NO321905B1 - Deformasjonssensor med fiberoptiske Bragg-gittere - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen relaterer seg til deformasjonssensorer og spesielt til multielementdeformasjonssensorer som innbefatter fiber Bragg gittere som det deformasjonsavfølende elementet.

Deformasjonsrosetter er vel kjente multielement deformasjonssensorer og er i utstrakt bruk ved mekanisk testing. Deformasjonsrosetter omfatter typisk to eller flere ikke-kolineære deformasjonsmålere som er montert på et felles substrat. Deformasjonsmålere er typisk anordnet i en vinkel på 45° eller 60° i forhold til hverandre for å danne henholdsvis rektangulære eller deltaformede rosetter.

Deformasjonsrosetter kan være overflatemontert eller innleiret inne i strukturer og brukes for å tilveiebringe en rekke forskjellig informasjon vedrørende deformasjon/ spenningsfelter. Eksempelvis kan deformasjonsrosetter brukes til å måle komponenter av deformasjon eller spenning langs og perpendikulært på en hovedakse, eller for å bestemme orienteringen til hovedaksen dersom denne ikke allerede er kjent.

I den senere tid har deformasjonsrosetter typisk anvendt tre elektriske deformasjonsmålere (for eksempel motstandsdeformasjonsmålere) som deres deformasjonsavfølende elementer. En kjent rektangulær deformasjonsrosett er vist skjematisk på fig. 1, og innbefatter tre motstandsdeformasjonsmålere S1,S2,S3 anordnet i en vinkel på 45° i forhold til hverandre. Deformasjonsmålerne er montert på et hovedsakelig plant felles substrat 99 for å forenkle håndtering og opprettholdelse av deres gjensidige orientering. For optimale resultater er de individuelle deformasjonsmålerne plassert så nært hverandre som mulig. Det er nødvendig med separate elektriske forbindelser til hver sensor.

Som eksempel på kjent teknikk, kan det vises til US 5 726 744 A som viser en rosettype optisk mikrosystem i form av en optisk fiber med strekkmålere. Dielektriske ledere benyttes til å måle et system av strekk og kompresjon som virker på en del, og hvor den dielektriske lederen er kun påvirket longitudinalt. Rosetten dannes av minst to strekkmålere: En regnekrets beregner så strekkverdiene ut ifra målinger på rosetten ved hjelp av et sett likninger som må løses.

Fiber Bragg gittere er vel kjent og kan brukes som temperatursensorer eller deformasjonssensormålere som alternativer til elektriske sensorer, og tilveiebringer en rekke fordeler. Fiber Bragg gittere (FPG) og deres bruk som avfølingselementer er beskrevet "Optical Fibre Bragg Grating Sensors: A Candidate for Smart Structure Applications", Dunphy et al, Chapter 10 of Fibre Optic Smart Structures, edited by Eric Udd, 1995 John Wiley & sons, Inc., ISBN 0-471-55448-0.

Et typisk FBG er vist skjematisk på fig. 2 (a) hvor FBG er tilformet av en lengde av optisk fiber som har en kjerne 21 omgitt av et kappemateriale 22 som har en lavere brytningsindeks enn kjernen. Den optiske fiberen er typisk en enkelt modusfiber (monomodus), hvor kjernediameteren er tilstrekkelig liten slik at for en valgt lyskilde kan lys forplante seg langs kjernen i bare en enkelt modus. Enkeltmoduslyset blir ledet hovedsakelig av kjerne/kappegrensen. "Linjene" 11 på gitteret er en serie regelmessig atskilte perturbasjoner av brytningsindeksen Nc til kjernen. Gitteret strekker seg langs en lengde L av fiberen, hvor L typisk er i området 1 mm til 20 mm, og variasjonen av kjernens brytningsindeks langs den langsgående aksen Z til et beger er vist på fig. 2 (b). En rekke teknikker kan brukes for å produsere fiber Bragg gittere. I en av disse teknikkene blir brytningsindeksperturbasjonene tilformet i kjernen ved maskering av fiberen med en fasemaske og la den bli utsatt for intens ultrafiolett lys. I en annen teknikk blir indeksperturbasjonene tilformet ved å utsette fiberen for interferensmønsteret som frembringes fra to kryssende halvdeler av en ultrafiolett laserstråle. Avstanden x til indeksperturbasjonene er bestemt av vinkelen som de to halvdelene av strålene krysser hverandre med. Perturbasjonene i kjernens brytningsindeks frembrakt ved hjelp av disse teknikkene er typisk i størrelsesorden en del på en tusen eller mindre.

De optiske fibrene som brukes for å produsere fiber Bragg gittere har generelt et beskyttende belegg på utsiden av kappen. Før fiberen blir frilagt for ultrafiolett lys for å danne gitteret blir det beskyttende belegget fjernet. Etter påvirkningen av ultrafiolett lys blir den frilagte delen av fiberen igjen belagt for å gjenopprette dens bestandighet.

Når et bredt spekter av lys blir innmatet i fiber Bragg gitteret som et inngangssignal, passerer mesteparten av bølgelengdene gjennom gitterområdet og danner et overført utgangssignal 82. De periodiske indeksperturbasjonene frembringer imidlertid en sterk Bragg refleksjon av komponentene til inngangssignalet som har en bølgelengde Xt,, Bragg bølgelengden, hvor:

en avstembar detektor kan således brukes til en topp i det reflekterte signalet, eller til en bølgedal i det sendte signalet. Bølgelengden hvorved toppen eller bølgedalen opptrer gir derfor en indikasjon på linjeavstanden x til gitteret.

Når fiber Bragg gitteret blir utsatt for en langsgående deformasjon eller påkjenning, endrer avstanden x seg og dette resulterer i en forskyvning av Bragg bølgelengen. Som en god approksimasjon, er Bragg bølgelengden proporsjonal med deformasjonen langs den langsgående aksen. På fordelaktig måte har gittersensoren iboende en tendens til å avvise virkningene av deformasjons eller spenningsfelter som ikke er innrettet med den langsgående aksen.

Siden deformasjonen blir målt ved å måle Bragg bølgelengden, blir målingen på fordelaktig måte ikke påvirket av fluktuasjoner i intensiteten til det innmatede lyset.

Fiber Bragg gitteret tilveiebringer andre fordeler som er knyttet til fiberoptiske sensorer. For eksempel er det immunt mot elektromagnetisk interferens, har liten vekt og liten størrelse, innehar høy temperatur og strålingstoleranse, og er bestandig selv i røffe miljøer.

Fiberoptiske deformasjonsrosetter som anvender tre separate FBGer som de deformasjonsavfølende elementene er kjent, hvor hver FBG har dets egne inngangs og utgangsfibre, separat fra fibrene til de andre FBGene. Selv om avfølingsområdet kan være passende kompakt (dvs. at gitrene kan være anordnet nært hverandre), er de tre settene av relaterte fibere lite hensiktsmessige.

Snarere enn å forbinde separat til hver av en rekke fiber Bragg gittere, er det kjent isteden å forbinde dem i serie, forutsatt at deres nominelle Bragg bølgelengder er tilstrekkelig forskjellige. Et slikt arrangement er vist skjematisk på fig. 3. Her sender en lyskilde 70 ut et signal hvorav en del 80 blir innmatet i en seriestreng av fiber Bragg gittere la, lb, lc via en toveiskobler C. De tre fiber Bragg gitrene har forskjellige nominelle Bragg bølgelengder, Xba, Kb, hx, og det reflekterte signalet 81 som returnerer til kopleren består i hovedsaken av lys med nettopp disse tre bølgelengdene. En del av det reflekterte signalet 81 blir matet inn i en lysdetektor 71 via kopleren C. I dette eksempelet er lyskilden 70 en bredbåndskilde og lysdetektoren 71 er en avstembar smalbåndsdetektor. Når detektoren skanner over et område av bølgelengder, vil det således bli detektert intensitetstopper som korresponderer med de tre Bragg bølgelengdene, og derved kan deformasjonen eller påkjenningen som hvert fiber Bragg gitter blir utsatt for blir bestemt På flg. 3 er således fiber Bragg gitrene multiplekset.

Det må forstås at det i alternative arrangementer kan en avstembar smalbåndslyskilde brukes i forbindelse med et bredere bånd lysdetektor for å måle Bragg bølgelengdene.

Deformasjonsrosetter som innbefatter serieforbundne fiber Bragg gittere er kjent og et eksempel er vist skjematisk på fig. 4. Her er de optiske fiberkomponentene til deformasjonsrosetten tilformet av en enkelt kontinuerlig fiber som omfatter et inngangsparti SO forbundet med en første fiber Bragg gitter IA. Det første fiber Bragg gitteret er forbundet ved hjelp av en tilkoplingssløyfe 6 til det andre fiber Bragg gitteret IB som i sin tur er forbundet ved hjelp av en andre sløyfe 6 til et tredje fiber Bragg gitter 1C. Fiber Bragg gitrene er anordnet i en vinkel på 0°, 45° og 90° i forhold til en nominell akse og rosetten er innkapslet i en tynnfilm av innkapslingsmaterialet 9. For klarhetens skyld er tykkelsen til den optiske fiberen overdrevet på figuren.

De tre fiber Bragg gitterne er anordnet tett sammen og danner et kompakt avfølingsparti, men den totale størrelsen til rosetten er betydelig større som et resultat av tilkoplingslengdene til fiberen 6 som er sløyfeformet. Selv om det er ønskelig å gjøre sløyfene så små som mulig for å minimalisere totalstørrelsen til rosetten, må den minimale bøyeradius være stor nok slik at det unngås betydelige bøyetap. For typiske optiske fibere som har en kappediameter på opptil 200 um er den minimale bøyeradius uten tap omtrent 1 cm. Denne store minimums bøyeradius til fiberne resulterer således i en stor og tungvint anordning når de multipleksede FBG sensorene er anordnet i den nødvendige geometrien.

Deltarosetter tilformet av multipleksede fiber Bragg gittere er også kjent, og er beskrevet i for eksempel "State of Strain Evaluation With Fibre Bragg Grating Rosettes" S. Magne et al, Applied Optics, 20th December 1997, Volume 36, No.36, PP9437 - 9447. Et eksempel på en av disse deltarosettene er vist skjematisk på flg. 5. De tre fiber Bragg gitrene IA, IB, 1C er koplet i serie ved hjelp av to sløyfer L tilformet med lengden til tilkoplingsfiberen 6, og fiber Bragg gitteme er anordnet i 60° vinkel i forhold til hverandre. Igjen er den minimale størrelsen til forbindelsessløyfene L bestemt av den minimale bøyeradius til fiberen, og resulterer i at rosetten har en størrelse på omtrent 8 cm.

Det gjensidige arrangementet av fiber Bragg gitrene er således bestemt av rosettdesignet og funksjonen, og tilkoplingspartiene til fiberen 6 må være passende rutet fra enden av en av fiber Bragg gitterne til "inngangsenden" til et annet gitter. Det faktum at tilkoplingspartiet av optisk fiber ikke kan bøyes over en radius som er mindre enn 1 cm uten at det innføres betydelige tap har i den senere tid vært en alvorlig begrensning på arrangementet av tilkoplingspartiene, og har i sin tur medført at det har vært umulig å frembringe praktiske fiber Bragg gitter deformasjonsrosetter som er mindre enn noen få kvadratcentimeter.

Det er således klart at det er ønskelig å frembringe mindre multielementer deformasjonssensorer, innbefattende fiber Bragg gitterdeformasjonsrosetter, spesielt for anvendelser hvor sensoren skal innleires i en struktur. For eksempel kan en mindre anordning innlemmes uten at det skjer på bekostning av styrken til strukturen.

Ifølge et første aspekt ved den foreliggende oppfinnelsen er det tilveiebrakt en deformasjonssensor som omfatter: første og andre fiber Bragg gittere, og en lengde av optiske fiber som forbinder gitterne i serie, hvor hvert gitter i hovedsaken er rettlinjet og de to gitrene er ikke-parallelle og har forskjellige nominelle Bragg bølgelengder, og hvor tilkoplingslengden av optiske fiber har en bøyning, karakterisert ved at et parti av tilkoplingslengden er konisk, hvor det koniske partiet innbefatter et langstrakt livparti som har redusert tverrsnittsareal, og bøyningen er tilformet i livpartiet.

Fiber Bragg gitterne blir multiplekset og idet de er i hovedsaken rettlinjede reagerer de således bare på deformasjonskomponenter langs deres respektive langsgående akser. De er anordnet ikke-parallelt for å reagere på forskjellige deformasjonskomponenter, og kan for eksempel være anordnet i hovedsakelig et felles plan i en vinkel på 60°, 45° eller 90° i forhold til hverandre som del av en deformasjonsrosett.

Til forskjell for tidligere fiber Bragg gitter deformasjonssensorer, innbefatter tilkoplingslengden av optisk fiber et konisk parti. Å gjøre optiske fibere koniske er en velkjent prosess og involverer typisk oppvarming av en seksjon av fiberen i en flamme og så forlengelse eller trekking av seksjonen for å danne et konisk liv, eller hals, med redusert tverrsnittsareal. Det koniske livpartiet er generelt langstrakt med et hovedsakelig jevnt tverrsnitt og områdene til fiberen hvorover

tverrsnittsarealreduksj onen finner sted er kjent som de koniske overgangspartiene, dvs. at det koniske partiet typisk omfatter to koniske overgangspartier og

overgangslivpartiet, hvor de koniske overgangspartiene forbinder det koniske livpartiet med ikke-koniske seksjoner av fiberen.

Den foreliggende oppfinnelsen utnytter det faktum at det koniske eller avsmalnende livpartiet kan bøyes over en mindre radius enn den ikke-koniske fiberen, uten tap. Rutingen av tilkoplingslengden av fiber fra et gitter til det andre kan således tilveiebringes hovedsakelig ved hjelp av bøyninger tilformet i det koniske eller avsmalnende livpartiet, og den reduserte minimale bøyeradius medfører mindre begrensninger på denne rutingen.

Kort sagt, ved å anvende koniske eller avsmalnende partier i tilkoplingslengden, og å forme bøyninger med radius mindre enn 10 mm i det koniske livpartiet, kan rutingen av tilkoplingslengden fra et fiber Bragg gitter til det neste være mer direkte, hvilket gjør det mulig at størrelsen til anordningen kan være redusert.

Generelt gjelder at dess mindre tverrsnittsareal i det koniske livpartiet, dess mindre minimal akseptabel krumningsradius, og tilkoplingen kan være mer direkte. Det koniske livpartiets tverrsnitt må imidlertid være tilstrekkelig stort til å muliggjøre at de ønskede lysbølgelengdene kan forplante seg langs anordningen.

Avfølingsapparatet eller anordningen som omfatter deformasjonssensoren kan bruke en lysdetektor anordnet for å detektere lys som reflekteres fra gitteret tilbake med en inngangslengde av fiber, eller alternativt kan være anordnet for å måle lyset som sendes gjennom gitterne og sendes ut langs en utgangslengde av fiberen forbundet med en ende av det andre fiber Bragg gitteret.

Deformasjonssensoren kan omfatte tilleggsfiber Bragg gittere forbundet i serie med det første og andre, og hver forbindelseslengde av fiber kan innbefatte en konisk eller avsmalnende seksjon.

Den minimale akseptable bøyeradius til livpartiet avhenger av livpartiets tverrsnitt og for diametre på for eksempel 20 (im eller mindre kan den minimale bøyeradius være så liten som 1 mm.

Den foreliggende oppfinnelsen muliggjør konstruksjonen av en fiberoptisk deformasjonsrosett (med ledsagende fordeler til fiberoptiske sensorer) som er både kompakt og har et minimalt antall fibertråder.

På fordelaktig måte kan tilkoplingslendgen være tilformet av enkeltmodus optisk fiber, og det reduserte tverrsnittsarealet til livpartiet kan være mindre enn halvparten av det nominelle tverrsnittsarealet til den ikke koniske enkeltmodusfiberen.

Ender av tilkoplingslengden kan omfatte ikke-koniske partier av enkelt modusfiberen, som angitt ovenfor, og enkeltmodus (også kjent som monomodus) fibere omfatter en kjerne omgitt av kappematerialer som har en lavere brytningsindeks enn kjernen. Kjernen er typisk sirkulær med en tilstrekkelig liten diameter slik at bare den fundamentale modus kan forplante seg ned den ikke-koniske fiberen. Denne fundamentale modus blir ledet i den ikke koniske fiberen ved kjemekappegrensen. Kjernediameteren er typisk mindre enn 15 um, men andre størrelser er også kjent. Reduksjon av tverrsnittsarealet i livpartiet med en faktor på i det minste to sikrer at fundamental eller grunnmodusen ikke lenger praktisk kan avgrenses og ledes av kjernematerialene kappematerialgrensesnittet i det koniske livpartiet. I denne situasjonen blir grunnmodusen ledet av kappematerialets ytre grense (typisk grensesnittet med innkapslings- eller tettematerialet eller luft) mens den forplanter seg ned det koniske livet, og kjernen spiller ikke lenger noen rolle. Til å begynne med forplanter grunnmodusen seg langs det ikke koniske partiet av fiberen ledet av fiberkjernen. Når den entrer det koniske overgangsområdet ser den en kjerne med gradvis redusert tverrsnitt. Den kommer da til et punkt hvor kjernen er for liten til å lede grunnmodusen, som så "bryter ut", slik at den ledes av den ytre grensen til kappen, dvs, at lysfeltet som forplanter seg nå ligger over hele livpartiets tverrsnitt.

Det er kjent at et tilstrekkelig konisk område av en isolert enkeltmodusfiber er mindre utsatt for bøyningstap enn den ikkekoniske fiberen siden grunnmodusen, som tidligere ble svakt avgrenset av kjemekappegrensen, er sterkt avgrenset i det koniske området av kappe-lutfgrensen. I publikasjonen "Miniature High Performance Loop Reflector", Oakley et al, Electronics Letters, 5th December 1991, Volume 27, Number 25 PP2334-2335, er det eksempelvis rapportert at en bøyning på 1,5 mm diameter kan utføres uten at det innføres målbare tap (dvs. i dette tilfellet mindre enn 0,05 dB) i et konisk eller avsmalnende livområde av en enkeltmodusfiber, hvor den ikke-koniske fiberen har en diameter på 10 um, en kappediameter på 125 nm, og en avstengningsbølgelengde (cut-off) på 1250 nanometer, og kappediameteren i det koniske livpartiet ble opprinnelig rapportert til å være 30 um. Den samme kappediameteren i det avsmalnende livpartiet var i virkeligheten 15 um, hvilket ble rapportert i en korreksjon som ble publisert senere. I motsetning til dette var den minimale bøyediameteren til den ikke-koniske fiberen med tilsvarende lavt tap omtrent 4 cm.

Det er fastslått at i utførelser av den foreliggende oppfinnelsen at ved å trekke ned de optiske fiberne tilstrekkelig til å sikre atskillelse av det innmatede grunnmodusfeltet fra inngangssidekjernen i det koniske overgangsområdet, kan det koniske livpartiet innbefatte en skarp bøyning med neglisjerbare tilleggstap. På fordelaktig måte kan det koniske livpartiet ha en diameter som er mindre enn 50 um.

Det koniske livpartiet kan fortrinnsvis ha en "diameter" på 30 [im eller mindre. Generelt gjelder at dess mindre diameteren til det koniske livpartiet er, dess krappere eller skarpere bøyning kan utføres uten at det innføres uakseptable tap. Den minimale diameteren er imidlertid bestemt av bølgelengden til lyset som livpartiet er ment å lede.

Ved å bruke avsmalnende eller koniske områder av enkeltmodusfibre som tilkoplingslengder, kan tilkoplingslengdene rutes mellom fiber Bragg gitterne ved hjelp av bøyninger i livpartiet med radius på 2 mm eller mindre, og den totale størrelsen til anordningen kan således reduseres betydelig sammenlignet med de tidligere arrangementene.

På fordelaktig måte kan tilkoplingslengden være formet av optisk fiber som har en kjerne omgitt av kappemateriale, hvor kappematerialet har en brytningsindeks, og det avsmalnende eller koniske partiet kan være inneholdt i et første legeme av et første medium som har en brytningsindeks som er lavere enn kappematerialets brytningsindeks, hvor det første legemet kontakter direkte overflaten til det koniske partiet.

Ved at det koniske eller avsmalnende partiet er inneholdt i et slikt medium opprettholdes den sterkere ledelsen av lys i livpartiet, hvilket muliggjør at det kan dannes skarpe bøyninger i dette uten påtagelige tap. Anbringelsen beskytter også livpartiet mot forstyrrelser og forurensning, og det kan tilveiebringe god sammenklebning til et andre legeme som inneholder det første.

Det første legemet kan være et belegg som dekker overflaten til det avsmalnende eller koniske partiet.

Det første legemet kan strekke seg langs hele livpartiet og kan fullstendig eller delvis dekke belegget eller innkapsle det koniske overgangspartiet.

Det første legemet er fortrinnsvis et legeme av klar silikongummi. Dette materialet har en brytningsindeks som er tilstrekkelig lav til å opprettholde sterk lysledelse i livpartiet, og resulterer i ingen ekstra tap i det bøyde livet. Silikongummi beskytter livpartiet eller partiene og tillater ikke at betydelig deformasjon blir overført til det bøyde livet eller livene. Den fleksible silikongummien kan således forhindre deformasjonen som sensoren overvåker i å forårsake uakseptable økte tap i de bøyde koniske livpartiene.

Deformasjonssensoren kan videre være inneholdt (innkapslet) i et andre legeme av et andre medium, som kan være det samme eller forskjellig fra det første mediet. Det andre legemet er fortrinnsvis et legeme av i hovedsaken stivt materiale slik som epoksy harpiks, som er i stand til å overføre deformasjon til Bragg gitterne.

For å tilveiebringe enda sterkere ledelse av lyset i livpartiet til tilkoplingslengden, er i visse utførelser av den foreliggende oppfinnelsen et lag eller en lomme av gass innfanget i et innkapslingslegeme som inneholder fiber Bragg gitterne og tilkoplingspartiet, hvor laget eller lommen omgir det koniske livpartiet. Lommen kan strekke seg slik at den omgir fullstendig det koniske partiet. Lys blir sterkt ledet av livpartiets kappemateriale - gassgrensesnitt og liten diameter, og tapsfrie bøyninger kan formes. Gassen kan for eksempel være luft, og/eller kan være ved et lavt trykk slik at lommen i hovedsaken inneholder vakuum.

For å forenkle innfangingen av en gasslomme rundt det koniske partiet, kan sensoren innbefatte en rørformet hylse som omgir og strekker seg langs det koniske partiet. Hylsen kan strekke seg til, og danne en løs forsegling med fiber Bragg gitterne og/eller ikke-koniske seksjoner av tilkoplingslengden, og i arrangementer hvor anordningen er innkapslet (innplantet) kan hylsen forhindre innkapslingsmaterialet i å komme i kontakt med det koniske livpartiet.

I alternative utførelser blir gassbobler formet i innplantingsmaterialet rundt de koniske partiene.

For å minimalisere tapene kan det første og andre fiber Bragg gitteret og tilkoplingslengden være formet av en kontinuerlig enkel optisk fiber, som kan være en enkelt modusfiber.

Sensoren omfatter fortrinnsvis et legeme av silikongummi (klar) som dekker eller innkapsler livpartiet og således er i kontakt med livpartioverflatene, og et legeme av stivt materiale som innkapsler både silikongummilegemet og fiber Bragg gitterne. Det stive materialet er således i kontakt med overflaten til Bragg gitterne, men atskilt fra overflaten til det koniske livpartiet ved hjelp av silikongummien.

Deformasjon eller påkjenning som påtrykkes sensoren (dvs. på det stive innkapslingslegemet) kan således overføres til fiber Bragg gitterne, men blir ikke overført til det eller de bøyde livpartiene på grunn av det fleksible innkapslings/belegningslegemet av silikongummi.

Sensoren omfatter fortrinnsvis to stive plater, med fiber Bragg gitterne og tilkoplingslenden anordnet mellom platene. Bare fiber Bragg gitterne er fortrinnsvis festet eller bundet til platene, og det koniske livpartiet er ikkeopplagret. Påkjenningen eller deformasjonen som påtrykkes platene kan således overføres til fiber Bragg gitterne, men ikke til det bøyde koniske tilkoplingspartiet. Således kan økning av tap i en eller hver bøyning når påkjenningen påtrykkes sensoren unngås, eller i det minste holdes ubetydelig.

Platene er fortrinnsvis i tett kontakt med fiber Bragg gitterne, dvs. at skillet mellom platene grunnleggende sett tilsvarer bare diameteren til fiber Bragg gitterne. En liten mengde bindingsmateriale kan så brukes til å binde fiber Bragg gitterne til platene. Selv når platen er separert med den minst mulige avstanden (bestemt av fiber Bragg gitterdiameteme) blir ikke det koniske livpartiet som har redusert diameter innfanget av platene og kan etterlates uopplagret i luft for å forbedre lysleding. Sensoren kan således ha en laminær struktur.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i patentkravene angitte trekkene.

Utførelser av den foreliggende oppfinnelsen skal nå beskrives med henvisning til de medfølgende tegningene i hvilke: Fig. 1 er en skjematisk fremstilling av en kjent elektrisk deformasjonsrosett; Fig. 2a er en skjematisk fremstilling av et kjent fiber Bragg gitter; Fig. 2b viser variasjonen av kjernens brytningsindeks langs fiber Bragg gitteret på fig. 2a; Fig. 3 er en skjematisk fremstilling av en avfølingsanordning som omfatter multipleksede fiber Bragg gittere; Fig. 4 er en skjematisk fremstilling av en kjent deformasjonsrosett som innbefatter fiber Bragg gittere; Fig. 5 er en skjematisk fremstilling av en annen kjent deformasjonsrosett som anvender fiber Bragg gittere; Fig. 6 er en skjematisk fremstilling av en utførelse av den foreliggende oppfinnelsen; Fig. 7 er en mer detaljert skjematisk fremstilling av utførelsen på fig. 6; Fig. 8 er en skjematisk fremstilling av forskjellige utførelser av den foreliggende oppfinnelsen; Fig. 9 er en skjematisk fremstilling av en del av en deformasjonssensor som virkeliggjør den foreliggende oppfinnelsen; Fig. 10 er en skjematisk fremstilling av en del av en ytterligere utførelse; Fig. 11 er en skjematisk fremstilling av en deformasjonsrosett som virkeliggjør den foreliggende oppfinnelsen; Fig. 12 er en skjematisk fremstilling av en annen deformasjonsrosett som virkeliggjør den foreliggende opprinnelsen; Fig. 13 er en skjematisk fremstilling av en ytterligere utførelse; Fig. 14 er en skjematisk fremstilling av en annen utførelse; Fig. 15 er en skjematisk fremstilling av en deformasjonssensor som virkeliggjør den foreliggende oppfinnelsen; Fig. 16 er en skjematisk fremstilling av en deformasjonsrosett som virkeliggjør den foreliggende oppfinnelsen; Fig. 17 er en skjematisk fremstilling av en deformasjonsrosett i samsvar med en ytterligere utførelse av den foreliggende oppfinnelsen; og Fig. 18 er et skjematisk sideriss av en deformasjonssensor i samsvar med en ytterligere utførelse.

Det refereres nå til fig. 6.1 dette eksempelet er tre fiber Bragg gittere IA, IB, 1C forbundet i serie ved hjelp av tilkoplingspartiet 6 av optisk fiber. Tilkoplingspartiene innbefatter bøyninger B med en radius som er mindre enn 10 mm, tilformet i livpartiene til koniske eller avsmalnende partier av tilkoplingslengdene. Selv om fiber Bragg gitterne er anordnet i 0,45 og 90° i forhold til en nominell akse, muliggjør skarpe bøyninger i tilkoplingspartiene at ruting mellom fiber Bragg gitterne kan være mer direkte enn ved de tidligere kjente arrangementene. Det er ikke nødvendig med sløyfer med sløyfer med stor diameter.

Fig. 7 viser utførelsen på fig. 6 skjematisk, men mer detaljert. Fiber Bragg gitterne og tilkoplingspartiene 6 er tilformet av en kontinuerlig enkelt lengde av enkeltmodefiber for å minimalisere tapet (dvs. at det ikke er noen sammenføyninger eller skjøter). Hvert tilkoplingsparti omfatter et avsmalnende eller konisk parti som består av koniske overgangspartier 61 og et livparti 62. Tverrsnittsarealet til livpartiet har blitt redusert tilstrekkelig slik at den enkelte modusen av lys ikke praktisk kan ledes av restkjernen i livet. Kjernen reduseres i tverrsnittsareal 611 over de koniske overgangspartiene.

Det refereres nå til fig. 8. Denne fig. viser skjematisk en rekke utførelser av den foreliggende oppfinnelsen. I hvert tilfelle innbefatter tilkoplingslengdene 6 av optisk fiber som forbinder fiber Bragg gitterne IA, IB, 1C avsmalnende eller koniske partier og bøyninger B er tilformet i livene til de koniske partiene idet bøyningene har en minimal krumningsradius enn 10 mm. Fig. 8a viser en rektangulær deformasjonsrosett hvor de tre fiber Bragg gitterne er forbundet ved hjelp av tre bøyninger B. Fig. 8b viser en såkalt deltarosett hvor de tre fiber Bragg gitterne er forbundet ved hjelp av to bøyninger. Fig. 8c viser en del av en deformasjonssensor som innlemmer to fiber Bragg gittere forbundet ved hjelp av en enkelt bøyning B, og som er anordnet i hovedsaken 90° på hverandre. Fig. 8d viser en nominelt plan deformasjonssensor, hvori de tynne fiber Bragg gitterne er anordnet, den ene på den toppen av den andre, og krysser hverandre i 90°, og er forbundet ved hjelp av tilkoplingslengde 6 som innbefatter to bøyninger B. Ved å overlappe fiber Bragg gitterne på denne måten blir størrelsen til sensoren ytterligere redusert. Siden diameterne til fiberne som omfatter fiber Bragg gitterne er liten, kan de kryssede fiber Bragg gitterne innplantes i en tynnfilm for å danne en håndterbar og praktisk todimensjonal deformasjonssensor. Fig. 8e viser en utførelse hvor bøyingen B formet i livpartiet av tilslutningslengden i virkeligheten er en liten sløyfe, som har en krumningsradius som i hovedsaken er mindre enn 10 mm. Fig. 8f, g og h viser alternative arrangementer av tre element deformasjonsrosetter som virkeliggjør den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 9 viser detaljert en del av en sensor som virkeliggjør den foreliggende oppfinnelsen. I denne skjematiske fremstillingen er diameteren til fibrene for illustrasjonsformål vist overdrevet. I dette eksempelet er de to fiber Bragg gitterne IA, IB og tilslutningslengden 6 formet av en enkelt kontinuerlig lengde av optisk fiber som har en kjerne 21 omgitt av kappe 22. Ved en ende av det første fiber Bragg gitteret la avsmaler fiberen ned over et konisk overgangsparti 61,611 til et smalt livparti 62 med omtrent konstant tverrsnittsareal. Ved den andre enden av livpartiet utvider fibrene seg konisk over et andre overgangsparti som er forbundet med en ende av det andre fiber Bragg gitteret lb.

I dette eksempelet består således tilslutningslengden fullstendig av det avsmalede partiet 61,611,62. Utbedrelsen av tilslutningslengden er vist avgrenset av de brutte linjene D1. Innenfor det koniske overgangspartiet smalner kjernen 21 ned 611 til en slik utstrekning at i livpartiet spiller den ikke lenger noen betydelig rolle ved lysleding.

En fleksibel rørformet hylse 7 omgir og strekker seg over hele lengden av det avsmalnende partiet og danner en forsegling med begge fiber Bragg gitterne. En lomme eller lag av luft er innfanget inne i røret 7 og derved over hele dets lengde, og det koniske partiet er avskjermet av gass som har en lav brytningsindeks. Lys som forplanter seg langs det avsmalede partiet fra et fiber Bragg gitter til det neste er sterkt begrenset og ledet av kappematerial-luftgrensesnittet og ved at det koniske partiet er anordnet slik at det er omgitt av gass vil selv krappe bøyningen i det avsmalede livpartiet kunne tilformes uten tap.

Selv om livpartiet 62 i dette eksempelet ikke berører innsiden av røret 7, er en viss kontakt akseptabel i andre utførelser.

Utførelsen på fig. 9 er tilformet ved å gli røret 7 over det avsmalede partiet også innkapsle (også kjent som innplanting eller innhylling) av anordningen i en tynnfilm av innkapslingsmaterialet, hvor materialet er valgt slik at det har en brytningsindeks som er lavere enn brytningsindeksen til kappen 22. Innkapslingsmaterialet 9 er i direkte kontakt med fiber Bragg gitterne, men forhindres i å kontakte det avsmalnede partiet ved hjelp av røret 7 og innfanget luft. Dersom viskositeten til innkapslingsmaterialet før herding er tilstrekkelig høy, er det klart at røret 7 kan være i stand til å ekskludere materialet fra området som omgir det avsmalede partiet uten at det er nødvendig å danne gode forseglinger mot fiber Bragg gitterne.

Det refereres nå til fig. 10.1 denne utførelsen er tilslutningslengden og fiber Bragg gitterne tilformet av en lengde av enkeltmodus optisk fiber. Tilslutningslengden består av to ikke-avsmalende partiet 63 av fiberen ved dens ende, på hver side av det avsmalede partiet som består av to avsmalede overgangspartier 61,611, forbundet ved hjelp av et livparti 62. For å rute tilslutningslengden mellom fiber Bragg gitterne, er det formet en enkelt bøyning B i livpartiet 62, og bøyningen har en minimums radius på mindre enn 2 mm.

Livpartiet 62 og en del av de koniske overgangspartiene er belagt med et materiale 30 som har en brytningsindeks som er lavere enn brytningsindeksen til kappematerialet 22. I dette eksempelet dekker ikke belegget fullstendig det avsmalede partiet, seksjoner av dets overflate 65 er ubelagt.

Belegget beskytter det avsmalede livpartiet og opprettholder sterk lysledelse, samtidig som bøyetap minimaliseres. Sensoren kan også være innplantet i et lag eller film av egnet materiale for å fiksere de relative posisjonene av fiber Bragg gitterne og forenkle håndtering.

Fig. 11 viser en deformasjonsrosett som virkeliggjør den foreliggende oppfinnelsen og som omfatter tre fiber Bragg gittere anordnet i en vinkel på 60° i forhold til hverandre i en deltakonfigurasjon. En enkelt lengde av fiber 50 virker som inngangsledningen til, og utgangsledningen fra, de serieforbundede sensorene. Brytingen mellom fiber Bragg gitterne oppnås ved hjelp av to bøyninger B i de avsmalede livpartiene 62 av tilslutningslengdene, og hele lengdene til tilslutningspartiene er innkapslet i materialet 30 som har lavere brytningsindeks enn kappen 22.1 dette eksempelet strekker

innkapslingen av tilslutningslengdene seg slik at de dekker deler av selve fiber Bragg gitterne.

Ved en ende av det tredje fiber Bragg gitteret lc er det tilveiebrakt en ikkereflekterende, absorberende overflate. Denne termineringsoverflate sikrer at bare lyset som returnerer ned inngangs/utgangsfiberen 50 er lys som er reflektert av gitterne ved deres karakteristiske Bragg bølgelengder. Ved å innlemme en ikkereflekterende termineringsinnretning ved en ende av fiber Bragg gitterstrengen, minimaliseres antallet fibere som fører til anordningen.

De fiberoptiske komponentene til sensoren er videre innelukket i en tynnfilm 9 av egnet materiale. Når det er herdet er filmmaterialet i hovedsaken stivt, slik at det kan overføre deformasjoner til fiber Bragg gitterne, og har en brytningsindeks som er lavere enn brytningsindeksen til kappematerialet 22.

I utførelsen på fig. 12 innkapsler et enkelt legeme av materialet 9, og er i direkte kontakt med overflatene til fiber Bragg gitterne og det avsmalede partiet av tilslutningslengden.

Det refereres nå til fig. 13.1 denne utførelsen har de to fiber Bragg gitterne la, lb blir tilformet i serie langs en kontinuerlig lengde av optisk fiber som er ensartet over dens bredde, dvs. at den ikke har noen separat kappe. En tilslutningslengde, vist avgrenset med brutte linjer Dl innbefatter en avsmalet seksjon som består av koniske overganger 61 og et livparti 62. Livpartiet innbefatter en bøying B med radius 1 mm og er formet som en sløyfe. Hele det avsmalede partiet er innkapslet i en lomme av gass som er innfanget inne i innplantingsmaterialet 9. Gasslommen er innelukket av en innelulaiingsstruktur 71 som forhindrer innkapslingsmaterialet 9 fra å komme i kontakt med det avsmalede partiet under innplantingsprosessen. Fig. 14 viser en deformasjonsrosett i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen og som omfatter inngangs 50 og utgangs 52 partier av optisk fiber. Den optiske fiberen er en enkeltmodusfiber og fiber Bragg gitterne la, lb, lc er formet i livpartiet 62 av et avsmalet parti av fiberen. Ytterligere livpartier forbinder fiber Bragg gitteret og innbefatter bøyinger med radius mindre enn 1 mm. Ved å forme fiber Bragg gitterne i livpartiet kan størrelsen til rosetten reduseres dramatisk sammenlignet med de tidligere arrangementene. Rosetten i et egnet materiale 9. Fig. 15 viser en ytterligere utførelse hvor hovedsakelig rettlinjede fiber Bragg gittere la, lb er anordnet i en vinkel 9 i forhold til hverandre og innhyllet i en film av materialet 9. Fiber Bragg gitterne er formet i en kontinuerlig lengde optiske fiber, og tilslutningslengden som er avgrenset av brutte linjer Dl innbefatter ikke-avsmalet partier i 63 som er anordnet i kurver som har minimumsradius som ikke er mindre enn 1 cm. Det avsmalende partiet av tilslutningslengden, vist avgrenset av brutte linjer D2 innbefatter to skarpe bøyinger B i livet 62 og rutingen av tilslutningslengden mellom fiber Bragg gitterne oppnås i hovedsaken ved hjelp av bøyingene B. Hele det avsmalede partiet 61,62 av tilslutningslengden er innelukket i en gassboble tilformet i innkapslingsmaterialet 9. Fig. 16 viser en rektangulær treelement deformasjonsrosett i samsvar med en utførelse av den foreliggende oppfinnelsen. Første og andre fiber Bragg gittere la, lb er forbundet ved hjelp av en tilslutningslengde som innbefatter et ikkeavsmalet parti 63 mellom to avsmalede partier 61 og 62. det ikke avsmalede partiet 63 er i hovedsaken rettlinjet og bøyer er formet i de avsmalede livpartiene 62, idet de avsmalede livpartiene 62 og de koniske overgangspartiene er innkapslet i et materiale 91 som, når det er herdet i hovedsaken er fleksibelt og har en brytningsindeks som er lavere enn brytningsindeksen til de optiske fibrene. En andre tilslutningslengde forbinder det andre og tredje fiber Bragg gitteret er også innkapslet i et fleksibelt materiale 91. En i hovedsaken stiv film 9 er tilformet rundt anordningen og kommer i direkte kontakt med fiber Bragg gitterne og de ytre overflatene til de fleksible innkapslingsseksj onene 91. Det i hovedsaken stive materialet 9 er i stand til å overføre deformasjon til fiber Bragg gitterne og de fleksible partiene 91 tilveiebringer en viss grad strekkavlastning på de avsmalede partiene. Det fleksible materialet 91 kan også ha en lavere brytningsindeks enn det som er tilgjengelig fra stive innkapslinger.

I dette eksempelet er det fleksible materialet klar silikongummi. Innkapsling av bøyene i dette materialet resulterer ikke i noen tilleggstap.

Fig. 17 viser en ytterligere utførelse hvor tre fiber Bragg gittere er innhyllet i en film 9 av et materiale og livpartiene til tilslutningslengdene er anordnet i åpninger eller tomrom 101 formet i filmen. Disse tomrommene kan være formet ved å ekskludere filmmaterialet fra de avsmalede livpartiene under innkapslingsprosessen, eller de kan alternativt være tilformet ved å hetse bort innkapslingsmaterialet etter at det har herdet eller satt seg. Ytterligere filmer av egnet materiale kan være bundet på begge sider av filmen 9 og kan således innfange gass i tomrommene 101. Dette er en hensiktsmessig eller bekvem måte å fremstille anordninger hvor sterk leding av lys opprettholdes i bøyen i det avsmalede livpartiet, ved å anordne overflaten til livpartiet slik at det er i kontakt med en gass.

Anordningen på flg. 17 er omtrentlig kvadratisk og har en side på 2 cm.

Fig. 18 viser et skjematisk sideriss av en ytterligere utførelse. I dette eksempelet er tre fiber Bragg gittere la, lb, lc anordnet mellom to parallelle stive plater PT, Pb-Separeringen av topp platen Pj og bunnplaten Pb er slik at de er i tett kontakt med fiber Bragg gitterne (separeringen eller skillet er lik diameteren til ikkeavsmalet fiber). Hver av fiber Bragg gitterne er limt (bundet) til platene og deformasjon eller påkjenning på platene kan overføres til fiber Bragg gitterne. De avsmalede livpartiene 62 har redusert diameter slik at det ikke er i kontakt med platene. De avsmalede livpartiene er ikke innkapslet i silikongummi eller epoksyharpiks, men omgitt av luft i rommet mellom platene. Platedeformasjon eller påkjenning kan ikke overføres direkte til de avsmalede livpartiene. Livpartiene innbefatter 90° bøyinger og "front" vendende overflatene 61 f av avsmalingsovergangspartiene til det første og tredje fiber Bragg gitteret la, lc kan ses på figuren.

Sensorer i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan brukes som overflatefestede sensorer, eller som sensorer innleiret i strukturer og komponenter laget av komposittmaterialer, for eksempel karbonfiberforsterkede kompositter eller sementbaserte materialer.

For de sistnevnte applikasjonene krever den komplette sensoren eller rosetten innkapsling for beskyttelse og forsterking under innleiringsprosessen. Dette er spesielt viktig for de bøyde avsmalede livseksj onene som er iboende skjøre idet de beskyttende beleggene er fjernet, og de har en betydelig redusert diameter ved avsmalings eller trekkeprosessen. Bøyingene i de avsmalede livpartiene vil også bli svært tapsbringende dersom de blir utsatt for ukontrollerte forstyrrelser, idet de er spesielt sensitive overfor forstyrrelser av avsmalingsovergangsregionene. Dersom det omgivende materialet ikke har en tilstrekkelig lav brytningsindeks, vil videre lyset tapes ved den delvise eller fullstendige reduksjonen av bølgeledekapasitet i det bøyde livet.

Selv for overflateapplikasjoner er det også nødvendig med innkapsling for at rosetten kan håndteres sikkert og bekvemt og påføres testoverflaten.

I utførelser av den foreliggende oppfinnelsen kan således rosetten være innkapslet i et støpt materiale slik som epoksy som har en brytningsindeks som er vesentlig mindre enn brytningsindeksen til materialet som danner den optiske fiberens kappe.

Rosetten kan være innkapslet i et støpt materiale slik som epoksy mens de bøyde avsmalede livområdene er omgitt av epoksy som har en brytningsindeks som er vesentlig mindre enn materialet som danner kappen til den optiske fiberen, hvor den omgivende epoksyen kan være påført enten under støpingen eller alternativt pålagt før innkapslingen.

Alternativt kan rosetten være innkapslet i et støpt materiale slik som epoksy, mens de bøyde avsmalede partiene er inneholdt i tynne fleksible rør som tillater at det bøyde livpartiet i hovedsaken er fritt fra kontakt med rørveggene, selv om en viss kontakt er akseptabel.

Som et alternativ til epoksy, kan det brukes silikongummi, for eksempel som et innplantings, støpings eller innkapslingsmateriale eller som et beleggmateriale.

Andre egnede materialer kan selvfølgelig også brukes, og i visse utførelser kan en rekke forskjellige materialer anvendes, for eksempel et første materiale som belegger de bøyde avsmalede partiene og et andre materiale som innkapsler sensoren.

Claims (15)

1. Deformasjonssensor omfattende første og andre fiber Bragg gittere, og en lengde av optisk fiber som forbinder gitrene i serie, hvor hvert gitter i hovedsaken er rettlinjet og de to gitterne er ikke parallelle og har forskjellige nominelle Bragg bølgelengder, hvor tilslutningslengden av optisk fiber har en bøy eller bøyning, karakterisert ved at et parti av tilslutningslengden er konisk eller avtagende, hvor det avtagende partiet innbefatter et langstrakt livparti som har et redusert tverrsnittareal, og bøyningen er tilformet i livpartiet.

2. Deformasjonssensor ifølge krav 1, karakterisert ved at tilslutningslengden er formet av enkeltmodus optisk fiber, og det reduserte tverrsnittsarealet er mindre enn halvparten av et nominelt tverrsnittsareal av et ikke-avsmalet parti av enkeltmodusfiberen.

3. Deformasjonssensor ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at tilslutningslengden er formet av optisk fiber som har en kjerne omgitt av kappematerialet, hvor kappematerialet har en brytningsindeks, og sensoren videre omfatter et første legeme av et første medium som har en brytningsindeks som er lavere enn brytningsindeksen til kappematerialet, og det første legemet inneholder og kommer i kontakt med overflaten til det avsmalede partiet.

4. Deformasjonsmåler ifølge krav 3, karakterisert ved at det første legemet omfatter et belegg som dekker overflaten til det avtagende partiet.

5. Deformasjonssensor ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved et andre legeme av et andre medium som innkapsler det avtagende partiet og fiber Bragg gitterne, hvor det andre mediet er atskilt fra overflaten til det avsmalede partiet ved hjelp av det første legemet.

6. Deformasjonssensor ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den omfatter et innkapslingslegeme som inneholder fiber Bragg gitterne og tilslutningspartiet, og en lomme av gass innfanget i innkapslingslegemet og som omgir det avsmalede partiet.

7. Deformasjonssensor ifølge krav 6, karakterisert ved at den omfatter en rørformet hylse som omgir og strekker seg langs det avsmalede partiet og inneholder gasslommen.

8. Deformasjonssensor ifølge et hvilket som helst av de forutgående kravene, karakterisert ved at det første og andre fiber Bragg gitteret og tilslutningslengden er formet av en kontinuerlig optisk fiber.

9. Deformasjonssensor ifølge krav 8, karakterisert ved at den kontinuerlige optiske fiberen er en enkelt modusfiber.

10. Deformasjonssensor ifølge et hvilket som helst av de forutgående kravene, karakterisert ved at de to fiber Bragg gitterne i hovedsaken er koplanare og er anordnet slik at de danner i det minste en del av en deformasjonsrosett.

11. Deformasjonsmåler ifølge et hvilket som helst av de forutgående kravene, karakterisert ved at den omfatter et legeme av silikongummibelegg eller innkapsling av livpartiet slik at silikongummien er i kontakt med overflaten til livpartiet, og et legeme av hovedsakelig stivt materiale som innkapsler legemet av silikongummi og fiber Bragg gitterne.

12. Deformasjonssensor ifølge et hvilket som helst av de forutgående kravene, karakterisert ved at den omfatter to i hovedsaken stive plater som er anordnet i hovedsaken parallelle, hvor fiber Bragg gitterne og tilslutaingslengde er anordnet mellom platene i et plan parallelt med platene, og hvor hvert av fiber Bragg gitterne er stivt bundet til platene.

13. Deformasjonssensor ifølge krav 12, karakterisert ved at platen er atskilt en avstand som i hovedsaken er lik en nominell diameter til fiber Bragg gitterne.

14. Deformasjonssensor ifølge krav 12 eller 13, karakterisert ved at livpartiet ikke er stivt bundet til platene.

15. Avfølingsanordning omfattende en deformasjonssensor ifølge et hvilket som helst av de forutgående kravene, karakterisert ved at den omfatter en lyskilde anordnet for å mate inn lys til gitterne; og en lysdetektor anordnet for å detektere lys som reflekteres av eller sendes gjennom gitrene, hvor lyskilden og lysdetektoren kan drives slik at det tilveiebringes en indikasjon på Bragg bølgelengdene.