SE458067B

SE458067B - DEVICE FOR PRESSURE DETECTION

Info

Publication number: SE458067B
Application number: SE8603256A
Authority: SE
Inventors: A L Harmer
Original assignee: Battelle Development Corp
Priority date: 1985-11-14
Filing date: 1986-07-30
Publication date: 1989-02-20
Also published as: GB8617906D0; JPH0648220B2; JPS62118230A; SE8603256D0; GB2183026B; DE3628715A1; FR2590018B1; SE8603256L; FR2590018A1; CA1268640A; GB2183026A

Description

458 067 10 15 20 25 30 35 2 med identisk uppbyggnad måste användas om två eller flera sådana avsnitt skall deformeras samtidigt. Alter- nativt kan käftarna, sàsom visas i ovannämnda svenska patent, breddas för upptagning av åtskilliga varv av en fiber som är lindad runt dessa. Den höga precision som erfordras vid tillverkningen av käftarna med de tätt intill varandra anordnade tänderna gör under alla omständigheter dessa anordningar tämligen dyra. 458 067 10 15 20 25 30 35 2 with identical construction must be used if two or more such sections are to be deformed simultaneously. Alternatively, the jaws, as shown in the above-mentioned Swedish patents, can be widened to accommodate several turns of a fiber wrapped around them. The high precision required in the manufacture of the jaws with the closely spaced teeth makes these devices rather expensive in any case.

Det allmänna ändamålet med föreliggande uppfinning är därför att åstadkomma en förbättrad anordning för detektering av tryck medelst fiberoptiska organ, i vilken anordning nämnda nackdelar har eliminerats.The general object of the present invention is therefore to provide an improved device for detecting pressure by means of fiber optic means, in which device the said disadvantages have been eliminated.

Ett speciellt ändamål är att åstadkomma ett mycket känsligt instrument av denna typ för omvandling av elektriska eller mekaniska fenomen till ljussignaler som kan överföras över stora avstånd.A special object is to provide a very sensitive instrument of this type for converting electrical or mechanical phenomena into light signals which can be transmitted over large distances.

En anordning enligt uppfinningen innefattar för- utom den mellan en ljuskälla och en fotodetektor inför- da optiska fibern, trycköverförande organ, som omger åtminstone ett avsnitt av fibern och innefattar ett element av väsentligen inkompressibelt material, som är lindat i spiral runt fiberavsnittet i ett flertal varv med lika mellanrum.A device according to the invention comprises, in addition to the optical fiber inserted between a light source and a photodetector, pressure transmitting means which surround at least a section of the fiber and comprise an element of substantially incompressible material, which is wound in a spiral around the fiber section in a plurality of laps at equal intervals.

I det amerikanska patentet nr 4 226 504 föreslås ett system för skydd av*en optisk fiber från mekaniska pákänningar med hjälp av en mjuk, stötabsorberande tråd, som är lindad i spiralform runt fibern inuti en rörformig mantel; Det rekommenderade avståndet mellan varven ligger mellan l/4 och 12 tum eller mellan ca 6 och 250 mm. Den stötdämpande effekten av träden och manteln hindrar dem från att överföra något bety- dande radiellt tryck till fibern. I motsats till detta har det i spiral lindade elementet av väsentligen inkompressibelt material, t ex en metalltråd, som ingår i en anordning enligt föreliggande uppfinning, inte någon stötabsorberande effekt utan överför troget 10 15 20 25 30 35 458 067 3 radiellt tryck, vilket medför att fiberna deformeras i punkter som är åtskilda med halva varvens stigning.U.S. Patent No. 4,226,504 proposes a system for protecting an optical fiber from mechanical stresses by means of a soft, shock-absorbing wire wound helically around the fiber within a tubular sheath; The recommended distance between the turns is between l / 4 and 12 inches or between about 6 and 250 mm. The shock-absorbing effect of the trees and the mantle prevents them from transmitting any significant radial pressure to the fiber. In contrast, the helically wound element of substantially incompressible material, such as a metal wire, included in a device according to the present invention, has no shock absorbing effect but faithfully transmits radial pressure, which results in that the fibers are deformed at points which are separated by the pitch of half the turns.

Enligt ett mera speciellt särdrag för uppfinningen innefattar anordningen med fördel dessutom ett böjligt hölje, vilket består av väsentligen inkompressibelt material och omger fibern, eller åtminstone det avsnitt av den som skall utsättas för deformationen, som del av de trycköverförande organen. Det spiralformade elementet kan i själva verket bestå av en invändig eller utvändig ribba hos ett sådant skyddande hölje.According to a more special feature of the invention, the device advantageously further comprises a flexible casing, which consists of substantially incompressible material and surrounds the fiber, or at least the section of it to be subjected to the deformation, as part of the pressure transmitting means. The helical element may in fact consist of an inner or outer rib of such a protective casing.

För optimal prestanda skall naturligtvis stigningen -för varven väljas så att det axiella avståndet mellan tryckpunkterna uppfyller det ovannämnda periodicitets- villkoret. Det optimala avståndet är, såsom kommer att framgå i det följande, av storleksordningen nâgra millimeter.For optimum performance, of course, the pitch -for the turns must be chosen so that the axial distance between the pressure points satisfies the above-mentioned periodicity condition. The optimum distance is, as will be seen below, of the order of a few millimeters.

Den optiska fibern omges företrädesvis av den väsentligen inkompressibla tråden i överensstämmelse med föreliggande uppfinning och kan ingå i en matta eller liknande, i vilken givaren oundvikligen utsätts för en böjning till följd av den struktur i vilken den ingår. Det har visat sig att infogandet av den optiska fibern, vilken omges av tråden i ett spiral- formigt mönster, i en sådan matta, eller användningen av fiber som en tryckgivare, varvid fiberns orientering nödvändiggör en viss böjning av fibern, kan genomföras om tryckgivarens krökningsradie R hålls över en minimi- krökningsradie, vid vilken statiska förluster upphör.The optical fiber is preferably surrounded by the substantially incompressible wire in accordance with the present invention and may be included in a mat or the like, in which the transducer is inevitably subjected to a bending due to the structure in which it is incorporated. It has been found that the insertion of the optical fiber, which is surrounded by the wire in a helical pattern, into such a mat, or the use of fiber as a pressure sensor, the orientation of the fiber necessitating a certain bending of the fiber, can be performed if the radius of curvature of the pressure sensor R is maintained over a minimum radius of curvature, at which static losses cease.

När kabeln är böjd så att dess krökningsradie är mindre än en förutbestämd minimikrökningsradie ökar närmare bestämt de statiska förlusterna som beror på åtspän- ningen av spiralen med minskande krökningsradie för böjningen.More specifically, when the cable is bent so that its radius of curvature is less than a predetermined minimum radius of curvature, the static losses due to the tension of the coil with decreasing radius of curvature of the bend increase.

Det har visat sig att minimikrökningsradien R som kabeln eller givaren kan klara kan definieras med ekvationen 2 f Emm: P . 2¶2 g (f+g) 458 067 10 15 20 25 30 35 4 där p är spiralens stigning, f är den optiska fiberns diameter, g är spelet mellan den optiska fibern och tråden, vilket också kan betecknas som den radiella bredden av mellanrummet (genomsnitt) mellan tråden och den optiska fibern.It has been found that the minimum curvature radius R that the cable or sensor can handle can be defined by the equation 2 f Emm: P. 2¶2 g (f + g) 458 067 10 15 20 25 30 35 4 where p is the pitch of the spiral, f is the diameter of the optical fiber, g is the clearance between the optical fiber and the wire, which can also be referred to as the radial width of the gap (average) between the wire and the optical fiber.

Det har också visat sig att även om en metalltràd, såsom har noterats ovan, är användbar när den optiska fibern har cirkulärt tvärsnitt är det mycket fördelak- tigt att använda en polymerisk tràd.som spiralen. Även om man skulle kunna tro att praktiskt taget vilken som helst polymerisk tråd skulle kunna utnyttjas ändamåls- enligt för detta ändamål är polymeriska material, såsom nylon, som man skulle kunna tro skulle ge de bästa resultaten, mindre ändamålsenliga än polyester, som krymper mindre vid uppvärmning.It has also been found that although a metal wire, as noted above, is useful when the optical fiber has a circular cross-section, it is very advantageous to use a polymeric wire as the coil. Although one would think that virtually any polymeric thread could be used for this purpose, polymeric materials, such as nylon, which one would think would give the best results, are less effective than polyester, which shrinks less at heating.

Det har dessutom visat sig fördelaktigt att fästa tråden på plats med hjälp av något bindemedel, företrä- desvis ett kiselgummi.It has also proved advantageous to fasten the wire in place with the aid of some adhesive, preferably a silicone rubber.

Ovannämnda och andra särdrag med uppfinningen kom- mer nu att beskrivas i detalj under hänvisning till bi- fogade ritningar, pà vilka: t fig 1 är en i viss mån schematisk perspektivvy med bortbrutna partier och visar en tryckdetektor enligt uppfinningen; - fig 2 är en ofullständig perspektivvy och visar en modifierad tryckdetektor enligt uppfinningen; fig 3, 4 och 5 är vyer som svarar mot den i fig 2 och visar andra modifieringar; fig 6, 7 och 8 är diagram som hör samman med den förbättrade tryckdetektorns funktion; fig 9 är en schematisk planvy av ett medel för bestämning av den optimala periodiciteten för tryck- punkterna-för en optisk fiber, som används i en anord- ning enligt någon av fig l-5; fig_l0 är en tvärsnittsvy i vertikalprojektion av en del av en apparat som utnyttjar anordningen i fig l; 10 15 20 25 30 35 458 067 5 fig ll är en schematisk vy och visar mått som är relevanta för den optiska fiberns böjning; fig 12 är ett diagram, som avser överskottsförlus- ter i decibel som funktion av krökningsradien för trádspiralstigningar av en våglängd A respektive tre våglängder, 3A.The above and other features of the invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings, in which: Fig. 1 is a somewhat schematic perspective view with broken away portions and shows a pressure detector according to the invention; Fig. 2 is an incomplete perspective view showing a modified pressure detector according to the invention; Figures 3, 4 and 5 are views similar to that of Figure 2 showing other modifications; Figs. 6, 7 and 8 are diagrams associated with the operation of the improved pressure detector; Fig. 9 is a schematic plan view of a means for determining the optimum periodicity of the pressure points of an optical fiber used in a device according to any one of Figs. 1-5; Fig. 10 is a cross-sectional view in vertical projection of a part of an apparatus utilizing the device of Fig. 1; Fig. 11 is a schematic view showing dimensions relevant to the bending of the optical fiber; Fig. 12 is a diagram referring to excess losses in decibels as a function of the radius of curvature of wire spiral inclinations of one wavelength A and three wavelengths, 3A, respectively.

I fig l visas en uppfinningsenlig tryckdetekterande anordning, vilken innefattar en kabel l, vilken inklude- rar en optisk fiber 2, vars ena ände belyses av en ljuskälla 3 och vars andra ände vetter mot en fotodetek- tor 4. En företrädesvis metallisk, väsentligen inkom- pressibel tråd 5 är lindad i spiral runt fibern 2 inuti ett böjligt, cylindrisk hölje 6, vilket också består av ett väsentligen inkompressibelt material, t ex ett metalliskt eller hartsaktigt folie.Fig. 1 shows a pressure detecting device according to the invention, which comprises a cable 1, which includes an optical fiber 2, one end of which is illuminated by a light source 3 and the other end of which faces a photodetector 4. A preferably metallic, substantially incoming compressible wire 5 is wound in a spiral around the fiber 2 inside a flexible, cylindrical casing 6, which also consists of a substantially incompressible material, for example a metallic or resinous foil.

Vid drift är kabeln 1 i fig l placerad mellan två, i ett par anordnade, platta käftar, vilka exempel- vis består av ett underlag 10 och en tryckplatta ll, såsom visas i fig 10. Underlaget 10 är en del av en struktur, som också innefattar ett lock 9, vilket är åtskilt från underlaget medelst stänger 12. Utrymmet mellan locket 9 och plattan ll upptas av en tryckgene- rator l3, såsom en piezoelektrisk omvandlare, vilken utvidgar sig och drar ihop sig i vertikalled som svar på en alternerande elektrisk signal, som matats till en ingång 14. Sådana piezoelektriska omvandlare är tillgängliga från firman Physik Instruments (PI), Waldbronn/Karlsruhe, Västtyskland. En utvidgning av blocket 13, vilket är stagat mot locket 9, medför att ett tryck kommer att utövas på plattan ll, vilket resulterar i inbördes inverterade deformationer av fibern 2 vid "topparna" och "bottnarna“ av det spiralfor- made elementets 5 varv. Dessa deformationer kommer, såsom diskuterades ovan, att dämpa det ljus som trans- mitteras genom fibern från källan 3 till ljusdetektorn 4 Åfig l).In operation, the cable 1 in Fig. 1 is placed between two, in a pair arranged, flat jaws, which for example consist of a support 10 and a pressure plate 11, as shown in Fig. 10. The support 10 is a part of a structure which also comprises a lid 9, which is separated from the base by means of rods 12. The space between the lid 9 and the plate 11 is occupied by a pressure generator 13, such as a piezoelectric transducer, which expands and contracts vertically in response to an alternating electric signal, which is fed to an input 14. Such piezoelectric transducers are available from the company Physik Instruments (PI), Waldbronn / Karlsruhe, West Germany. An extension of the block 13, which is braced against the cover 9, means that a pressure will be exerted on the plate 11, which results in mutually inverted deformations of the fiber 2 at the "tops" and "bottoms" of the turns of the helical element 5. These deformations will, as discussed above, attenuate the light transmitted through the fiber from the source 3 to the light detector 4 (Fig. 1).

Kabeln l i fig l och 10 med dess hölje 6 med 458 067 10 15 20 25 30 35 6 cirkulärt tvärsnitt kan föras in mellan käftarna 10 och ll i vilket som helst vinkelläge relativt dessas axel.The cable 1 in Figs. 1 and 10 with its casing 6 with a circular cross-section 6 can be inserted between the jaws 10 and 11 in any angular position relative to their axis.

Trådspolen 5 är emellertid i viss mån motstàndskraftig mot kompression, vilket betyder att denna anordning endast är lämplig för detektering av tryck över en viss minimistorlek. En mer tryckkänslig kabel la, vil- ken delvis visas i fig 2, innefattar en tråd Sa, vilken har tillplattade varv och vilken omges av ett på samma sätt tillplattat hölje Ga med i huvudsak elliptisk tvärsektion. Inneravståndet i höljet Ga i riktning- en för dess lillaxel motsvarar fiberdiametern plus två gånger tråddiametern, under det att dess avstånd vinkel- rätt mot lillaxeln är avsevärt större. En sådan kabel la kan endast spännas mellan käftarna 10 och ll i den i fig 10 visade apparaten i två l80° åtskilda vinkellägen.However, the wire spool 5 is to some extent resistant to compression, which means that this device is only suitable for detecting pressure above a certain minimum size. A more pressure-sensitive cable 1a, which is partly shown in Fig. 2, comprises a wire Sa, which has flattened turns and which is surrounded by a similarly flattened housing Ga with a substantially elliptical cross-section. The inner distance in the housing Ga in the direction of its small axis corresponds to the fiber diameter plus twice the wire diameter, while its distance perpendicular to the small axis is considerably larger. Such a cable 1a can only be tensioned between the jaws 10 and 11 in the apparatus shown in Fig. 10 at two angular positions separated by 180 °.

Motståndet i de långa delarna av tràdslingorna mot radiellt tryck är emellertid väsentligen lägre än i den i fig l visade tråden.However, the resistance in the long sections of the wire loops to radial pressure is substantially lower than in the wire shown in Fig. 1.

Den ökade deformerbarheten för strukturen i fig 2 förhindrar å andra sidan användningen av den vid för- höjda tryck. I fig 3 visas en modifiering av konstruk- tionen, vilken avhjälper denna nackdel och enligt vilken en kabel lb innefattar en tråd Sb och ett hölje 6b, som är likadana som sina motsvarigheter i fig 2, tillsam- mans med tvà metallstängèr 7, som pá avstånd från var- andra flankerar fibern 2 inuti trädens slingor. Stäng- ernas 7 tjocklek är något mindre än fiberdiametern och är så vald att fiberns deformation vid maximalt tryck begränsas. Upp till denna gräns är emellertid tråden Sb och höljet Gb fortfarande mycket känsliga för trans- versellt tryck som utövas exempelvis av den i fig l0 visade apparaten.On the other hand, the increased deformability of the structure in Fig. 2 prevents the use of it at elevated pressure. Fig. 3 shows a modification of the construction, which overcomes this disadvantage and according to which a cable 1b comprises a wire Sb and a casing 6b, which are similar to their counterparts in Fig. 2, together with two metal rods 7, which on distance from each other, the fiber 2 flanks inside the loops of the trees. The thickness of the rods 7 is slightly smaller than the fiber diameter and is chosen so that the deformation of the fiber at maximum pressure is limited. Up to this limit, however, the wire Sb and the housing Gb are still very sensitive to transverse pressure exerted, for example, by the apparatus shown in Fig. 10.

Under alla omständigheter kan höljet som omger fibern också vara tillverkat av transparent material för möjliggörande av visuell detektering av ljus som kommer ut frán den belysta fibern. Detta visas i fig 4, där ett transparent hölje 60, vilket utgör del 10 15 20 25 30 35 458 067 7 av en kabel lc, har samma rörform som höljet 6 i fig l. I fig 4 visas också att metalltràden i de föregående utföringsformerna kan ersättas av en spiralformad eller skruvformad ribba Sc, vilken är utformad i ett stycke med höljet på dettas insida. Ett lämpligt mate- rial för höljet 6c och dess ribbor 5c kan vara ett polyakrylat.In any case, the casing surrounding the fiber can also be made of transparent material to enable visual detection of light coming out of the illuminated fiber. This is shown in Fig. 4, where a transparent sheath 60, which forms part of a cable 1c, has the same tubular shape as the sheath 6 in Fig. 1. In Fig. 4 it is also shown that the metal wires in the previous embodiments can be replaced by a helical or helical rib Sc, which is formed in one piece with the housing on its inside. A suitable material for the casing 6c and its ribs 5c may be a polyacrylate.

Det är vidare inte absolut nödvändigt att det skruvformigt lindade elementet är placerat inuti höljet.Furthermore, it is not absolutely necessary that the helically wound element is placed inside the housing.

En kabel ld, vilken för övrigt är likadan som de i fig l-4, har sålunda, såsom visas i fig S, ett hölje 6d, vilket är försett med en utvändig, spiralformig ribba Sd. Ribban kan liksom tidigare vara anordnad i ett stycke med höljet, men kan också utformas genom parti- ellt avlägsnande av ett skikt av metall eller något annat lämpligt material, som är förbundet med utsidan av höljet 6d, vilket i detta fall tätt omger den optiska fibern 2. När kabeln ld används i apparaten i fig 10 ligger dess käftar 10 och ll naturligtvis an direkt mot elementet Sd för deformering av fibern 2 via höl- jet 6d.A cable 1d, which is otherwise similar to those in Figs. 1-4, thus has, as shown in Fig. 5, a casing 6d, which is provided with an external, helical rib Sd. As before, the rib can be arranged in one piece with the casing, but can also be formed by partially removing a layer of metal or some other suitable material, which is connected to the outside of the casing 6d, which in this case tightly surrounds the optical fiber. 2. When the cable 1d is used in the apparatus of Fig. 10, its jaws 10 and 11 of course abut directly against the element Sd for deforming the fiber 2 via the housing 6d.

Optiska fibrer kan också framställas med ett spiralformigt vridet polarisatíonsplan. Se t ex en artikel av A. J. Barlow, J. J. Ramskov Hansen och D. N. Payne med titeln fßirefringence and polarizatíon mode-dispersion in spun single-mode fibres", publice- rad i september l98l i Applied Optics, Vol. 20, sid 2962.Optical fibers can also be produced with a helically twisted plane of polarization. See, for example, an article by A. J. Barlow, J. J. Ramskov Hansen, and D. N. Payne entitled "Freirefringence and polarization mode-dispersion in spun single-mode fibers", published in September 1988 in Applied Optics, Vol. 20, p. 2962.

I detta fall bör det skruvformiga, trycköverförande elementet ha samma stigning som och vara inriktat med fiberns vridna polarisationsplan.In this case, the helical, pressure-transmitting element should have the same pitch as and be aligned with the twisted plane of polarization of the fiber.

I fallet med ordinära optiska fibrer, som har en kärna med medelbrytningsindex nc och ett yttre omrâde eller en mantel med lägre brytningsindex no har den kritiska periodiciteten för deformationerna en våglängd som ges av Field's ekvation enligt Å = Zﬂr/(2A)1/2 där r är fiberkärnans radie och 2Å = 1”no2!nc2; (1) (2) 458 067 10 15 20 25 30 35 8 ekvation (l) kan sålunda skrivas om som Ä _ 2¶r g n 2 ' ¿'1- n-°- (3) \' C Den numeriska aperturen NA för fibern ges av 1/2 NA = Kärnbrytningsindex nc kan sålunda beräknas med hjälp av mantelns index n NA. 0 och den numeriska aperturen I ett speciellt exempel användes en fiber med progressivt varierande brytningsindex, vilken är till- gänglig under beteckningen Corning nr 41 292 205.In the case of ordinary optical fibers, which have a core with a mean refractive index nc and an outer region or a sheath with a lower refractive index no, the critical periodicity of the deformations has a wavelength given by Field's equation according to Å = Z ﬂ r / (2A) 1/2 where r is the radius of the fiber core and 2Å = 1 ”no2! nc2; (1) (2) 458 067 10 15 20 25 30 35 8 equation (l) can thus be rewritten as Ä _ 2¶rgn 2 '¿' 1- n- ° - (3) \ 'C The numerical aperture NA for the fiber is given by 1/2 NA = Core refractive index nc can thus be calculated using the sheath index n NA. 0 and the numerical aperture In a special example, a fiber with a progressively varying refractive index is used, which is available under the designation Corning No. 41 292 205.

Fibern hade en kärndiameter av 60 u, en manteldiameter av 125 u och en numerisk apertur av 0,201. Dess dämpning för ljus med en våglängd av 820 nm var 4,2 dB/km.The fiber had a core diameter of 60 μ, a sheath diameter of 125 μ and a numerical aperture of 0.201. Its attenuation for light with a wavelength of 820 nm was 4.2 dB / km.

Fibern hade ett mantelindex no = 4,458 och ett kärnindex HC = 1,472. Beräkning gav värdena A = 9,33 x 1o'3 och Å = 1,380 mm.The fiber had a mantle index no = 4.458 and a core index HC = 1.472. Calculation gave the values A = 9.33 x 10 -3 and Å = 1.380 mm.

För en experimentell bestämning av den kritiska perioden A fästes två avsnitt av fibern mellan tvâ skivor, vilka var och en på en av sina sidor var försedd med tio tätt intill varandra anordnade, cylindriska ståltappar, som var parallella med en av dess diametrar.For an experimental determination of the critical period A, two sections of the fiber were fastened between two discs, each of which was provided on one of its sides with ten closely spaced cylindrical steel pins parallel to one of its diameters.

Tapparna på de två skivorna var inbördes förskjutna med halva sin diameter. Fig 9 visar en sådan skiva 7 tillsammans med dess tappar 8 och en böjd fiber 2, som bildar en vinkel u med en diameter vinkelrätt mot tapparna. Genom att ändra vinkeln u kan man ändra avståndet mellan kontaktpunkterna P mellan fiberavsnitten och tapparna. För u = 0 motsvarar avståndet tappdia- metern. Tester som utfördes med tre sådana skivpar med tappdiametrar av l,0;°l,5 resp 3,0 mm gav den i fig 6 visade kurvan med dämpningen (i dB) plottad mot mellanrummet mellan tryckpunkterna P (i mm).The pins on the two discs were mutually offset by half their diameter. Fig. 9 shows such a disc 7 together with its pins 8 and a bent fiber 2, which forms an angle u with a diameter perpendicular to the pins. By changing the angle u, you can change the distance between the contact points P between the fiber sections and the pins. For u = 0, the distance corresponds to the pin diameter. Tests performed with three such disc pairs with pin diameters of 1.0, 0.5, and 3.0 mm, respectively, gave the curve shown in Fig. 6 with the attenuation (in dB) plotted against the gap between the pressure points P (in mm).

Kurvan visar en huvudtopp vid 1,346 m, vilket överensstämmer ganska väl med det beräknade värdet av Ä = 1,380 mm. .o l0 15 20 25 30 35 458 067 9 En annan mindre topp finns vid 4,1 m och motsvarar den tredje övertonen för denna period, d v s 31. Åt- klämningstrycket var ca 250 g.The curve shows a main peak at 1,346 m, which corresponds quite well with the calculated value of Ä = 1,380 mm. .o l0 15 20 25 30 35 458 067 9 Another smaller peak is found at 4.1 m and corresponds to the third harmonic for this period, i.e. 31. The clamping pressure was about 250 g.

I fig 7 visas dämpningens variation vid den op- timala mellanrummet Å mellan deformationspunkterna P med àtklämningstrycket (i g). Dämpningen mäts för en effektiv fiberlängd (som omfattar de avsnitt som utsätts för deformation) av 29,92 mm som ges av 20 Å med arrangemanget i fig 9. Kurvan i fig 7 är nästan linjär i ett omrâde från 100-300 g med en lutning av 0,526 dB/g som reprensenterar anordningens tryck- känslighet. Vid ett åtklämningstryck av 300 g var den specifika dämpningen 4,67 dB/cm, den beräknade distortionen för fibern 2,85 u och den beräknade pá- känningen 16,5 kg/mm2.Fig. 7 shows the variation of the damping at the optimal gap Å between the deformation points P with the clamping pressure (in g). The attenuation is measured for an effective fiber length (comprising the sections subjected to deformation) of 29.92 mm given by 20 Å with the arrangement in Fig. 9. The curve in Fig. 7 is almost linear in a range from 100-300 g with a slope of 0.526 dB / g which represents the pressure sensitivity of the device. At a clamping pressure of 300 g, the specific attenuation was 4.67 dB / cm, the calculated distortion of the fiber 2.85 u and the calculated stress 16.5 kg / mm2.

En serie av tester som utfördes med en kabel av den i fig l visade konstruktionen med en fiber av nämnda typ gav de i tabell l nedan listade resultaten.A series of tests performed with a cable of the construction shown in Fig. 1 with a fiber of said type gave the results listed in Table 1 below.

Det spiralformiga elementet 5 var en pianosträng med diametern 0,1 mm. Test nr l och 2 utfördes på samma kabel med olika stigning för strängen, varvid visas den signifikant ökade känsligheten när stigningen blir lika med 2 A, d v s två gånger det i ekvation (3) givna värdet, i överensstämmelse med test nr 2.The helical element 5 was a piano string with a diameter of 0.1 mm. Tests Nos. 1 and 2 were performed on the same cable with different pitch for the string, showing the significantly increased sensitivity when the pitch becomes equal to 2 A, i.e. twice the value given in equation (3), in accordance with test # 2.

Test nr 3 utfördes utan hölje, under det att höljen som skilde sig från de som utnyttjades i de första två testen användes i test nr 4 och S. De två numeriska värden som står intill materialet för höljet repre- senterar ytter- och innerdiameter. De sista fyra testen utfördes alla med den optimala stigningen av 2 x 1,35 mm.Test No. 3 was performed without casing, while the casings different from those used in the first two tests were used in Test Nos. 4 and S. The two numerical values adjacent to the material of the casing represent outer and inner diameters. The last four tests were all performed with the optimal pitch of 2 x 1.35 mm.

TABELL 1 Test Periodicitet Hölje Känslighet Nr. (mm) (dB/5 kg) 1 1,2 "Novoplast" 1,3/0,5 mm 1,65 2 1,35 "Novoplast" 1,3/0,5 mm 8,00 458 067 10 15 20 25 30 35 10 TABELL 1 (fortsättning) Test Periodicitet Hölje Känslighet Nr. (mm) (dB/S kg) 3 1,35 Inget 17,10 4 1,35 "Teflon" 1,2/0,5 mm 0,75 5 1,35 Flätning av koppar och 7,10 "Plastosyn" 1,8/1,0 mm En ytterligare test utfördes på en kabel av den i fig 1 visade typen, vilken lindades två gånger runt en cylinder med diametern 1 cm, varvid erhölls en dämpning ev 0,37 de 1 jämförelse med 0,40 ds för dess optiska fiber, när denna lindades tvà gånger runt samma cylinder utan tråden 5 och höljet 6. Denna test visar att kabelstrukturen minskar förlusterna som introduceras i en optisk fiber som böjs i bågar med liten radie.TABLE 1 Test Periodicity Enclosure Sensitivity Nr. (mm) (dB / 5 kg) 1 1.2 "Novoplast" 1.3 / 0.5 mm 1.65 2 1.35 "Novoplast" 1.3 / 0.5 mm 8.00 458 067 10 15 20 25 30 35 10 TABLE 1 (continued) Test Periodicity Enclosure Sensitivity Nr. (mm) (dB / S kg) 3 1.35 None 17.10 4 1.35 "Teflon" 1.2 / 0.5 mm 0.75 5 1.35 Braiding of copper and 7.10 "Plastosyn" 1 , 8 / 1.0 mm A further test was performed on a cable of the type shown in Fig. 1, which was wound twice around a cylinder with a diameter of 1 cm, whereby a damping possible of 0.37 de 1 was obtained in comparison with 0.40 ds for its optical fiber, when it was wound twice around the same cylinder without the wire 5 and the casing 6. This test shows that the cable structure reduces the losses introduced into an optical fiber which is bent into arcs of small radius.

En kabel som motsvarar den som användes i test nummer 3 men med förlängda trådslingor (såsom visas i_fig 2) med en excentricitet av ca 3 testades också och visade sig ha en känslighet av 11,1 dB/kg. Detta är ungefär tre gånger den känslighet som uppmättes i test nummer 3. När kabèln lindades på det tidigare beskrivna sättet runt en cylinder med diametern 1 cm blev den resulterande dämpningen 0,20 dB. Detta indikerar att känslighetsförstärkningen inte erhålls på bekostnad av statiska förluster i bågar med betydande krökning.A cable similar to that used in test number 3 but with extended wire loops (as shown in Fig. 2) with an eccentricity of about 3 was also tested and found to have a sensitivity of 11.1 dB / kg. This is approximately three times the sensitivity measured in test number 3. When the cable was wound in the previously described manner around a cylinder with a diameter of 1 cm, the resulting attenuation became 0.20 dB. This indicates that the sensitivity gain is not obtained at the expense of static losses in arcs with significant curvature.

Ytterligare tester utfördes på en struktur utan hölje av den typ som visas i fig 3, vars stänger 7 hade en tjocklek av 0,1 m och en bredd av 0,5 mm.Further tests were performed on a structure without casing of the type shown in Fig. 3, whose rods 7 had a thickness of 0.1 m and a width of 0.5 mm.

Elementet Sb var en ståltråd med diametern 0,15 mm, som var punktsvetsad pá båda sidorna av stängerna 7. Med en stigning som åter var vald i överensstämmelse med den optimala periodicitet som ges av 1 = 1,35 mm visade sig den maximala statiska känsligheten för denna struktur vara 0,03 dB/g, vilket är jämförbart 10 15 20 25 30 35 458 067 ll med det som erhölls för en fiber som var fäst mellan käftar med tänder (såsom exempelvis visas i det ovan- nämnda svenska patentet nr 410 521). Förlusten som bestämdes vid lindning av strukturen runt en cylinder med diametern l cm, såsom beskrevs ovan, var så låg som 0,098 dB.The element Sb was a steel wire with a diameter of 0.15 mm, which was spot welded on both sides of the bars 7. With a pitch that was again selected in accordance with the optimal periodicity given by 1 = 1.35 mm, the maximum static sensitivity was found. for this structure be 0.03 dB / g, which is comparable to that obtained for a fiber which was attached between jaws with teeth (as shown, for example, in the above-mentioned Swedish patent no. 410 521). The loss determined when winding the structure around a cylinder 1 cm in diameter, as described above, was as low as 0.098 dB.

Samma struktur placerades i en apparat av den i fig 10 visade typen och modulationsdjupet (i %) mättes som funktion av intensiteten för det trans- mitterade ljuset i intervallet från 0-100% av den maximalt transimitterbara strålningen. Den pálagda exciteringssignalen hade en topp-till-topp-spännings- skillnad av 20 V, vilket med en piezoelektrisk omvandlare med en expansionskoefficient av l p per 100 V mot- svarar en förskjutning av 0,2 p. Ett maximalt modula- tionsdjup lika med ca l2% erhölls, såsom visas i fig 8, med 40% ljustransmíssion. Signal/brusförhållandena (S/N) för olika bandbredder för den pâlagda signalen är listade i tabell II nedan.The same structure was placed in an apparatus of the type shown in Fig. 10 and the modulation depth (in%) was measured as a function of the intensity of the transmitted light in the range from 0-100% of the maximum transmissible radiation. The applied excitation signal had a peak-to-peak voltage difference of 20 V, which with a piezoelectric converter with an expansion coefficient of lp per 100 V corresponds to an offset of 0.2 p. A maximum modulation depth equal to approx. 12% was obtained, as shown in Fig. 8, with 40% light transmission. The signal-to-noise ratios (S / N) for different bandwidths of the applied signal are listed in Table II below.

TABELL Ii Bandbredd S/N-förhållande 1 az 2,9'1o+3 10 az 1,2'1o+3 s knz 1 s,4°1o+2 Genom att dividera den förutnämnda förskjutningen av 0,2 p med värdena för S/N-förhållandet erhålls den minimiförskjutning som är nödvändig för S/N-för- hállandet 1. Med en bandbredd av l Hz enligt den första raden i tabell II blir denna minimiförskjutning så liten som 0,69 Å.TABLE Ii Bandwidth S / N ratio 1 az 2.9'1o + 3 10 az 1.2'1o + 3 s knz 1 s, 4 ° 1o + 2 By dividing the aforementioned offset by 0.2 p with the values for The S / N ratio obtains the minimum offset necessary for the S / N ratio 1. With a bandwidth of 1 Hz according to the first row in Table II, this minimum offset is as small as 0.69 Å.

Modulationsdjupet varierar väsentligen linjärt med excitationsspänningen upp till ca 150 V som mot- svarar en förskjutning av 1,5 u. Detta visar att en anordning enligt uppfinningen är mycket lämpad att användas som en analog modulator.The modulation depth varies substantially linearly with the excitation voltage up to about 150 V which corresponds to an offset of 1.5 u. This shows that a device according to the invention is very suitable for use as an analog modulator.

Det finns, såsom framgår av fig ll, en minimi- 458 067 10 15 20 25 30 35 12 krökningsradie R, med vilken den optiska fibern 2 kan böjas, när den är omlindad med en spiralformig tråd 5, t ex en polyestertråd, varvid ingen överskotts- förlust uppkommer till följd av böjningen av den op- tiska tråden. Denna minimikrökningsradie hör samman med parametrar för den spiralformiga líndningen. Såsom framgår av fig ll kan mellanrummet g mellan tråden 5 och den optiska fibern 2 varieras, stigningen p för spiralen varieras och diametern för fibern f varie- ras för inställning av värdet Rmm med förhållandet i överensstämmelse 2 P 2¶2 f g (f+g) RIIIIII för anpassning till behovet att anbringa givaren på olika mattor och liknande i vilka givaren böjs.There is, as shown in Fig. 11, a minimum radius of curvature R with which the optical fiber 2 can be bent when it is wrapped with a helical wire 5, for example a polyester wire, no excess loss arises as a result of the bending of the optical wire. This minimum radius of curvature is associated with parameters of the helical winding. As can be seen from Fig. 11, the space g between the wire 5 and the optical fiber 2 can be varied, the pitch p of the spiral can be varied and the diameter of the fiber f can be varied to set the value Rmm with the ratio in accordance 2 P 2¶2 fg (f + g ) RIIIIII for adaptation to the need to place the sensor on different mats and the like in which the sensor is bent.

Såsom framgår av diagrammet för överskottsförluster mätta som en funktion av krökningsradien (fig 12) ligger de uppmätta resultaten nära de som bestäms teoretiskt med denna formel, där stigningen är approxi- mativt lika med en våglängd Å. Avvikelser föreligger dä stigningen är 3 Å men detta fall är knappast av intresse ur praktiskt synvinkel eftersom givaren är nio gånger känsligare för böjning än vid en stigning av A för samma mellanrum*mellan fibern och den därikring lindade tråden.As can be seen from the diagram for excess losses measured as a function of the radius of curvature (Fig. 12), the measured results are close to those determined theoretically by this formula, where the slope is approximately equal to a wavelength Å. Deviations exist when the slope is 3 Å but this case is hardly of interest from a practical point of view because the sensor is nine times more sensitive to bending than with a pitch of A for the same space * between the fiber and the wire wound around it.

För att åstadkomma en spiral av tråden runt den optiska fibern med det önskade medelmellanrummet och en stigning av ca Ä = 1,35 kan polyestertráden lindas runt ett mikrorör, genom vars inre den optiska fibern föres i axiell led. Tråden lindas på mikroröret med sina varv i kontakt med varandra, d v s med en stigning som motsvarar trädens diameter. Mikrorörets diameter väljs så att det kommer att definiera det önskade spelet eller mellanrummet mellan den optiska fibern och spiralen.To provide a spiral of the wire around the optical fiber with the desired average spacing and a pitch of about = = 1.35, the polyester wire can be wound around a microtube, through which the optical fiber is passed in the axial direction. The wire is wound on the microtube with its turns in contact with each other, i.e. with a pitch corresponding to the diameter of the trees. The diameter of the microtube is chosen so that it will define the desired clearance or the gap between the optical fiber and the coil.

Om lindningen av polyestertràden och mikroröret utföres vid en hastighet av exempelvis 220 varv per 10 15 458 067 13 minut dras den optiska fibern axiellt genom röret med en hastighet av 220 x 1,35 mm per minut, vilket motsvarar stigningen Å för spiralen. v Vid varje vridning kommer ett varv av spiralen I att överföras från mikroröret till den optiska fibern, så att både den önskade stigningen för den optiska fiberns spiral och det önskade mellanrummet utformas utan alstring av mikroparasitiska, statiska mikrokrök- ningar.If the winding of the polyester thread and the microtube is carried out at a speed of, for example, 220 revolutions per minute, the optical fiber is pulled axially through the tube at a speed of 220 x 1.35 mm per minute, which corresponds to the pitch Å of the spiral. At each rotation, one revolution of the coil I will be transmitted from the microtube to the optical fiber, so that both the desired pitch of the optical fiber coil and the desired spacing are formed without the generation of microparasitic, static micro-curvatures.

Det bästa resultatet erhålles när träden är en polyester, vilken efter glödgningsuppvärmning av träden innan denna anbringas på den optiska fibern endast krymper ca 1% när den upphettas till 100°. Mera gene- rellt bör tràden krympa högst l,5% när den upphettas från 20°C till 100°C.The best result is obtained when the trees are a polyester, which after annealing heating the trees before it is applied to the optical fiber only shrinks about 1% when heated to 100 °. More generally, the threads should shrink by no more than 1.5% when heated from 20 ° C to 100 ° C.

Claims

458 067 10 15 20 25 30 14 PATENT REQUIREMENTS

Pressure detection device, characterized by an optical fiber (2), which has a diameter f and at least one curvature with a radius of curvature R, a light source (3), which is arranged next to one end of the optical the fiber (2) for inserting a light beam therein, a photodetector (4), which is placed for reception in the light beam at an opposite end of the optical fiber (2) and which is arranged to detect changes in the light beam, which changes represent pressure applied to the optical fiber (2) between its ends, and a wire (5a-d) of substantially incompressible material, which is wound around the optical fiber (2) in a spiral with a pitch p and with an average distance g between the coil and the optical fiber, the radius of curvature R being greater than a minimum value defined by the equation __ïí.a_í_í__.

Device according to claim 1, characterized in that the pitch p corresponds to a wavelength Å of the light beam. a

Device according to claim 1, characterized in that the spiral is a circular spiral and that the fiber has a circular cross-section. n a d

Device according to claim 3, characterized in that the wire consists of a polymeric material, which shrinks by a maximum of 1.5% when the temperature is raised from 20 ° C to 100 ° C.

Device according to claim 4, characterized in that the thread is a polyester,