent No. 5,682, 445 shows a Bragg grating device, which includes one or more optical fibers for directing optical radiation in the direction of propagation, and grating-specific, integrated within the fiber and changing as a function of the stretching and contraction of the fibers in the direction of propagation. Optical Bragg grating with Bragg wavelength and a lever transmission without rotation axis and fixed to the fiber at two fixed points, arranged at a distance from each other in the direction of propagation, each of which includes a grating It includes.
상기 축선없는 레버 트랜스미션(axis-free lever transmission)은 전파 방향으로 응력을 화이바와 고정점 사이의 그레이팅에 전달하는 것을 목적으로 사용된다.The axis-free lever transmission is used for the purpose of transferring the stress in the direction of propagation to the grating between the fiber and the anchor point.
이러한 목적을 위하여, 축선없는 레버는 전파 방향으로 연장되며 각각 일단부를 갖는 두개 이상의 파트(parts)를 가지며, 상기 일단부들은 서로간에 견고하게 연결된다. 이러한 두개의 파트 각각은 파트의 상기 일단부 반대측에 있는 타단부를 가진다. 한개의 파트의 타단부는 두 곳의 고정점중 한 곳에서 화이바에 견고하게연결되며, 다른 파트의 타단부는 다른 고정점에서 화이바에 견고하게 연결된다.For this purpose, the axisless lever has two or more parts extending in the direction of propagation and each having one end, which ends are firmly connected to each other. Each of these two parts has the other end opposite the one end of the part. The other end of one part is firmly connected to the fiber at one of the two anchor points, and the other end of the other part is firmly connected to the fiber at the other anchor points.
화이바상에 전파 방향으로 작용하는 응력은 길이 변화에 의해 생성될 수 있고, 두개의 파트의 전파 방향으로 단부들사이에서 서로에 대해 상대적으로 측정될 수 있다.The stress acting in the propagation direction on the fiber can be generated by the change in length and can be measured relative to each other between the ends in the propagation direction of the two parts.
본 발명은 기계적 힘을 측정하기 위한 브래그 그레이팅 장치(bragg grating device)에 관한 것으로, 상기 장치의 용도 및 작동 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a bragg grating device for measuring mechanical force, and to the use and method of operation of the device.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 예시적인 실시예에서 편향이 증폭되어 나타낸 것,1 shows amplified deflections in an exemplary embodiment of the device according to the invention,
도 2는 도 1의 실시예의 구현을 나타낸 것,2 illustrates an implementation of the embodiment of FIG. 1,
도 3은 본 발명에 따른 장치의 예시적인 실시예에서 힘이 증폭되어 나타낸 것,3 shows amplified forces in an exemplary embodiment of the device according to the invention,
도 4는 도 3의 실시예의 구현을 나타낸 것.4 illustrates an implementation of the embodiment of FIG. 3.
본 발명은 기계적 힘을 측정하기 위한 브래그 그레이팅 장치의 제공의 목적을 근간으로 하고, 이러한 유형의 공지된 브래그 그레이팅 장치와 비교하여 폭넓은 응용을 할 수 있게 한다.The present invention is based on the object of providing a Bragg grating device for measuring mechanical force, and makes it possible to have a wide range of applications in comparison with known Bragg grating devices of this type.
이러한 목적은 청구항 1의 특징에 의하여 달성된다.This object is achieved by the features of claim 1.
이러한 해결책에 따르면, 본 발명에 따른 기계적 힘을 측정하기 위한 브래그 그레이팅 장치는, 광학적 방사를 전파 방향으로 안내하기 위하여 탄성 재질로 만들어진 하나 이상의 광학적 컨덕터(optical conductor)와, 상기 컨덕터내에 형성되며 방사의 전파 방향으로의 컨덕터의 신장 및/또는 수축의 함수로서 변화하는 브래그 파장을 갖는 하나 이상의 광학적 브래그 그레이팅과, 그리고 측정되어진 힘을 전파 방향으로 상기 컨덕터를 신장 및/또는 수축하게 하는 힘으로 변환하는 힘 전달 장치를 포함한다.According to this solution, the Bragg grating device for measuring the mechanical force according to the present invention comprises at least one optical conductor made of an elastic material for guiding optical radiation in the direction of propagation, One or more optical Bragg gratings with varying Bragg wavelengths as a function of the elongation and / or contraction of the conductor in the direction of propagation, and a force that converts the measured force into a force that causes the conductor to elongate and / or contract in the direction of propagation And a delivery device.
특히, 측정된 힘과 변환된 힘 사이의 하나와 다른 전달비를 갖는 힘 전달 장치에 의하여 폭넓은 응용이 얻어질 수 있다.In particular, a wide range of applications can be obtained by a force transmission device having one and another transmission ratio between the measured force and the converted force.
원리적으로, 임의의 유형의 메카니즘, 예를 들어 기어 메카니즘이 힘 전달 장치로서 적절하다. 본 발명에 따른 장치의 바람직하며 특징적인 개선은 실질적으로 상기 컨덕터에 대하여 실질적으로 고정된 회전 축선 주위로 회전될 수 있으며, 컨덕터에 고정되며 그 위헤 측정되어질 힘이 작용하는 하나 이상의 레버를 갖는 힘 전달 장치와 같은 방식으로 구성된다. 이러한 개선된 장치는 특히 간단하게 건설 기간내에 구현될 수 있다.In principle, any type of mechanism, for example a gear mechanism, is suitable as the force transmission device. A preferred and characteristic improvement of the device according to the invention is a force transmission having one or more levers which can be rotated about a rotation axis substantially fixed relative to the conductor and which act on the conductor and which is to be measured thereon. It is configured in the same way as the device. Such an improved device can be implemented particularly simply during construction.
이러한 경우에 있어서, 힘 전달 장치의 전달비는 레버상의 측정되어질 힘의 작용점과 레버의 회전 축선 사이의 주어진 거리를 선택하고, 상기 회전 축선과 컨덕터상의 레버의 고정점 사이의 주어진 거리를 선택함으로써 설정될 수 있고, 그리고 첫번째 언급한 거리에 대한 두번째 언급한 거리의 비율에 의해 주어진다.In this case, the transmission ratio of the force transmission device is set by selecting a given distance between the operating point of the force to be measured on the lever and the rotational axis of the lever, and selecting the given distance between the rotational axis and the fixed point of the lever on the conductor. And may be given by the ratio of the second mentioned distance to the first mentioned distance.
특히, 힘 전달 장치가 고정된 회전 축선과 컨덕터상의 레버의 부착점 사이의 거리가 회전 축선과 레버상의 측정되어지는 힘의 작용점 사이의 거리보다 더 큰 레버를 갖는 경우에는 측정되어지는 힘에 의해 초래되는 편향의 증가가 제공되며, 힘 전달 장치가 회전 축선과 컨덕터 상의 레버의 부착점 사이의 거리가 회전 축선과 레버상의 측정되어지는 힘의 작용점 사이의 거리보다 더 작은 레버를 가질 때 힘의 증가가 제공된다.In particular, if the force transmission device has a lever in which the distance between the fixed axis of rotation and the point of attachment of the lever on the conductor is greater than the distance between the axis of rotation and the point of action of the force to be measured on the lever, the force is measured An increase in deflection is provided, and the increase in force is achieved when the force transmission device has a lever whose distance between the rotation axis and the point of attachment of the lever on the conductor is smaller than the distance between the rotation axis and the point of action of the force being measured on the lever. Is provided.
상기 개선된 장치는 회전 축선이 컨덕터와 레버상의 측정되어지는 힘의 작용점 사이에 위치되는 레버 및/또는 레버상의 측정되어지는 힘의 작용점이 컨덕터와 회전 축선 사이에 위치되는 레버를 가질 수 있으며, 및/또는 컨덕터가 회전 축선과 레버상의 측정되어지는 힘의 작용점 사이에 위치되는 레버를 가질 수 있다.The improved device may have a lever whose axis of rotation is located between the conductor and the point of action of the force being measured on the lever and / or a lever at which the point of action of the force being measured on the lever is located between the conductor and the axis of rotation, and And / or the conductor may have a lever positioned between the axis of rotation and the point of action of the force being measured on the lever.
상기 개선된 장치의 바람직한 실시예에서, 컨덕터는 레버의 회전 축선에 대하여 실질적으로 고정된 점에서 고정되며, 그리고 방사의 전달 방향으로, 그레이팅을 포함하는 컨덕터상의 레버의 부착점으로부터 일정거리에서 정렬된다.In a preferred embodiment of the improved device, the conductor is fixed at a point substantially fixed relative to the axis of rotation of the lever and aligned at a distance from the point of attachment of the lever on the conductor including the grating, in the direction of radiation transmission. .
이러한 실시예는, 바람직하게, 레버가 회전 축선에 대하여 회전 할 수 있도록 레버가 부착되는 캐리어 바디(carrier body)를 가지고, 그리고 컨덕터는 고정점에서 고정된다. 캐리어 바디는 바람직하기로 일체형(one piece)으로 형성될 수 있으며, 특히 단일한 재료로 구성될 수 있다. 그 결과, 상기 실시예는 바람직하게도 건설 기간내에 효율적인 단가로 간단하게 생산될 수 있으며 다수의 부품으로 만들어지는 복잡하고 값비싼 캐리어 구조를 피하여 생산될 수 있다.This embodiment preferably has a carrier body to which the lever is attached so that the lever can rotate about an axis of rotation, and the conductor is fixed at a fixed point. The carrier body may preferably be formed in one piece, in particular composed of a single material. As a result, the embodiment can preferably be produced simply at an efficient unit cost within the construction period and can be produced avoiding a complicated and expensive carrier structure made of a large number of parts.
컨덕터는 전파 방향으로 프리스트레스되는 것이 적절하다. 이는 프리스트레스에 의하여 결정되는 범위내에서 브래그 그레이팅의 신장과 수축 양자 모두를 허용한다.The conductor is preferably prestressed in the direction of propagation. This allows for both stretching and contraction of Bragg grating within the range determined by prestress.
사용된 광학적 컨덕터는 원칙적으로 전파 방향으로 광학적 방사를 안내하는 투명한 탄성적 재질로 만들어지는 임의의 바디일 수 있다. 상기 컨덕터는, 광학적 화이바를 갖는 것이 바람직하고, 그 내부에는 브래그 그레이팅이 형성된다.The optical conductor used can in principle be any body made of a transparent elastic material which guides optical radiation in the direction of propagation. The conductor preferably has an optical fiber, and Bragg grating is formed therein.
본 발명에 따른 장치의 바람직한 개량은 측정되어지고 힘 전달 장치에 의해 변환되는 기계적 힘을 발생하기 위한 힘 발생 장치를 가지며, 특히 측정되어지는 힘이 일정 위치에서 발생되는 방식으로, 예를 들어 요구되는 바에 따라 제어되면서 발생되는 방식으로 설계될 수 있다.A preferred refinement of the device according to the invention has a force generating device for generating a mechanical force that is measured and converted by a force transmission device, in particular in such a way that the force to be measured is generated at a certain position, for example It can be designed in such a way as to be controlled according to the bar.
이러한 개량의 바람직하며 특징적인 개선된 장치에서, 힘 발생 장치는 측정되어지는 기계적 힘과는 다른 물리적 변수를 이러한 기계적 힘으로 변환하기 위한 컨버터 장치를 가지며, 바람직하게 물리적 변수는 기계적 힘과는 다를 수 있는데,컨버터 장치에 따라서, 예를 들어 온도, 전기장 세기 및/또는 자기장 세기, 가속도, 진동 등이 될 수 있다.In a preferred and characteristic improved device of this refinement, the force generating device has a converter device for converting a physical variable into a mechanical force which is different from the mechanical force to be measured, preferably the physical variable may be different from the mechanical force. Depending on the converter device, it may be, for example, temperature, electric field strength and / or magnetic field strength, acceleration, vibration, and the like.
만일 물리적 변수가, 예를 들어, 전기장 세기 또는 전압이라면, 컨버터 장치는 압전성 재료(piezoelectric material)로 만들어지는 바디를 가질 수 있으며, 이는 상기 전기장의 세기 또는 전압의 함수로서 신장 및/또는 수축하며, 이러한 거동은 측정되어지는 힘을 발생하도록 이용되어진다.If the physical variable is, for example, electric field strength or voltage, the converter device may have a body made of piezoelectric material, which stretches and / or contracts as a function of the electric field strength or voltage, This behavior is used to generate the force to be measured.
만일 물리적 변수가, 예를 들어, 가속도 및/또는 감속도라면, 특히 진동인 경우에는, 컨버터 장치는 이동가능한 매스(moveable mass)를 가질 수 있고, 가속도 및/또는 감속도는 그곳에 작용하며, 매스의 관성적 거동은 측정되어지는 힘을 발생하도록 이용되어진다.If the physical variable is, for example, acceleration and / or deceleration, in particular if it is a vibration, the converter device may have a moveable mass, the acceleration and / or deceleration acting there, and the mass The inertial behavior of is used to generate the force to be measured.
본 발명에 따른 장치의 개량은 특히 기계적 힘과는 다른 물리적 변수에 의존하는 기계적 힘을 측정하는 장점 뿐만 아니라 그 자체가, 예를 들어 온도, 전기적 전압, 가속도 또는 진동 센서와 같은 물리적 변수를 측정하기 위한 센서 장치로서 사용될 수 있는 추가적인 장점을 갖는다.The refinement of the device according to the invention not only has the advantage of measuring the mechanical force, which depends in particular on the physical variables other than the mechanical force, but also itself to measure the physical parameters such as, for example, temperature, electrical voltage, acceleration or vibration sensors. Has the additional advantage of being able to be used as a sensor device.
본 발명에 따른 장치는 일반적으로, 컨덕터 내에서, 광학적 방사가 컨덕터 내에 형성된 브래그 그레이팅으로 안내되어지는 방식으로 작동되고, 공급된 광학적 방사때문에 브래그 그레이팅에 의해 발생된 브래그 파장은 측정되어지는 힘의 크기로서 측정된다.The apparatus according to the invention is generally operated in a manner in which optical radiation is guided to Bragg grating formed in the conductor, and the Bragg wavelength generated by Bragg grating due to the supplied optical radiation is the magnitude of the force to be measured. It is measured as
온도-유도 효과(temperature-induced effects)를 보상하기 위하여, 신장 및 수축력이 없는 광학적 기준 컨덕터(optical regference conductor)가 있을 수 있으며 그 안에는 기준 브래그 그레이팅(reference bragg grating)이 형성되며, 이로써 브래그 파장의 변화를 일으키는 온도 영향이 기록될 수 있으며 적절한 평가에 의하여 제거될 수 있다. 기준 컨덕터 및 힘의 측정을 위해 사용되는 컨덕터는 바람직하게는 동일한 유형이다. 이러한 동일성은 기준 브래그 그레이팅과 힘의 측정에 사용되는 브래그 그레이팅에도 부합된다.To compensate for temperature-induced effects, there may be an optical regference conductor without stretching and contracting forces, in which a reference bragg grating is formed, thereby forming a Bragg wavelength. The temperature effect causing the change can be recorded and eliminated by appropriate evaluation. The reference conductor and the conductor used for the measurement of the force are preferably of the same type. The same is true for the base Bragg grating and the Bragg grating used to measure the force.
본 발명은 도면을 이용한 이후의 설명하는 실시예를 통해 더욱 상세하게 설명될 것이다.The present invention will be explained in more detail through the following illustrative embodiments with reference to the drawings.
도면은 개략적으로 표현된 것으로 실제 스케일이 아니다.The drawings are schematically depicted and are not to scale.
도면에 도시된 실시예에서, 도면 부호 1로 나타난 광학적 컨덕터는, 예를 들어 광학적 화이바와, 예를 들어 글래스 화이바 광학 웨이브 가이드로 구성된다. 화이바(1)는 결합된 광학적 방사(P)를 도면의 평면에 평행한 화이바의 길이 방향(10)과 일치하는 전파 방향으로 유도한다.In the embodiment shown in the figures, the optical conductor, indicated by reference numeral 1, consists of an optical fiber, for example a glass fiber optical waveguide, for example. The fiber 1 directs the combined optical radiation P in the direction of propagation coinciding with the longitudinal direction 10 of the fiber parallel to the plane of the drawing.
화이바(1)내에는 길이 방향(10)으로 화이바(1)의 그 길이 방향(10)으로의 신장 및/또는 수축의 함수로서 변화하는 그레이팅-특정 브래그 파장(λ1)을 갖는 광학적 브래그 그레이팅(11)이 형성된다.Within the fiber bar 1 optical Bragg grating 11 having a grating-specific Bragg wavelength λ 1 which varies as a function of the stretching and / or contraction of the fiber 1 in its longitudinal direction 10 in the longitudinal direction 10. ) Is formed.
도면부호 2로 나타난 힘 전달 장치는 측정되어지는 힘을 화이바(1)의 길이방향(10)으로 작용하는 힘으로 변환하며, 화이바(1)를 길이방향(10)으로 신장 및/또는 수축시킨다.The force transmission device indicated by reference numeral 2 converts the force to be measured into a force acting in the longitudinal direction 10 of the fiber bar 1, and stretches and / or contracts the fiber bar 1 in the longitudinal direction 10.
힘 전달 장치(2)는 레버(20)를 가지며, 이는 첫째로, 화이바(1)에 대하여 실질적으로 고정된 회전 축선(21) 주위로 회전될 수 있으며, 둘째로, 화이바(1)에 고정되며 측정되어지는 힘이 그 위에 작용한다.The force transmission device 2 has a lever 20, which, firstly, can be rotated around an axis of rotation 21 substantially fixed relative to the fiberbar 1, and secondly, secured to the fiberbar 1 and The force to be measured acts on it.
도면에서, 회전 축선(21)은 도면의 평면에 수직된 방향으로 정렬되므로, 레버(20)는 도면의 평면과 평행한 방향으로 회전한다.In the figure, since the axis of rotation 21 is aligned in a direction perpendicular to the plane of the figure, the lever 20 rotates in a direction parallel to the plane of the figure.
레버(20)는 고정점(22)에서 화이바(1)에 고정된다. 화이바(1) 그 자체는 레버(20)의 회전 축선(21)에 대하여 고정된 한 점(32)에서 고정되고, 상기 점(32)은 화이바(1)상에서의 레버(20)의 고정점(22)으로부터 길이방향(10)으로 측정하여 일정 거리(a)에 위치된다. 그레이팅(11)은 상기 일정 거리(a)내에 포함된다.The lever 20 is fixed to the fiber 1 at the fixation point 22. The fiber 1 itself is fixed at a point 32 fixed relative to the axis of rotation 21 of the lever 20, which point 32 is a fixed point of the lever 20 on the fiber 1. 22 is located at a distance a, measured in the longitudinal direction 10. The grating 11 is included in said constant distance a.
만일 측정되어지는 힘(K)이 회전 축선(21)과 일치되지 않는 작용점(23)에서 레버(20)를 누르며, 또한 회전 축선(21)에 대하여 반시계 방향(C)으로 레버(20)를 회전시키는 결과를 가지게 되면, 고정된 정점(32)로부터 부착점(22)으로 향하게 되는 힘(K1)이 부착점(22)에서 발생되어 화이바(1)와 그레이팅(11)을 길이 방향(10)으로 탄성적으로 신장시킨다.If the force K to be measured presses the lever 20 at the operating point 23 which does not coincide with the rotational axis 21, and also pushes the lever 20 in the counterclockwise direction C with respect to the rotational axis 21. As a result of the rotation, a force K1 that is directed from the fixed vertex 32 to the attachment point 22 is generated at the attachment point 22 to extend the fiber 1 and grating 11 in the longitudinal direction 10. Elastically stretches.
상기 힘(K)이 감소될 때, 화이바(1)와 그레이팅(11)의 신장은 줄게되고, 마침내 충분히 작은 힘(K)을 가질 때까지, 화이바(1)와 그레이팅(11)이 원래의 신장되지 않은 상태로 다시 도달된다.When the force K is reduced, the extension of the fiber bar 1 and the grating 11 is reduced, until the fiber bar 1 and the grating 11 are originally stretched until they finally have a sufficiently small force K. Is reached again.
레버(20)를 회전 축선(21) 주위로 시계 방향(C)으로 회전시키는 결과를 가지는 힘(K')의 측정도 가능할 수 있도록 하기 위하여, 화이바(1)는 고정점(32)로부터 부착점(22)을 향하는 특정 프리스트레스 힘(specific prestressing force;B)에 의해 길이 방향(10)으로 프리스트레스되며, 이러한 힘(K')에 의해 부착점(22)에서 발생되는 힘(K1')을 상쇄한다. 이러한 힘(K')은 K1≤B인 동안에는 측정될 수 있다.In order to be able to measure the force K 'which results in rotating the lever 20 clockwise C around the axis of rotation 21, the fiber bar 1 is attached from the fixed point 32 to the attachment point. It is prestressed in the longitudinal direction 10 by a specific prestressing force B towards (22), which cancels the force K1 'generated at the attachment point 22 by this force K'. . This force K 'can be measured while K1≤B.
모든 도면에서, 간략화와 일반성의 제한을 두지 않기 위하여, 측정되어지는 힘의 작용점(23)은 화이바(1)상의 레버(20)의 부착점(22)과 회전 축선(21)을 서로 연결하는 레버 축선(200)상에 정렬되는 것으로 간주되며, 각각의 도면의 평면에 평행하게 놓여지며 회전 축선(21)과 직각으로 교차한다.In all figures, in order not to limit the simplicity and generality, the operating point 23 of the force to be measured is a lever connecting the attachment point 22 of the lever 20 on the fiber 1 and the rotational axis 21 to each other. It is considered to be aligned on axis 200 and lies parallel to the plane of each figure and intersects at right angles with axis of rotation 21.
도 1의 실시예에서, 회전 축선(21)과 부착점(22) 사이의 거리(d1)가 고정된 회전 축선(21)과 레버(20)에서 측정되는 힘(K 또는 K')의 작용점(23) 사이의 거리(d2)보다 크다.In the embodiment of FIG. 1, the operating point of the force K or K 'measured at the lever 20 and the rotation axis 21 at which the distance d1 between the rotation axis 21 and the attachment point 22 is fixed. 23) is greater than the distance d2 between.
이러한 실시예는 화이바(1)에 의해 그레이팅(11)으로 전달되는 신장 및/또는 수축이 그레이팅-특정 브래그 파장(λ1)의 결과로서 영향받는 변화를 측정할 수 없을 정도로 너무 작은 경우에 적합하다.This embodiment is suitable when the stretching and / or contraction transmitted by the fiber 1 to the grating 11 is too small to measure the change affected as a result of the grating-specific Bragg wavelength λ 1.
레버(20)에 의하여, 신장 및/또는 수축은, k=d1/d2 〉1이라는 계수에 의하여 레버(20)가 없는 신장 및/또는 수축보다 부착점(22)에서 크게 얻어진다.By lever 20, elongation and / or deflation is obtained at attachment point 22 larger than elongation and / or deflation without lever 20 by a factor of k = d1 / d2 >
도 2는 도 1의 실시예의 특정한 구현을 보인 것이다. 이러한 구현에서는 캐리어 바디(3)가 구비되어, 회전 축선(21)에 대하여 회전할 수 있는 레버(20)가 부착되며, 화이바(1)는 고정점(32)에서 고정된다.FIG. 2 illustrates a particular implementation of the embodiment of FIG. 1. In this implementation a carrier body 3 is provided, with a lever 20 which is rotatable about the axis of rotation 21 attached, and the fiber bar 1 is fixed at a fixed point 32.
화이바(1)는 캐리어 바디(3)상의 다른 고정점(34)에서도 고정되므로 레버(20)의 부착점(22)과 그레이팅(11)은 하나의 고정점(32)과 또 다른 고정점(34) 사이에 정렬된다.The fiber 1 is also fixed at the other fixing point 34 on the carrier body 3, so that the attachment point 22 and the grating 11 of the lever 20 have one fixing point 32 and another fixing point 34. ).
화이바(1)는 두곳의 고정점(32,34) 사이에서 프리스트레스(B)로 프리스트레스된다.The fiber 1 is prestressed with a prestress B between two anchor points 32, 34.
캐리어 바디(34)는 일체형으로 형성되며 예를 들어, 수정 글래스 또는 기타의 글래스로 구성된다. 바람직하게는 특징적으로, 이는 캐비티(30)을 갖는다.The carrier body 34 is formed integrally and consists of, for example, quartz glass or other glass. Desirably, it has a cavity 30.
캐비티(30)는, 예를 들어, 캐리어 바디(3)의 표면부내에 형성된 리세스(recess)이다. 도 2에서, 이러한 표면부는 평면으로 보이게 나타나며 도면부호 31로 도시된다. 캐비티(30)는 표면부(31)내에서 개구부(310)를 형성하고, 표면부(31)의 내측 림(301)에 의해 경계지고, 표면부(31)로부터 도 2의 도면 평면에 대하여 하방 수직으로 연장한다.The cavity 30 is, for example, a recess formed in the surface portion of the carrier body 3. In FIG. 2, this surface portion appears to be planar and is indicated at 31. The cavity 30 forms an opening 310 in the surface portion 31, bounded by an inner rim 301 of the surface portion 31, and downward from the surface portion 31 with respect to the drawing plane of FIG. 2. Extend vertically
캐비티(30)의 개구부(310)는, 개구부(310)의 양측상의 고정점(32,34)에서 예를 들어 평평한 표면부(31)에 고정되는 화이바(1)에 의해 덮여진다.The opening 310 of the cavity 30 is covered by a fiber 1 which is fixed to, for example, a flat surface 31 at fixed points 32, 34 on both sides of the opening 310.
레버(20)는 캐비티(30)내에 수용된다. 레버(20)는 도 2의 도면 평면과 실질적으로 평행하게 연장하며, 화이바(1) 아래에 이르며 부착점(22)에서 화이바(1)에 고정된다.The lever 20 is received in the cavity 30. The lever 20 extends substantially parallel to the drawing plane of FIG. 2 and extends below the fiber bar 1 and is secured to the fiber bar 1 at the attachment point 22.
레버 축선(200)은, 바람직하게는 도 2에 도시돤 바와 같이, 화이바(1)의 길이방향 축선(10)과 실질적으로 수직으로 연장하지만, 길이방향 축선에 대해 일정 각도로 정열될 수도 있다.The lever axis 200 preferably extends substantially perpendicular to the longitudinal axis 10 of the fiber 1, as shown in FIG. 2, but may be aligned at an angle with respect to the longitudinal axis.
레버(20)의 회전 축선(21)은 회전식 조인트(320)의 회전 축선일 수 있고, 상기 회전식 조인트(30)는 레버(20)를 캐리어 바디(3)에, 레버(20)가 회전 축선(21) 주위에서 캐리어 바디(3)에 상대적으로 회전할 수 있도록 부착시킨다.The rotation axis 21 of the lever 20 may be the rotation axis of the rotary joint 320, the rotary joint 30 having the lever 20 to the carrier body 3, and the lever 20 to the rotation axis ( 21) so as to be able to rotate relative to the carrier body 3 around.
예를 들어, 레버(20)는 회전 조인트(320)에 의해 캐리어 바디(3)에 부착되며, 회전식 조인트(320)는 캐리어 바디(3)와 레버(20) 사이에서 정렬되어 두개를 서로 연결한다.For example, the lever 20 is attached to the carrier body 3 by the rotary joint 320, the rotary joint 320 is aligned between the carrier body 3 and the lever 20 to connect the two together. .
이러한 유형의 회전 조인트(320)는, 예를 들어, 레버(20)와 캐리어 바디(3) 사이의 변형가능한 연결부에 의하여 구현될 수 있다.A rotary joint 320 of this type can be implemented, for example, by a deformable connection between the lever 20 and the carrier body 3.
도 2의 실시예에서, 이러한 변형가능한 연결부(320)는 개구부(310)의 림(301) 및 이러한 림(301)을 마주보는 레버(30)의 단부(201) 사이에 정렬된다. 연결부(320)는 예를 들어 도 2의 도면 평면에 대하여 수직 방향으로 강성적이며, 레버 축선(200)에 대해 직각인 도면의 평면에 평행한 방향으로 플렉시블한 플렉시블 커넥팅 탭(321)에 의해 구현된다.In the embodiment of FIG. 2, this deformable connection 320 is aligned between the rim 301 of the opening 310 and the end 201 of the lever 30 facing this rim 301. The connection part 320 is embodied by a flexible connecting tab 321, for example rigid in a direction perpendicular to the drawing plane of FIG. 2 and flexible in a direction parallel to the plane of the drawing perpendicular to the lever axis 200. do.
이렇게 연결부(320)가 형성하는 회전축선(21)은 캐리어 바디(3) 및 화이바(1)에 관하여 정확히 고정되지 않지만, 어느 정도의 허용가능한 한도내에서 변위된다. 어느 정도의 허용가능한 한도내에 변위된다는 것은 회전 축선(21)이 실질적으로 고정된다는 것을 의미한다.The axis of rotation 21 thus formed by the connection part 320 is not exactly fixed with respect to the carrier body 3 and the fiber 1, but is displaced within some acceptable limits. Displaced within some acceptable limits means that the axis of rotation 21 is substantially fixed.
도 2에서는, 측정되어지는 힘(K 또는 K')의 작용점(23)이 회전 축선(21)이 작용점(23)과 부착점(22) 사이에서 정렬되는 도 1과는 달리, 측정되어지는 힘(K 또는 K')의 작용점(23)이 회전 축선(21)과 부착점(22) 사이에 위치된다.In FIG. 2, the force being measured is different from FIG. 1 in which the operating point 23 of the force K or K 'to be measured is aligned with the rotation axis 21 between the operating point 23 and the attachment point 22. An operating point 23 of K or K 'is positioned between the rotational axis 21 and the attachment point 22.
도 2의 구현에서, 측정되어지는 힘(K 또는 K')은 예를 들어, 캐리어 바디(3)와 레버(20)에 견고하게 연결되며 액츄에이터 축선(400)을 따라 도 2의 평면에 평행하게 신장 및/또는 수축되는 압전 액츄에이터(4) 및 압전 재질로 만들어지는 다른 요소에 의하여 인가되는 전기적 전압(U)에 따라 발생되며, 레버 축선(200)과 수직으로 또는 작용점(23)에서 일정각으로 교차한다. 그 결과, 신장 및/또는 수축되는 압전 액츄에이터(4)는 측정되어지는 힘(K 또는 K')을 작용점(23)으로 작용시켜 그곳에서 함수로 나타날 수 있다.In the implementation of FIG. 2, the force K or K ′ to be measured is firmly connected to the carrier body 3 and the lever 20, for example, and parallel to the plane of FIG. 2 along the actuator axis 400. Generated in accordance with the electrical voltage U applied by the piezoelectric actuator 4, which is stretched and / or retracted, and other elements made of piezoelectric material, perpendicular to the lever axis 200 or at an angle at the operating point 23 To cross. As a result, the piezoelectric actuator 4 which is stretched and / or retracted may act as a function point 23 by acting the force K or K 'to be measured as the operating point 23.
캐리어(3)와 레버(20)에 견고히 고정되는 압전 액츄에이터(4)는 측정되어지는 기계적 힘(K 또는 K')을 발생하는 힘 발생 장치를 형성하여 상기 힘 전달 장치에 의해 변환된다. 압전 액츄에이터(4)는 그 자체가 측정되어지는 기계적 힘(K 또는 K')와는 다른 물리적 변수를 변환하기 위한, 여기에서는 전기적 전압(U)을 힘(K 또는 K')로 변환하기 위한 컨버터 장치를 형성한다.The piezoelectric actuator 4 which is firmly fixed to the carrier 3 and the lever 20 forms a force generating device which generates the mechanical force K or K 'to be measured and is converted by the force transmission device. The piezoelectric actuator 4 is a converter device for converting a physical variable other than the mechanical force K or K 'from which it is measured, here converting an electrical voltage U into a force K or K'. To form.
압전 액츄에이터(4) 또는 압전 재료로 만들어진 요소에 의해 발생된 힘은 대단히 크며, 반면에 이러한 요소의 신장 및/또는 수축은 매우 작다. 도 1과 도 2의 실시예는 신장 및/또는 수축의 관계를 확대하여 설명하기에 매우 적절하고, 동시에 브래그 파장(λ1)과 그에 의해 측정된 민감도의 분석결과를 상당히 증가시키도록 이끈다. 측정된 민감도는 또한 전기적 전압 센서로서 본 실시예에 사용되도록 적용한다.The force generated by the piezoelectric actuator 4 or an element made of piezoelectric material is very large, while the elongation and / or contraction of such an element is very small. 1 and 2 are well suited to enlarge and explain the relationship between extension and / or contraction, and at the same time lead to a significant increase in the analysis of Bragg wavelength [lambda] 1 and the sensitivity measured thereby. The measured sensitivity also applies for use in this example as an electrical voltage sensor.
만일, 측정되어지는 힘을 발생하기 위한 압전 액츄에이터 대신에, 예를 들어 온도 또는 자기장 강도와 같은 함수로서 신장 및/또는 수축하는 재질로 만들어지는 요소를 사용하게 되면, 이는 온도 또는 자기장 센서가 도 1과 도 2의 실시예를 사용하므로써 각각의 경우에서 높은 민감도가 구현되는 것을 가능하게 한다.If, instead of a piezoelectric actuator for generating a force to be measured, an element made of a material which stretches and / or contracts as a function, for example, temperature or magnetic field strength, this means that the temperature or magnetic field sensor By using the embodiment of Fig. 2 it is possible to achieve high sensitivity in each case.
도 3의 실시예에서는 도 1과 도 2와는 다르게, 회전 축선(21)과 컨덕터(1)상의 레버(20)의 부착점(22) 사이의 거리(d1)가 회전 축선(21)과 레버(20)상에서 축정되어지는 힘(K 또는 K')의 작용점(23) 사이의 거리(d2) 보다 작다.In the embodiment of FIG. 3, unlike FIG. 1 and FIG. 2, the distance d 1 between the rotation axis 21 and the attachment point 22 of the lever 20 on the conductor 1 is equal to the rotation axis 21 and the lever ( 20 is smaller than the distance d2 between the operating points 23 of the force K or K 'to be accumulated on.
이러한 실시예는 화이바(1)에 의해 그레이팅(11)으로 전달되는 신장 및/또는 수축이 그레이팅-특정 브래그 파장(λ1)에 의해 영향받는 변화를 측정하기에 너무 작은 경우에 적합한데, 이는 신장 및/또는 수축을 초래하는 힘(K 또는 K')이 매우 작기 때문이다.This embodiment is suitable when the stretching and / or contraction transmitted by the fiber 1 to the grating 11 is too small to measure the change affected by the grating-specific Bragg wavelength λ 1, which is the stretching and This is because the force (K or K ') that causes contraction is very small.
이러한 실시예의 경우에서 레버(20)에서는, 부착점(22)에서의 힘(K1과 K1')은, 1/k=d2/d1 〉1이라는 계수에 의하여 측정되어지는 힘(K 또는 K')보다 레버상에서의 작용점(23)에서 크게 얻어진다.In the case of this embodiment, in the lever 20, the forces K1 and K1 'at the attachment point 22 are the forces K or K' measured by the coefficient 1 / k = d2 / d1> 1. It is obtained more at the operating point 23 on the lever.
도 4는 도 3의 실시예에 대한 특정한 구현을 나타낸다. 상이한 레버 관계와는 별도로, 이러한 구현은 도 2의 실시예의 구현에서의 측정되어지는 힘(K 또는 K')을 상이한 방식으로 발생하는 것이 다를 뿐이다. 그 이외에는, 도 2의 실시예의 구현과 동일한 방식으로 도 4의 구현이 구성되며, 서로 상응하는 부품은 동일한 참조 부호로 나타낸다.4 illustrates a particular implementation of the embodiment of FIG. 3. Apart from the different lever relationships, this implementation only differs in generating the force K or K 'to be measured in the implementation of the embodiment of FIG. Otherwise, the implementation of FIG. 4 is constructed in the same manner as the implementation of the embodiment of FIG. 2, with parts corresponding to each other being designated by the same reference numerals.
도 4의 구현에서, 도 1 및 도 2 그리고 도 3의 실시예와는 다른 실시예에 따라, 레버(20)의 부착점(22)은 레버(20)의 회전 축선(21)과 측정되어지는 힘(K 또는 K')의 작용점(23) 사이에 정렬된다.In the implementation of FIG. 4, according to an embodiment different from the embodiment of FIGS. 1 and 2 and 3, the attachment point 22 of the lever 20 is measured with the axis of rotation 21 of the lever 20. It is aligned between the operating points 23 of the forces K or K '.
이러한 경우에는, 예를 들어, 레버(20)가 가속도 운동을 하는 동안에 레버(20)에 내재되는 관성 질량(M)에 의해 측정되어지는 힘(K 또는 K')은 레버(20)상에 작용되는 관성력이다. 힘(K 또는 K')의 작용점(23)은 이경우에 있어서 질량(M)의 중력 중심과 일치한다.In this case, for example, the force K or K 'measured by the inertial mass M inherent in the lever 20 during the acceleration movement of the lever 20 acts on the lever 20. It is inertial force. The operating point 23 of the force K or K 'coincides with the center of gravity of the mass M in this case.
이러한 결과의 경우에 있어서, 캐리어 바디(3)에 부착되는 레버(20)는 회전 축선(21)과 질량(M)의 주위로 회전될 수 있으며 힘 전달 장치(2)에 의해 변환되는 측정된 기계적 힘(K 또는 K')을 발생하기 위한 힘 발생 장치를 형성할 수 있다. 회전 축선(21)과 질량(M)을 가진 레버(20)는 그 자체가 측정되어지는 기계적 힘(K 또는 K')과는 다른 물리적 변수를 변환하기 위한, 여기에서는 가속도를 힘(K 또는 K')으로 변환하기 위한 컨버터 장치를 형성한다.In the case of this result, the lever 20 attached to the carrier body 3 can be rotated around the axis of rotation 21 and the mass M and measured mechanically converted by the force transmission device 2. It is possible to form a force generating device for generating a force K or K '. The lever 20 with the axis of rotation 21 and the mass M is itself used to convert the acceleration (K or K) here to convert a physical variable different from the mechanical force K or K 'on which it is measured. A converter device for converting to ') is formed.
작은 가속도 하에서, 질량(M)은 단지 작은 관성력을 발생할 뿐이며, 비록 크다 할지라도, 브래그 그레이팅(11)으로 신장되기에는 불가능하며 또는 단지 길이방향(10)으로 작게 신장될 뿐이다. 도 4의 구현에 의하여, 이러한 유형의 작은 관성력(K 또는 K')은 그레이팅(11)으로 신장하기에 충분한 큰 힘(K1 또는 K1')으로 변환될 수 있으며, 이는 충분한 변형이 매우 잘 얻어질 수 있게 한다.Under a small acceleration, the mass M only generates small inertial forces, although large, it is not possible to extend Bragg grating 11 or only small in the longitudinal direction 10. By virtue of the implementation of FIG. 4, this type of small inertial force K or K 'can be converted into a large force K1 or K1' sufficient to extend to the grating 11, which is sufficient to obtain sufficient deformation. To be able.
도 3과 도 4의 실시예를 사용하면, 가속도 및/또는 진동 센서는, 각각의 경우에서 높은 측정 민감도를 가지며 구현될 수 있다.3 and 4, acceleration and / or vibration sensors can be implemented with high measurement sensitivity in each case.
도면들에서 도시된 각각의 장치들은 광학적 방사(P)를 화이바(1)에 연결하는 일반적인 방식으로 작동되어지며, 화이바(1)에서는 브래그 그레이팅(11)으로 안내되며, 그레이팅(11)에 의해 반사되는 브래그 파장(λ1)이 측정된다. 측정된 파장(λ1) 또는 그의 변화는 힘의 측정 또는 측정되어지는 물리적 변수이다.Each of the devices shown in the figures is operated in the usual way of connecting optical radiation P to fiber 1, in which fiber is guided to Bragg grating 11 and reflected by grating 11. The Bragg wavelength lambda 1 to be measured is measured. The measured wavelength [lambda] 1 or its change is the physical variable to which the force is measured or measured.
도 2는 온도-유도 효과에 대하여 보상하기 위한 기준 브래그 그레이팅(51)을 가진 기준 화이바(5)가 도시된다. 기준 화이바(5)는 화이바(1)에 평행하게 정렬되며, 캐비티(30)와 레버(20)를 응력없이 중개하며, 한 점(52,54)은 온도-유도 캐리어 바디(3)의 신장이 기준 화이바(5)내에서 임의의 측정가능한 기계적 응력을 발생하지 않는 방식으로 캐리어 바디(3)상의 표면부(31)에 부착된다.2 shows a reference fiber 5 with a reference Bragg grating 51 to compensate for the temperature-induced effect. The reference fiber 5 is aligned parallel to the fiber 1 and mediates the cavity 30 and the lever 20 without stress, and one point 52, 54 indicates that the extension of the temperature-induced carrier body 3 It is attached to the surface portion 31 on the carrier body 3 in a manner that does not generate any measurable mechanical stress in the reference fiber 5.
참조 화이바(5)와 화이바(1)는 동일한 화이바로부터 얻어진다. 이와 유사하게, 참조 브래그 그레이팅(51)과 브래그 그레이팅(11)도 동일하게 형성된다.The reference fiber 5 and the fiber 1 are obtained from the same fiber. Similarly, the reference Bragg grating 51 and Bragg grating 11 are formed in the same way.
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