SK289077B6 - Optical sensor of the magnitude and operation place of external force - Google Patents

Optical sensor of the magnitude and operation place of external force Download PDF

Info

Publication number
SK289077B6
SK289077B6 SK42-2019A SK422019A SK289077B6 SK 289077 B6 SK289077 B6 SK 289077B6 SK 422019 A SK422019 A SK 422019A SK 289077 B6 SK289077 B6 SK 289077B6
Authority
SK
Slovakia
Prior art keywords
optical
external force
magnitude
environments
location
Prior art date
Application number
SK42-2019A
Other languages
Slovak (sk)
Other versions
SK422019A3 (en
Inventor
doc. Ing. Káčik Daniel, PhD.
doc. Ing. Tarjányi Norbert, PhD.
doc. RNDr. CSc. Turek Ivan
Original Assignee
Žilinská Univerzita V Žiline
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Žilinská Univerzita V Žiline filed Critical Žilinská Univerzita V Žiline
Priority to SK42-2019A priority Critical patent/SK289077B6/en
Publication of SK422019A3 publication Critical patent/SK422019A3/en
Publication of SK289077B6 publication Critical patent/SK289077B6/en

Links

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

Optical sensor of the magnitude and location of external force consists of two or more optical media (2), of the pistons (3) transmitting an external force simultaneously on optical media (2) and from the housing (4) in which the optical media (2) are embedded, wherein the optical parameters of at least one of the optical medias (2) depend on a coordinate measured along the optical media (2). An optical sensor of the magnitude and location of the external force can be used, for example, for weighing cars in motion and makes it possible to determine the place of passage, the speed as well as the distribution of the load.

Description

Oblasť technikyThe field of technology

Vynález sa týka optického snímača veľkosti a miesta pôsobenia sily. Vynález spadá do oblasti meracej a senzorovej techniky.The invention relates to an optical sensor for the size and location of the force. The invention falls into the field of measurement and sensor technology.

Doterajší stav technikyCurrent state of the art

Optické snímače sily sú zariadenia, ktoré pracujú na rôznych fyzikálnych princípoch. Tieto zariadenia umožňujú určiť veľkosť pôsobiacej sily použitím optických prostredí, ktorých optické prenosové parametre závisia od veľkosti pôsobiacej sily. Najčastejšie sa používa vplyv pôsobiacej vonkajšej sily na koeficient absorpcie (mikroohybové straty), zmenu polarizácie optického žiarenia, zmenu vlnovej dĺžky odrazeného optického žiarenia po prechode Braggovou mriežkou a na optickú dĺžku prostredia (rôzne typy optických interferometrov).Optical force sensors are devices that work on different physical principles. These devices make it possible to determine the magnitude of the applied force by using optical media whose optical transmission parameters depend on the magnitude of the applied force. The effect of the acting external force on the absorption coefficient (microbending losses), the change in the polarization of optical radiation, the change in the wavelength of the reflected optical radiation after passing through the Bragg grating and on the optical length of the environment (various types of optical interferometers) is most often used.

Optické snímače založené na využití týchto fyzikálnych princípov sú v súčasnosti vyvinuté a pomerne široko používané v rôznych aplikáciách, medzi ktoré patrí aj určovanie hmotnosti automobilov. Obyčajne sa pomocou optických snímačov určuje len jeden parameter, a to veľkosť pôsobiacej vonkajšej sily (SK 134-2018 U1 Zariadenie na meranie dynamickej sily pomocou optického vlákna). Ak je potrebné určiť aj miesto pôsobenia vonkajšej sily, tak sa použije ďalší snímač na zisťovanie miesta pôsobenia (CN101666660 (A) Vehicle load action position recognizing method based on fiber bragg grating sensing technology). Pri použití systému pozostávajúceho z viacerých nezávislých senzorov sily (KR100383818 (B1) System for weighing by fiber grating sensor) sa dá určiť okrem veľkosti aj miesto pôsobiacej sily. V tomto prípade presnosť určenia pôsobenia sily závisí od vzdialenosti použitých diskrétnych prvkov. Čím je väčší počet prvkov, tým presnejšie je určenie pôsobiska vonkajšej sily, no zároveň je konštrukcia systému aj vyhodnocovanie komplikovanejšie. Tieto nedostatky odstraňuje v tejto prihláške predkladaný optický snímač veľkosti a miesta pôsobiacej vonkajšej sily. Predkladaný optický snímač veľkosti a miesta pôsobiacej vonkajšej sily nie je viazaný na konkrétny fyzikálny princíp, takže môže byť realizovaný použitím optických snímačov využívajúcich vplyv vonkajšej pôsobiacej sily na rôzne prenosové parametre optického prostredia.Optical sensors based on the use of these physical principles are currently developed and fairly widely used in various applications, which include determining the weight of cars. Usually, only one parameter is determined using optical sensors, namely the magnitude of the applied external force (SK 134-2018 U1 Device for measuring dynamic force using an optical fiber). If it is also necessary to determine the place of action of the external force, then another sensor is used to detect the place of action (CN101666660 (A) Vehicle load action position recognizing method based on fiber bragg grating sensing technology). When using a system consisting of several independent force sensors (KR100383818 (B1) System for weighing by fiber grating sensor), it is possible to determine, in addition to the size, the location of the applied force. In this case, the accuracy of determining the action of the force depends on the distance of the discrete elements used. The greater the number of elements, the more accurate is the determination of the external force, but at the same time, the construction of the system and the evaluation are more complicated. These shortcomings are eliminated by the optical sensor of the size and location of the external force presented in this application. The presented optical sensor of the size and location of the external force is not bound to a specific physical principle, so it can be implemented using optical sensors using the influence of the external force on various transmission parameters of the optical environment.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Optický snímač veľkosti a miesta pôsobenia vonkajšej sily je realizovaný použitím dvoch alebo viacerých optických prostredí, ktorými prechádzajú optické lúče (vlny) a prenosové parametre týchto prostredí závisia od veľkosti vonkajšej sily pôsobiacej na optické prostredia, pričom aspoň jedno z týchto prostredí je také, že zmena prenosových parametrov vyvolaná pôsobiacou vonkajšou silou závisí nielen od veľkosti pôsobiacej sily, ale aj od miesta, v ktorom sila pôsobí. Tieto optické prostredia sú v takom usporiadaní, pri ktorom vonkajšia sila pôsobí súčasne na použité optické prostredia. V dôsledku odlišnej závislosti prenosových parametrov optických prostredí od miesta pôsobenia vonkajšej sily je odlišný aj optický stav na výstupe týchto prostredí. Optický stav je charakterizovaný amplitúdou, fázou a polarizáciou a všetky tieto charakteristiky sa dajú vhodným detektorom detegovať, takže závislosť ktoréhokoľvek z týchto parametrov od veľkosti pôsobiacej sily môže byť využitá na určenie veľkosti tejto sily a pri známej závislosti detegovaného prenosového parametra od veľkosti a miesta pôsobenia vonkajšej sily v jednotlivých prostrediach. Detekcia optického stavu na výstupe jednotlivých prostredí umožňuje určiť miesto a veľkosť pôsobiacej vonkajšej sily.The optical sensor of the magnitude and location of the external force is realized by using two or more optical environments through which optical rays (waves) pass, and the transmission parameters of these environments depend on the magnitude of the external force acting on the optical environments, while at least one of these environments is such that the change of transfer parameters caused by an acting external force depends not only on the size of the acting force, but also on the place in which the force acts. These optical environments are arranged in such a way that an external force acts simultaneously on the used optical environments. Due to the different dependence of the transmission parameters of optical environments on the location of the external force, the optical state at the output of these environments is also different. The optical state is characterized by amplitude, phase and polarization, and all these characteristics can be detected by a suitable detector, so the dependence of any of these parameters on the magnitude of the applied force can be used to determine the magnitude of this force, and with the known dependence of the detected transfer parameter on the magnitude and location of the external forces in individual environments. Detection of the optical state at the output of individual environments enables the location and magnitude of the acting external force to be determined.

Optické prostredia, ktorými sa optické lúče (vlny) šíria, môžu byť realizované ako vlnovody (optické vlákna), svetlovody alebo objekty s rozmermi mnohonásobne väčšími, ako je vlnová dĺžka použitého svetla, v ktorých sa optické lúče šíria ako v neobmedzenom prostredí (tyče).Optical environments through which optical rays (waves) propagate can be realized as waveguides (optical fibers), light guides or objects with dimensions many times greater than the wavelength of the light used, in which optical rays propagate as in an unlimited environment (rods) .

Vlastnosť optických snímačov určiť súčasne veľkosť sily a zároveň miesto jej pôsobenia sa prejaví ako výhoda napríklad pri určovaní hmotnosti automobilov pri ich pohybe. Navyše pri uložení snímača pod vhodným uhlom proti smeru pohybu vozidla jediný snímač umožňuje určiť nielen hmotnosť, ale aj rýchlosť prechádzajúceho automobilu, ako aj rozloženie hmotnosti nákladu.The property of optical sensors to simultaneously determine the magnitude of the force and the place of its action is manifested as an advantage, for example, in determining the weight of cars as they move. In addition, when the sensor is placed at a suitable angle against the direction of movement of the vehicle, a single sensor makes it possible to determine not only the weight, but also the speed of the passing car, as well as the distribution of the weight of the load.

Prehľad obrázkov na výkresochOverview of images on drawings

Na obr. 1 je uvedená schéma zapojenia optického snímača veľkosti a miesta pôsobenia vonkajšej sily a na obr. 2 je schematicky zakreslený rez optickým snímačom.In fig. 1 shows the circuit diagram of the optical sensor of the size and location of the external force, and in fig. 2 is a schematically drawn section of an optical sensor.

Príklady uskutočnenia vynálezuExamples of implementation of the invention

Optický snímač veľkosti a miesta pôsobenia vonkajšej sily uvedený v tomto príklade je založený na závislosti indexu lomu optických vln rôznych lineárnych polarizácií v polymetylmetakryláte od jeho deformácie v danom mieste.The optical sensor of the magnitude and location of the external force presented in this example is based on the dependence of the refractive index of optical waves of different linear polarizations in polymethyl methacrylate on its deformation at a given location.

Schematická zostava zapojenia snímača veľkosti a miesta pôsobiacej vonkajšej sily je znázornená na obr. 1. Optické žiarenie zo zdrojov 1 lineárne polarizovaného monochromatického svetla je naviazané do optických prostredí 2, ktoré sú v tomto príklade realizované dvomi tyčami 2a a 2b obdĺžnikového prierezu polymetylmetakrylátu. Pritom tyč 2a má v celej jej dĺžke rovnaký prierez a tyč 2b má hrúbku rovnakú ako tyč 2a a jej šírka sa rovnomerne so vzdialenosťou od začiatku tyče zväčšuje. Svetelné lúče sú po prechode tyčami 2a a 2b naviazané do dvoch detektorov 5a a 5b polarizačnej roviny, pozostávajúcich z detektorov intenzity svetla a polarizačných filtrov. Elektrický signál z detektorov 5a a 5b polarizačnej roviny je koaxiálnymi káblami 6 privedený do elektronickej vyhodnocovacej jednotky 7. Usporiadanie tyčí 2a a 2b v puzdre 4 optického snímača na určovanie veľkosti a miesta pôsobiacej vonkajšej sily je znázornené na obr. 2. a je také, aby pôsobenie vonkajšej sily na obe tyče 2a a 2b bolo rovnaké a súčasné. V dôsledku pôsobenia vonkajšej sily, ktorá prostredníctvom piestov 3 pôsobí na tyče 2a a 2b, sa orientácia polarizačnej roviny svetla prechádzajúceho tyčami 2a a 2b mení v závislosti od veľkosti ich deformácie, takže je určená veľkosťou pôsobiacej sily a šírkou tyčí 2a a 2b v mieste, ktoré je určené miestom pôsobiska vonkajšej sily.The schematic assembly of the connection of the sensor of the size and location of the external force is shown in fig. 1. Optical radiation from sources 1 of linearly polarized monochromatic light is coupled into optical environments 2, which in this example are realized by two rods 2a and 2b of rectangular cross-section of polymethyl methacrylate. In this case, the rod 2a has the same cross-section throughout its length, and the rod 2b has the same thickness as the rod 2a, and its width increases uniformly with the distance from the beginning of the rod. After passing through the rods 2a and 2b, the light rays are connected to two detectors 5a and 5b of the polarization plane, consisting of light intensity detectors and polarization filters. The electric signal from the detectors 5a and 5b of the polarization plane is fed by coaxial cables 6 to the electronic evaluation unit 7. The arrangement of rods 2a and 2b in the housing 4 of the optical sensor for determining the magnitude and location of the external force is shown in fig. 2. and is such that the action of the external force on both rods 2a and 2b is equal and simultaneous. As a result of the action of the external force acting on the rods 2a and 2b through the pistons 3, the orientation of the polarization plane of the light passing through the rods 2a and 2b changes depending on the magnitude of their deformation, so it is determined by the magnitude of the applied force and the width of the rods 2a and 2b in place, which is determined by the location of the external force.

Pri lineárnom náraste šírky tyče 2b zo šírky ho = 5 mm na šírku ho + Δh = 10 mm na konci tyče 2b, deformácia tyče 2b vyvolaná silou pôsobiacou na jej konci je polovičná v porovnaní s deformáciou, ktorú by sila vyvolala pri jej pôsobení na začiatku tyče 2b, takže pootočenie polarizačnej roviny bude polovičné ako pri pôsobení rovnakej sily na začiatku tyče 2b.With a linear increase in the width of the rod 2b from a width ho = 5 mm to a width ho + Δh = 10 mm at the end of the rod 2b, the deformation of the rod 2b caused by the force acting on its end is half compared to the deformation that the force would cause if it was applied at the beginning of rod 2b, so that the rotation of the polarization plane will be half that of the action of the same force at the beginning of rod 2b.

Všeobecne, pri pôsobení takej istej sily vo vzdialenosti x od začiatku tyče 2b sa pootočenie polarizačnej roviny φ( x) rovná φ( xo ).(1 + (Δ h.x)/(ho.l)), kde l je dĺžka tyče a φ( xo) je pootočenie polarizačnej roviny vtedy, keď sila pôsobí na začiatku tyče 2b. Pootočenie polarizačnej roviny v tyči 2a je nezávislé od miesta pôsobenia vonkajšej sily a rovná sa φ( xo), pretože prierezy tyčí 2a a 2b sú na začiatku tyčí 2a a 2b rovnaké. To umožňuje zo znalosti orientácie polarizačnej roviny na výstupe z oboch tyčí 2a a 2b určiť veľkosť i miesto pôsobenia vonkajšej sily.In general, when the same force is applied at a distance x from the beginning of the rod 2b, the rotation of the polarization plane φ( x) is equal to φ( xo ).(1 + (Δ h.x)/(ho.l)), where l is the length of the rod and φ ( xo) is the rotation of the polarization plane when the force acts on the beginning of rod 2b. The rotation of the polarization plane in rod 2a is independent of the location of the external force and is equal to φ( xo ), because the cross-sections of rods 2a and 2b are the same at the beginning of rods 2a and 2b. This makes it possible to determine the magnitude and location of the external force from the knowledge of the orientation of the polarization plane at the output of both rods 2a and 2b.

Priemyselná využiteľnosťIndustrial applicability

Optický snímač pozostávajúci z viacerých optických prostredí s odlišnou závislosťou parametrov od miesta pôsobenia sily je možné využiť na určovanie veľkosti a miesta pôsobiacej sily, čo má využitie v meracej a senzorovej technike, napríklad na váženie pohybujúcich sa vozidiel.An optical sensor consisting of several optical environments with different parameters depending on the place of application of the force can be used to determine the size and place of the applied force, which is used in measurement and sensor technology, for example, for weighing moving vehicles.

Zoznam vzťahových značiekList of relationship tags

- zdroje lineárne polarizovaného monochromatického svetla- sources of linearly polarized monochromatic light

- optické prostredia- optical environments

2a - tyč2a - rod

2b - tyč2b - rod

- piesty- pistons

- puzdro a - detektor polarizačnej roviny- housing and - polarization plane detector

5b - detektor polarizačnej roviny5b - polarization plane detector

- koaxiálne káble- coaxial cables

- elektronická vyhodnocovacia jednotka- electronic evaluation unit

Claims (2)

1. Optický snímač veľkosti a miesta pôsobenia vonkajšej sily pozostávajúci zo zdrojov (1) lineárne polarizovaného monochromatického svetla, z dvoch alebo viacerých optických prostredí (2), piestov (3) na 5 pôsobenie vonkajšej sily súčasne na optické prostredia (2), puzdra (4), v ktorom sú optické prostredia (2) uložené, detektorov (5) polarizačnej roviny spojených koaxiálnymi káblami (6) s elektronickou vyhodnocovacou jednotkou (7), vyznačujúci sa tým, že optické parametre aspoň jedného z optických prostredí (2) sú závislé od súradnice meranej pozdĺž optických prostredí (2).1. An optical sensor of the size and location of the external force, consisting of sources (1) of linearly polarized monochromatic light, from two or more optical environments (2), pistons (3) for the simultaneous application of an external force to the optical environments (2), housings ( 4), in which optical environments (2) are stored, polarization plane detectors (5) connected by coaxial cables (6) to an electronic evaluation unit (7), characterized in that the optical parameters of at least one of the optical environments (2) are dependent from the coordinate measured along the optical media (2). 2. Optický snímač veľkosti a miesta pôsobenia vonkajšej sily podľa nároku 1 pozostávajúci z dvoch 10 optických prostredí (2a) a (2b) realizovaných dvomi tyčami obdĺžnikového prierezu piezoopticky aktívneho materiálu, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že šírka aspoň jedného z optických prostredí (2a) alebo (2b) je závislá od súradnice meranej pozdĺž optických prostredí (2a) a (2b).2. An optical sensor of the magnitude and location of the external force according to claim 1 consisting of two optical environments (2a) and (2b) realized by two bars of rectangular cross-section of piezo-optically active material, characterized in that the width of at least one of the optical environments (2a) or (2b) is dependent on the coordinate measured along the optical environments (2a) and (2b).
SK42-2019A 2019-04-29 2019-04-29 Optical sensor of the magnitude and operation place of external force SK289077B6 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SK42-2019A SK289077B6 (en) 2019-04-29 2019-04-29 Optical sensor of the magnitude and operation place of external force

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SK42-2019A SK289077B6 (en) 2019-04-29 2019-04-29 Optical sensor of the magnitude and operation place of external force

Publications (2)

Publication Number Publication Date
SK422019A3 SK422019A3 (en) 2020-11-03
SK289077B6 true SK289077B6 (en) 2023-05-31

Family

ID=73014106

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SK42-2019A SK289077B6 (en) 2019-04-29 2019-04-29 Optical sensor of the magnitude and operation place of external force

Country Status (1)

Country Link
SK (1) SK289077B6 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
SK422019A3 (en) 2020-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10620018B2 (en) Method for measuring the displacement profile of buildings and sensor therefor
Ghaffar et al. Two-dimensional displacement optical fiber sensor based on macro-bending effect
Zheng et al. Theoretical and experimental study on fiber-optic displacement sensor with bowknot bending modulation
CN203224440U (en) Humidity sensor based on multimode interference MSM (multilayer switch module) structure
Schukar et al. Magnetic field detection with an advanced FBG-based sensor device
Ye et al. Applications of polymer optical fibre grating sensors to condition monitoring of textiles
SK289077B6 (en) Optical sensor of the magnitude and operation place of external force
Glisic Long-term monitoring of civil structures and infrastructure using long-gauge fiber optic sensors
KR102036260B1 (en) Submergence detection sensor using optical fiber grating
Supian et al. Investigation of Scattered-Bend Loss Coupling in Polymer Optical Fiber (POF)-Based Displacement Measurement Sensor
SK289078B6 (en) Sensor of the size and acting location of the external force
Dhawan et al. Development of a two-dimensional fiber optic position sensor
Varghese et al. A quasi distributed fiber optic weight-displacement sensor using macro bends
RU2688596C1 (en) Fiber optical sensor of angle of turn
Kwan et al. Displacement measurement using a focusing chromatic modulator
EP2921817A1 (en) Real-time shape measuring method and system
KR100234007B1 (en) Strain measuring device
CN100420916C (en) Sensing system of fiber strain
KR102590392B1 (en) Optical Fiber Distributed Sensing Device For Measuring Curvature
Sravanthi et al. Study of bridge weigh-in-motion using FBG sensors
Zimmermann et al. Optical time domain reflectometry for local strain measurements
Gupta et al. Automated vehicle detection using optical fiber communication
Arifin et al. Characteristic Analysis Light Intensity Sensor Based On Plastic Optical Fiber At Various Configuration
RU2386105C1 (en) Fibre-optic device for measuring transverse deformation vector
Hidayah et al. Characterization of Fiber Bragg Grating (FBG) for Weight Measurement System