WO2000050864A1 - Bragg-gitter-vorrichtung zum messen einer mechanischen kraft sowie anwendung und verfahren zum betrieb der vorrichtung - Google Patents

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Michael Willsch
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01P15/093—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by photoelectric pick-up

Definitions

  • Bragg grating device for measuring a mechanical force and application and method for operating the device
  • the invention relates to a Bragg grating device for measuring a mechanical force and to an application and a method for operating the device.
  • a Bragg grating device for measuring a mechanical force is known from DE 196 48 403. This device has:
  • At least one optical fiber for guiding an optical radiation in a direction of propagation, an optical Bragg grating integrated in the fiber with a grating-specific Bragg wavelength which varies depending on an elongation and / or contraction of the fiber in the direction of propagation, and
  • an expansion body which is fastened to the fiber at two fastening points which are arranged at a distance from one another in the direction of propagation and contain the grid and which can stretch in the direction of propagation.
  • This device serves for the detection of compressive and / or tensile forces directed in the direction of propagation corresponding to a longitudinal direction of the fiber, the expansion body not acting as an "amplifier" for the pressure or tensile to be measured.
  • the fiber containing the Bragg grating can, for example, be biased in tension in the direction of propagation by an elastic spring.
  • One embodiment of this device is a temperature-compensated variant which has an additional unloaded reference fiber with an integrated reference Bragg grating, by means of which temperature influences, which differ exercise of the Bragg wavelength can be detected and eliminated by a suitable evaluation.
  • a Bragg grating device can be found in US Pat. No. 5,682,445, which has:
  • At least one optical fiber for guiding optical radiation in a direction of propagation
  • an optical Bragg grating formed in the fiber with a grating-specific Bragg wavelength which varies depending on an expansion and / or contraction of the fiber in the direction of propagation
  • a lever transmission which is free of rotation axes and which is fastened to the fiber at two fastening points which are arranged at a distance from one another in the direction of propagation and which contain the grating.
  • the lever transmission which is free of rotation axes, serves to impart tension in the direction of propagation to the fiber and the grating between the fastening points.
  • the lever transmission free of rotation axes has at least two parts elongated in the direction of propagation, each with an end at the end, these ends being firmly connected to one another.
  • Each of these two parts each has a different end on the opposite side to one end of this part.
  • the other end of a part is firmly connected to the fiber at one of the two attachment points and the other end of the other part is firmly connected to the fiber at the other attachment point.
  • a tension in the fiber acting in the direction of propagation can be generated by changing the lengths of the two parts measured between the front ends in the direction of propagation relative to one another.
  • the object of the invention is to provide a Bragg grating device for measuring a mechanical force. len, which enables a wider application compared to the known Bragg grating device of this type.
  • the Bragg grating device for measuring a mechanical force has:
  • At least one optical conductor made of elastic material for guiding optical radiation in a direction of propagation
  • a force transmission device which converts the force to be measured into the conductor implements stretching and / or contracting force in the direction of propagation.
  • a broader application can be obtained in particular in that the force transmission device has a conversion ratio different from one between the force to be measured and the force applied.
  • any type of transmission for example a gear transmission
  • the power transmission device is suitable as the power transmission device.
  • a preferred and advantageous embodiment of the device according to the invention is designed such that the force transmission device has at least one lever which is rotatable about an axis of rotation which is essentially fixed relative to the conductor, which is fastened to the conductor and on which the force to be measured acts.
  • This configuration can be implemented in a structurally particularly simple manner.
  • an implementation ratio of the force transmission device can be selected by choosing a distance between a point of application of the force to be measured on the lever and the axis of rotation of the lever and one between this axis of rotation. se and the attachment point of the lever on the conductor given distance and is given by the ratio of the first distance to the second distance.
  • the force transmission device has a lever in which the distance between the fixed axis of rotation and an attachment point of the lever on the conductor is greater than the distance between the axis of rotation and an application point of the measuring force on the lever, and an amplification of forces if the force transmission device has a lever in which the distance between the axis of rotation and the attachment point of the lever to the conductor is smaller than the distance between the axis of rotation and the point of application of the force to be measured on the lever .
  • the embodiment can have a lever in which the axis of rotation is between the conductor and the point of application of the force to be measured on the lever, and / or a lever in which the point of application of the force to be measured is located on the lever between the conductor and the axis of rotation , and / or a lever in which the conductor is located between the axis of rotation and the point of application of the force to be measured on the lever.
  • the conductor is fixed at a point which is essentially fixed relative to the axis of rotation of the lever and which is arranged in the direction of propagation of the radiation at a distance from the fastening point of the lever on the conductor containing the grating.
  • This embodiment preferably and advantageously has a carrier body on which the lever is pivoted about the axis of rotation and the conductor is fixed at the fixed point.
  • the carrier body can advantageously be formed in one piece and in particular consist of a single material. As a result, the embodiment can advantageously be structurally simple and inexpensive to manufacture and a complex and expensive support structure made of several parts is avoided.
  • the conductor is biased in the direction of propagation. This allows both the stretching and contraction of the Bragg grating in a region determined by the prestress.
  • any body made of transparent elastic material can be used as the optical conductor, which guides optical radiation in a direction of propagation.
  • the conductor preferably has an optical fiber in which the Bragg grating is formed.
  • An advantageous further development of the device according to the invention has a force generating device for generating the mechanical force to be measured to be converted by the force transmission device, which can in particular be designed in such a way that the force to be measured is generated on the spot and, for example, selectively or in a controlled manner.
  • the force generating device has a converter device for converting a physical variable that is different from the mechanical force to be measured into this force, the physical variable preferably being different from a mechanical force and, depending on the converter device, for example the temperature , an electrical and / or magnetic field strength, an acceleration, vibration, etc. can be.
  • the transducer device can have a body made of piezoelectric material that stretches depending on the field strength or voltage and / or contracting, this behavior being used to generate the force to be measured.
  • the converter device can have a movable mass on which the acceleration and / or deceleration acts, the inertial behavior of the mass being used to generate the force to be measured.
  • the development of the device according to the invention not only has the advantage of measuring a mechanical force that depends on a physical variable that is different, in particular, from a mechanical force, but also has the advantage that it can be used as a sensor device for measuring the physical variable itself, for example as a temperature -, electrical voltage, acceleration or vibration sensor.
  • the device according to the invention is generally operated in such a way that optical radiation is guided in the conductor to a Bragg grating formed in the conductor and a Bragg wavelength generated by the Bragg grating on the basis of the supplied optical radiation is measured as a measure of the force to be measured.
  • an optical reference conductor free of expansion and contraction forces in which a reference Bragg grating is formed, by means of which temperature influences which cause a shift in the Bragg wavelength can be detected and eliminated by a suitable evaluation.
  • the reference conductor and the conductor used for force measurement are preferably of the same type. The same applies to the reference Bragg grating and the Bragg grating used for force measurement.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the device according to the invention, amplified in the event of deflections
  • FIG. 2 shows a realization of the example according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows an embodiment of the device according to the invention, in which forces are increased
  • FIG. 4 shows a realization of the example according to FIG. 3.
  • the optical conductor designated 1 consists, for example, of an optical fiber, e.g. a fiber optic fiber.
  • the fiber 1 conducts injected optical radiation P in a direction of propagation which corresponds to the longitudinal direction 10 of the fiber 1 which is parallel to the plane of the drawing.
  • An optical Bragg grating 11 is formed in the fiber 1 with a grating-specific Bragg wavelength ⁇ 1, which varies depending on an elongation and / or contraction of the fiber 1 in its longitudinal direction 10.
  • a force transmission device converts the force to be measured into a force acting on the fiber 1 in its longitudinal direction 10, which stretches and / or contracts the fiber 1 in the longitudinal direction 10.
  • the force transmission device 2 has a lever 20 which on the one hand can be rotated about an axis of rotation 21 which is essentially fixed relative to the fiber 1, which on the other hand is attached to the fiber 1 and on which the force to be measured acts.
  • the axis of rotation 21 is oriented in the direction perpendicular to the plane of the drawing, so that the lever 20 rotates in the direction parallel to the plane of the drawing.
  • the lever 20 is attached to the fiber 1 at an attachment point 22.
  • the fiber 1 itself is fixed at a point 32 which is fixed relative to the axis of rotation 21 of the lever 20 and which is located at a distance a from the attachment point 22 of the lever 20 on the fiber 1 measured in the longitudinal direction 10.
  • the grid 11 is contained at a distance a.
  • a force K ⁇ can also be measured, which causes the lever 20 to rotate about the axis of rotation 21 in the clockwise direction c, the fiber 1 is pretensioned in the longitudinal direction 10 with a specific pretensioning force B directed from the fixed point 32 to the fastening point 22, which the this force K ⁇ counteracts at the fixing point 22 the generated force Kl ⁇ .
  • Such forces K can be measured as long as Kl x ⁇ B.
  • the point of application 23 of the force to be measured is in all figures for the sake of simplicity and without restriction of generality than on a point connecting the attachment point 22 of the lever 20 to the fiber 1 and the axis of rotation 21
  • Lever axis 200 is assumed arranged, which runs parallel to the respective plane of the drawing and intersects the axis of rotation 21 vertically.
  • the distance d1 between the axis of rotation 21 and the attachment point 22 of the lever 20 on the fiber 1 is greater than the distance d2 between the fixed axis of rotation 21 and the point of application 23 of the force K or K ⁇ to be measured on the lever 20 .
  • This example is suitable for the cases in which the expansions and / or contractions transmitted from the fiber 1 to the grating 11 are too small to measure the resulting shifts in the grating-specific Bragg wavelength ⁇ l.
  • FIG. 2 shows a special implementation of the example according to FIG. 1.
  • a carrier body 3 on which the lever 20 is pivoted about the fixed axis of rotation 21 and the fiber 1 is fixed at the fixed point 32.
  • the fiber 1 is fastened to the support body 3 at a further fixed point 34 such that the fastening point 22 of the lever 20 and the grating 11 are arranged between the one fixed point 32 and the further fixed point 34.
  • the fiber 1 is biased between the two fixed points 32 and 34 with the bias B.
  • the carrier body 3 is formed in one piece and consists, for example, of quartz glass or another glass. It preferably and advantageously has a cavity 30.
  • the cavity 30 is, for example, a recess formed in a surface section of the carrier body 3. This surface section is shown in plan view in FIG. 2 and is designated 31.
  • the cavity 30 forms an opening 310 in the surface section 31 which is delimited by an inner edge 301 of the surface section 31 and extends vertically from the surface section 31 to the drawing plane of FIG. 2.
  • the opening 310 of the cavity 30 is spanned by the fiber 1, which is fixed on both sides of the opening 310 at the fixed points 32 and 34 on the, for example, flat surface section 31.
  • the lever 20 is accommodated in the cavity 30.
  • the lever 20 extends essentially parallel to the plane of the drawing in FIG. 2, engages under the fiber 1 and is fixed to the fiber 1 at the attachment point 22.
  • the lever axis 200 preferably runs and, as shown in FIG. 2, essentially perpendicular to the longitudinal axis 10 of the fiber 1, but it can also be arranged obliquely to the longitudinal axis.
  • the axis of rotation 21 of the lever 20 can be the axis of rotation of a swivel joint 320, which links the lever 20 to the carrier body 3, so that the lever 20 can be rotated about the fixed axis of rotation 21 relative to the carrier body 3.
  • the lever 20 is articulated on the carrier body 3 by means of a swivel joint 320 which is arranged between the carrier body 3 and the lever 20 and connects the two to one another.
  • a swivel joint 320 can be realized, for example, by a deformable connection between the lever 20 and the carrier body 3.
  • connection 320 is arranged between the edge 301 of the opening 310 and an end 201 of the lever 20 facing this edge 301.
  • the connection 320 has, for example, a flexible connecting strap 321, which is rigid in the direction vertical to the drawing plane of FIG. 2, flexible in the direction parallel to the drawing plane and perpendicular to the lever axis 200.
  • connection 320 defines an axis of rotation 21, which is not quite fixed relative to the carrier body 3 and thus to the fiber 1, but is shifted within certain permissible limits.
  • the latter means that the axis of rotation 21 is essentially fixed.
  • the point of application 23 of the force K or K ⁇ to be measured lies between the axis of rotation 21 and the attachment point 22, in contrast to FIG. 1, in which the axis of rotation 21 is arranged between the point of application 23 and the attachment point 22.
  • the force K or K to be measured is generated, for example, by a piezo actuator 4 or another body made of piezoelectric material, which is fixedly connected to the carrier body 3 and lever 20 and is dependent on an applied electrical voltage U along a Actuator axis 400 stretches and / or contracts which is parallel to the plane of the drawing in FIG. 2 and intersects lever axis 200 vertically or obliquely at point of application 23.
  • the expanding and / or contracting piezo actuator 4 exerts on the lever 20 a force K or K ⁇ to be measured, which is directed at the point of attack 23 and can be regarded as acting there.
  • the piezo actuator 4 which is firmly connected to the support body 3 and lever 20, forms a force generating device for generating the mechanical force K or K ⁇ to be measured, which is to be implemented by the force transmission device 2.
  • the piezoelectric actuator 4 itself forms a conversion means for converting a mechanical force to be measured by the K, and K ⁇ different physical size, in this case, the electrical voltage U, in this power K, or K '.
  • a body made of a material is used to generate the force to be measured, which body expands and / or contracts depending on, for example, the temperature or a magnetic field strength, the example according to FIGS. or magnetic sensor can each be realized with great sensitivity.
  • the distance d1 between the axis of rotation 21 and the attachment point 22 of the lever 20 on the conductor 1 is smaller than the distance d2 between the axis of rotation 21 and the point of application 23 of the force K or K ⁇ to be measured on the lever 20.
  • FIG. 4 shows a special implementation of the example according to FIG. 3. Apart from the other leverage ratios, this implementation differs from the implementation example according to FIG. 2 only in the other way of generating the force K or K ⁇ to be eaten. Otherwise, the implementation according to FIG. 4 is constructed in the same way as the implementation example according to FIG. 2, and parts which correspond to one another are identified by the same reference symbols.
  • the attachment point 22 of the lever 20 is between the axis of rotation 21 of the lever 20 and the point of application 23 of the force K or K to be measured ⁇ arranged.
  • the force to be measured K or K ⁇ in this case is, for example, the inertial force, which is an inertial mass M of the lever
  • the lever 20 with the axis of rotation 21 and the mass M itself forms a converter device for converting a physical quantity different from the mechanical force K or K ⁇ to be measured, here an acceleration, into this force K or K ⁇ .
  • Kl are implemented, which is sufficient to stretch the grid 11, and in addition sufficient deflections can be obtained.
  • Each of the devices shown in the figures is generally operated in such a way that the optical radiation P is coupled into the fibers and guided in the fiber 1 to the Bragg grating 11 and the Bragg wavelength ⁇ l reflected by the grating 11 is measured.
  • the measured wavelength ⁇ l or its displacement is a measure of the force to be measured or physical size.
  • FIG. 2 shows a reference fiber 5 with a reference Bragg grating 51 for the compensation of temperature-related effects.
  • the reference fiber 5 is arranged parallel to the fiber 1, bridges the cavity 30 and lever 20 without tension and is attached to the support body 3 at points 52 and 54 on the surface section 31 such that a temperature-related expansion of the support body 3 does not result in any measurable mechanical tension in the Reference fiber 5 generated.
  • the reference fiber 5 and the fiber 1 are taken from the same fiber.
  • the reference Bragg grating 51 and the Bragg grating 11 are of identical design.

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Abstract

Bragg-Gitter-Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Kraft (K, K'), mit einer optischen Faser (1) und einem in der Faser ausgebildeten optischen Bragg-Gitter (11) sowie einer Kraftübertragungseinrichtung (2), welche die zu messende Kraft in eine die Faser (1) dehnende und/oder kontrahierende Kraft (K1, K1') umsetzt. Die Einrichtung (2) ermöglicht eine höhere Messempfindlichkeit und Sensoren zum Messen anderer physikalischer Grössen wie elektrische Spannung, Temperatur, Beschleunigung, Vibration usw. mit höherer Messempfindlichkeit.

Description

Beschreibung
Bragg-Gitter-Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Kraft sowie Anwendung und Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Bragg-Gitter-Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Kraft sowie eine Anwendung und ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.
Eine Bragg-Gitter-Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Kraft ist aus der DE 196 48 403 bekannt. Diese Vorrichtung weist auf:
- wenigstens eine optische Faser zum Leiten einer optischen Strahlung in einer Ausbreitungsrichtung, - ein in der Faser integriertes optischen Bragg-Gitter mit einer gitterspezifischen Bragg-Wellenlänge, die in Abhängigkeit von einer Dehnung und/oder Kontraktion der Faser in der Ausbreitungsrichtung variiert, und
- einen Dehnkörper- der an der Faser bei zwei in der Ausbrei- tungsrichtung in einem das Gitter enthaltenden Abstand voneinander angeordneten Befestigungspunkten befestigt ist und sich in der Ausbreitungsrichtung dehnen kann.
Diese Vorrichtung dient zur Erfassung von in der mit einer Längsrichtung der Faser übereinstimmenden Ausbreitungsrichtung gerichteten Druck- und/oder Zugkräften, wobei der Dehnkörper nicht als "Verstärker" für den zu messenden Druck oder Zug wirkt.
Die das Bragg-Gitter enthaltende Faser kann beispielsweise durch eine elastische Feder in der Ausbreitungsrichtung auf Zug vorgespannt sein.
Eine Ausführungsform dieser Vorrichtung ist eine temperatur- kompensierte Variante, die eine zusätzliche unbelastete Referenzfaser mit einem integrierten Referenz-Bragg-Gitter aufweist, durch welches Temperatureinflüsse, die eine Verschie- bung der Bragg-Wellenlänge hervorrufen, erfaßt und durch eine geeignete Auswertung eliminiert werden können.
Dem US-Patent Nr. 5 682 445 ist eine Bragg-Gitter-Vorrichtung zu entnehmen, die aufweist:
- wenigstens eine optische Faser zum Leiten einer optischen Strahlung in einer Ausbreitungsrichtung,
- ein in der Faser ausgebildetes optisches Bragg-Gitter mit einer gitterspezifischen Bragg-Wellenlänge, die in Abhängig- keit von einer Dehnung und/oder Kontraktion der Faser in der Ausbreitungsrichtung variiert, und
- eine drehachsenfreie Hebelübersetzung, welche an der Faser bei zwei in der Ausbreitungsrichtung in einem das Gitter enthaltenden Abstand voneinander angeordneten Befestigungspunk- ten befestigt ist.
Die drehachsenfreie Hebelübersetzung, dient dazu, der Faser und dem Gitter zwischen den Befestigungspunkten eine Spannung in der Ausbreitungsrichtung zu erteilen.
Dazu weist die drehachsenfreie Hebelübersetzung wenigstens zwei in der Ausbreitungsrichtung langgestreckte Teile mit jeweils einem stirnseitigen Ende auf, wobei diese Enden fest miteinander verbunden sind. Jedes dieser beiden Teile weist je ein dem einen Ende dieses Teils gegenüberliegendes anderes stirnseitiges Ende auf. Das andere Ende eines Teils ist bei einem der beiden Befestigungspunkte fest mit der Faser und das andere Ende des anderen Teils beim anderen Befestigungspunkt fest mit der Faser verbunden.
Eine in der Ausbreitungsrichtung wirkende Spannung in der Faser kann durch eine Änderung der zwischen den stirnseitigen Enden in der Äusbreitungsrichtung gemessenen Längen der beiden Teile relativ zueinander erzeugt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bragg-Gitter- Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Kraft bereitzustel- len, die im Vergleich zur bekannten derartigen Bragg-Gitter- Vorrichtung eine breitere Anwendung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Gemäß dieser Lösung weist die erfindungsgemäße Bragg-Gitter- Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Kraft auf:
- wenigstens einen optischen Leiter aus elastischem Material zum Leiten einer optischen Strahlung in einer Ausbreitungs- richtung,
- wenigstens ein im Leiter ausgebildetes optisches Bragg- Gitter mit einer Bragg-Wellenlänge, die in Abhängigkeit von einer Dehnung und/oder Kontraktion des Leiters in der Ausbreitungsrichtung der Strahlung variiert, und - eine Kraftübertragungseinrichtung, welche die zu messende Kraft in eine den Leiter in der Ausbreitungsrichtung dehnende und/oder kontrahierende Kraft umsetzt.
Eine breitere Anwendung kann insbesondere dadurch erhalten werden, daß die Kraftübertragungseinrichtung ein von eins verschiedenes Umsetzungsverhältnis zwischen der zu messenden Kraft und der umgesetzten Kraft aufweist.
Als Kraftübertragungseinrichtung ist prinzipiell jede Art von Getriebe, beispielsweise ein Zahnradgetriebe geeignet. Eine bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist so ausgebildet, daß die Kraftübertragungseinrichtung wenigstens einen Hebel aufweist, der um eine relativ zum Leiter im wesentlichen feste Drehachse drehbar ist, der am Leiter befestigt ist und auf den die zu messende Kraft einwirkt. Diese Ausgestaltung läßt sich baulich besonders einfach realisieren.
Ein Umsetzungsverhältnis der Kraftübertragungseinrichtung kann in diesem Fall durch Wahl eines zwischen einem Angriffspunkt der zu messenden Kraft am Hebel und der Drehachse des Hebels gegebenen Abstandes und eines zwischen dieser Drehach- se und dem Befestigungspunkt des Hebels am Leiter gegebenen Abstandes eingestellt werden und ist durch das Verhältnis des erstgenannten Abstandes zum zweitgenannten Abstand gegeben.
Insbesondere ist eine Vergrößerung einer von der zu messenden Kraft bewirkten Auslenkung gegeben, wenn die Kraftübertragungseinrichtung einen Hebel aufweist, bei dem der Abstand zwischen der festen Drehachse und einem Befestigungspunkt des Hebels am Leiter größer als der Abstand zwischen der Drehach- se und einem Angriffspunkt der zu messenden Kraft am Hebel ist, und eine Verstärkung von Kräften, wenn die Kraftübertragungseinrichtung einen Hebel aufweist, bei dem der Abstand zwischen der Drehachse und dem Befestigungspunkt des Hebels am Leiter kleiner als der Abstand zwischen der Drehachse und dem Angriffspunkt der zu messenden Kraft am Hebel ist.
Die Ausgestaltung kann einen Hebel aufweisen, bei dem sich die Drehachse zwischen dem Leiter und dem Angriffspunkt der zu messenden Kraft am Hebel befindet, und/oder einen Hebel, bei dem sich der Angriffspunkt der zu messenden Kraft am Hebel zwischen dem Leiter und der Drehachse befindet, und/oder einen Hebel, bei dem sich der Leiter zwischen der Drehachse und dem Angriffspunkt der zu messenden Kraft am Hebel befindet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Ausgestaltung ist der Leiter an einem relativ zur Drehachse des Hebels im wesentlichen festen Punkt fixiert, der in der Ausbreitungsrichtung der Strahlung in einem das Gitter enthaltenden Abstand vom Befestigungspunkt des Hebels am Leiter angeordnet ist.
Diese Ausführungsform weist Vorzugs- und vorteilhafterweise einen Trägerkörper auf, an dem der Hebel um die Drehachse drehbar angelenkt und der Leiter an dem festen Punkt fixiert ist. Der Trägerkörper kann vorteilhafterweise einstückig ausgebildet sein und insbesondere aus einem einzigen Material bestehen. Dadurch kann die Ausführungsform vorteilhafterweise baulich einfach sein und kostengünstig hergestellt werden und eine komplexe und teure Trägerstruktur aus mehreren Teilen ist vermieden.
Zweckmäßig ist es, wenn der Leiter in der Ausbreitungsrichtung vorgespannt ist. Dies ermöglicht in einem durch die Vorspannung bestimmten Bereich sowohl eine Dehnung als auch Kontraktion des Bragg-Gitters.
Als optischer Leiter kann prinzipiell jeder Körper aus transparentem elastischen Material verwendet werden, der optische Strahlung in einer Ausbreitungsrichtung leitet. Vorzugsweise weist der Leiter eine optische Faser auf, in der das Bragg- Gitter ausgebildet ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist eine Krafterzeugungseinrichtung zur Erzeugung der von der Kraftübertragungseinrichtung umzusetzenden zu messenden mechanische Kraft auf, die insbesondere so ausge- bildet sein kann, daß die zu messenden Kraft an Ort und Stelle und beispielsweise wahlweise oder gesteuert erzeugt wird.
Bei einer bevorzugten und vorteilhaften Ausgestaltung dieser Weiterbildung weist die Krafterzeugungseinrichtung eine Wand- lereinrichtung zur Umwandlung einer von der zu messenden mechanischen Kraft verschiedenen physikalischen Größe in diese Kraft auf, wobei die physikalischen Größe vorzugsweise von einer mechanischen Kraft verschieden ist und je nach Wandlereinrichtung beispielsweise die Temperatur, eine elektri- sehe und/oder magnetische Feldstärke, eine Beschleunigung, Vibration usw. sein kann.
Ist die physikalische Größe beispielsweise eine elektrische Feldstärke oder Spannung, kann die Wandlereinrichtung einen Körper aus piezoelektrischem Material aufweisen, der sich in Abhängigkeit von der Feldstärke oder Spannung streckt und/oder zusammenzieht, wobei dieses Verhalten zur Erzeugung der zu messenden Kraft ausgenutzt wird.
Wenn die physikalische Größe beispielsweise eine Beschleunigung und/oder Verzögerung, insbesondere eine Vibration ist, kann die Wandlereinrichtung eine bewegliche Masse aufweisen, auf welche die Beschleunigung und/oder Verzögerung wirkt, wobei das Trägheitsverhalten der Masse zur Erzeugung der zu messenden Kraft ausgenutzt wird.
Die Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat nicht nur den Vorteil der Messung einer mechanischen Kraft, die von einer insbesondere von einer mechanischen Kraft verschiedenen physikalischen Größe abhängt, sondern überdies den Vorteil daß sie als Sensorvorrichtung zur Messung der physikalischen Größe selbst angewendet werden kann, beispielsweise als Temperatur-, elektrischer Spannungs-, Beschleunigungs- oder Vibrationssensor.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird generell so betrieben, im Leiter eine optischen Strahlung zu einem im Leiter ausgebildeten Bragg-Gitter geleitet und eine vom Bragg-Gitter aufgrund der zugeleiteten optischen Strahlung erzeugte Bragg- Wellenlänge als Maß für die zu messende Kraft gemessen wird.
Zur Kompensation von temperaturbedingten Effekten kann ein dehnungs- und kontraktionskräftefreier optischer Referenzleiter vorhanden sein, in welchem ein Referenz-Bragg-Gitter ausgebildet ist, durch welches Temperatureinflüsse, die eine Verschiebung der Bragg-Wellenlänge hervorrufen, erfaßt und durch eine geeignete Auswertung eliminiert werden können. Der Referenzleiter und der zur Kraftmessung verwendete Leiter sind vorzugsweise gleichartig. Das gleiche gilt für das Refe- renz-Bragg-Gitter und das zur Kraftmessung verwendete Bragg- Gitter. Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei Auslenkungen verstärkt werden,
Figur 2 ein Realisierung des Beispiels nach Figur 1,
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem Kräfte verstärkt werden, und
Figur 4 eine Realisierung des Beispiels nach Figur 3.
Die Figuren sind schematische Darstellungen und nicht maßstäblich.
Bei den in den Figuren dargestellten Beispielen besteht der mit 1 bezeichnete optischen Leiter beispielsweise aus einer optischen Faser, z.B. einem Glasfaser-Lichtwellenleiter. Die Faser 1 leitet eingekoppelte optische Strahlung P in einer Ausbreitungsrichtung, die mit der zur Zeichenebene parallelen Längsrichtung 10 der Faser 1 übereinstimmt.
In der Faser 1 ist ein optisches Bragg-Gitter 11 mit einer gitterspezifischen Bragg-Wellenlänge λl ausgebildet, die in Abhängigkeit von einer Dehnung und/oder Kontraktion der Faser 1 in deren Längsrichtung 10 variiert.
Eine generell mit 2 bezeichnete Kraftübertragungseinrichtung setzt die zu messende Kraft in eine auf die Faser 1 in deren Längsrichtung 10 wirkende Kraft um, welche die Faser 1 in der Längsrichtung 10 dehnt und/oder kontrahiert.
Die Kraftübertragungseinrichtung 2 weist einen Hebel 20 auf, der einerseits um eine relativ zur Faser 1 im wesentlichen feste Drehachse 21 drehbar ist, der andererseits an der Faser 1 befestigt ist, und auf den die zu messende Kraft einwirkt. In den Figuren ist die Drehachse 21 in Richtung senkrecht zur Zeichenebene ausgerichtet, so daß sich der Hebel 20 in Richtung parallel zur Zeichenebene dreht.
Der Hebel 20 ist bei einem Befestigungspunkt 22 an der Faser 1 befestigt. Die Faser 1 selbst ist an einem relativ zur Drehachse 21 des Hebels 20 festen Punkt 32 fixiert, der sich in einem in der Längsrichtung 10 gemessenen Abstand a vom Befestigungspunkt 22 des Hebels 20 an der Faser 1 befindet. Im Abstand a ist das Gitter 11 enthalten.
Drückt auf den Hebel 20 in einem nicht mit der Drehachse 21 zusammenfallenden Angriffspunkt 23 eine zu messende Kraft K, die eine Drehung des Hebels 20 um die Drehachse 21 im Ge- genuhrzeigersinn C bewirkt, wird am Befestigungspunkt 22 eine vom festen Punkt 32 zum Befestigungspunkt 22 gerichtete Kraft Kl erzeugt, welche die Faser 1 und das Gitter 11 in der Längsrichtung 10 elastisch dehnt.
Bei einem Nachlassen der Kraft K verringert sich die Dehnung von Faser 1 und Gitter 11, bis schließlich bei ausreichend kleiner Kraft K wieder der ursprüngliche dehnungslose Zustand von Faser 1 und Gitter 11 erreicht wird.
Damit auch eine Kraft Kλ gemessen werden kann, die eine Drehung des Hebels 20 um die Drehachse 21 im Uhrzeigersinn c bewirkt, wird die Faser 1 in der Längsrichtung 10 mit einer vom festen Punkt 32 zum Befestigungspunkt 22 gerichteten bestimmten Vorspannkraft B vorgespannt, die der von dieser Kraft Kλ am Befestigungspunkt 22 erzeugten Kraft Kl Λ entgegenwirkt. Solche Kräfte K können gemessen werden, solange Kl x < B gilt.
Der Angriffspunkt 23 der zu messenden Kraft ist in allen Fi- guren der Einfachheit halber und ohne Beschränkung der Allgemeinheit als auf einer den Befestigungspunkt 22 des Hebels 20 an der Faser 1 und die Drehachse 21 miteinander verbindenden Hebelachse 200 angeordnet angenommen, welche parallel zur jeweiligen Zeichenebene verläuft und die Drehachse 21 senkrecht schneidet .
Beim Beispiel nach Figur 1 ist der Abstand dl zwischen der Drehachse 21 und dem Befestigungspunkt 22 des Hebels 20 an der Faser 1 größer als der Abstand d2 zwischen der festen Drehachse 21 und dem Angriffspunkt 23 der zu messenden Kraft K bzw. Kλ am Hebel 20.
Dieses Beispiel ist für die Fälle geeignet, bei denen die von der Faser 1 auf das Gitter 11 übertragenen Dehnungen und/oder Kontraktionen zu gering sind, um die dadurch bewirkten Verschiebungen der gitterspezifischen Bragg-Wellenlänge λl zu messen.
Durch den Hebel 20 werden am Befestigungspunkt 22 Dehnungen und/oder Kontraktionen erreicht, die um den Faktor k = dl/d2 > 1 größer sind als die Dehnungen und/oder Kontraktionen ohne den Hebel 20.
Die Figur 2 zeigt eine spezielle Realisierung des Beispiels nach Figur 1. Bei dieser Realisierung ist ein Trägerkörper 3 vorhanden, an dem der Hebel 20 um die feste Drehachse 21 drehbar angelenkt und die Faser 1 an dem festen Punkt 32 fixiert ist.
Die Faser 1 ist an einem weiteren festen Punkt 34 am Trägerkörper 3 so befestigt, daß der Befestigungspunkt 22 des He- bels 20 und das Gitter 11 zwischen dem einen festen Punkt 32 und dem weiteren festen Punkt 34 angeordnet ist.
Die Faser 1 ist zwischen den beiden festen Punkten 32 und 34 mit der Vorspannung B vorgespannt. Der Trägerkörper 3 ist einstückig ausgebildet und besteht beispielsweise aus Quarzglas oder einem anderen Glas. Er weist Vorzugs- und vorteilhafterweise einen Hohlraum 30 auf.
Der Hohlraum 30 ist beispielsweise eine in einem Oberflächenabschnitt des Trägerkörpers 3 ausgebildete Aussparung. In der Figur 2 ist dieser Oberflächenabschnitt in Draufsicht dargestellt und mit 31 bezeichnet. Der Hohlraum 30 bildet eine von einem inneren Rand 301 des Oberflächenabschnitts 31 begrenzte Öffnung 310 im Oberflächenabschnitt 31 und erstreckt sich vom Oberflächenabschnitt 31 vertikal zur Zeichenebene der Figur 2 in die Tiefe.
Die Öffnung 310 des Hohlraums 30 wird von der Faser 1 über- spannt, die zu beiden Seiten der Öffnung 310 bei den festen Punkten 32 und 34 auf dem beispielsweise ebenen Oberflächenabschnitt 31 fixiert ist.
Im Hohlraum 30 ist der Hebel 20 untergebracht. Der Hebel 20 erstreckt sich im wesentlichen parallel zur Zeichenebene der Figur 2, untergreift die Faser 1 und ist am Befestigungspunkt 22 an der Faser 1 fixiert.
Die Hebelachse 200 verläuft vorzugsweise und wie in der Figur 2 dargestellt im wesentlichen senkrecht zur Längsachse 10 der Faser 1, sie kann aber auch schräg zur Längsachse angeordnet sein.
Die Drehachse 21 des Hebels 20 kann die Drehachse eines Dreh- gelenks 320 sein, das den Hebel 20 an den Trägerkörper 3 anlenkt, so daß der Hebel 20 relativ zum Trägerkörper 3 um die feste Drehachse 21 drehbar ist.
Beispielsweise ist der Hebel 20 am Trägerkörper 3 durch ein Drehgelenk 320 angelenkt, das zwischen dem Trägerkörper 3 und dem Hebel 20 angeordnet ist und beide miteinander verbindet. Ein derartiges Drehgelenk 320 kann beispielsweise durch eine verformbare Verbindung zwischen dem Hebel 20 und dem Trägerkörper 3 realisiert sein.
Beim Beispiel nach Figur 2 ist eine solche verformbare Verbindung 320 zwischen dem Rand 301 der Öffnung 310 und einem diesem Rand 301 zugekehrten Ende 201 des Hebels 20 angeordnet. Die Verbindung 320 weist beispielseweise durch eine biegsame Verbindungslasche 321 auf, die in Richtung vertikal zur Zeichenebene der Figur 2 steif, in Richtung parallel zur Zeichenebene und senkrecht zur Hebelachse 200 biegsam ist.
Eine solche Verbindung 320 definiert eine Drehachse 21, die relativ zum Trägerkörper 3 und damit zur Faser 1 nicht ganz fest ist, sondern sich innerhalb gewisser zulässiger Grenzen verlagert. Letzteres bedeutet, daß die Drehachse 21 im wesentlichen fest ist.
In der Figur 2 liegt der Angriffspunkt 23 der zu messenden Kraft K bzw. Kλ zwischen der Drehachse 21 und dem Befestigungspunkt 22, im Unterschied zur Figur 1, bei der die Drehachse 21 zwischen dem Angriffspunkt 23 und dem Befestigungspunkt 22 angeordnet ist.
Die zu messenden Kraft K bzw. K wird bei der Realisierung nach Figur 2 beispielsweise von einem Piezoaktor 4 oder anderen Körper aus piezoelektrischem Material erzeugt, der fest mit dem Trägerkörper 3 und Hebel 20 verbunden ist und sich abhängig von einer angelegten elektrischen Spannung U entlang einer Aktorachse 400 dehnt und/oder zusammenzieht die parallel zur Zeichenebene der Figur 2 ist und die Hebelachse 200 im Angriffspunkt 23 senkrecht oder schräg schneidet. Dadurch übt der sich dehnende und/oder zusammenziehende Piezoaktor 4 auf den Hebel 20 eine zu messende Kraft K bzw. Kλ aus, die auf den Angriffspunkt 23 gerichtet ist und als dort angreifend angesehen werden kann. Der fest mit dem Tragerkorper 3 und Hebel 20 verbundene Piezoaktor 4 bildet eine Krafterzeugungseinrichtung zur Erzeugung der von der Kraftubertragungseinrichtung 2 umzusetzenden zu messenden mechanische Kraft K bzw. Kλ. Der Piezoaktor 4 selbst bildet eine Wandlereinrichtung zur Umwandlung einer von der zu messenden mechanischen Kraft K, bzw. K Λ verschiedenen physikalischen Große, hier die elektrische Spannung U, in diese Kraft K, bzw. K'.
Die von einem Piezoaktor 4 oder anderen Korper aus piezoelektrischem Material erzeugten Kräfte sind extrem groß, wahrend die Dehnungen und/oder Zusammenziehungen solcher Korper sehr gering sind. Das Beispiel nach den Figuren 1 und 2 ist für solche Verhaltnisse hervorragend zur Vergrößerung der Dehnun- gen und/oder Zusammenziehungen geeignet und fuhrt dabei zu einer betrachtlichen Vergrößerung der Auflosung der Bragg- Wellenlangen λl und damit der Meßempfindlichkeit. Letzteres gilt auch für die Verwendung dieses Beispiels als elektrischer Spannungssensor.
Wird zur Erzeugung der zu messenden Kraft anstelle eines Pie- zoaktors ein Korper aus einem Material verwendet, das sich in Abhängigkeit von beispielsweise der Temperatur oder einer magnetischen Feldstarke dehnt und/oder zusammenzieht, kann mit dem Beispiel nach den Figuren 1 und 2 ein Temperatur- bzw. Magnetsensor jeweils großer Meßempfindlichkeit realisiert werden.
Bei dem in der Figur 3 dargestellten Beispiel ist im Unter- schied zum Beispiel nach den Figuren 1 und 2 der Abstand dl zwischen der Drehachse 21 und dem Befestigungspunkt 22 des Hebels 20 am Leiter 1 kleiner als der Abstand d2 zwischen der Drehachse 21 und dem Angriffspunkt 23 der zu messenden Kraft K bzw. Kλ am Hebel 20.
Dieses Beispiel ist für die Falle geeignet, bei denen die von der Faser 1 auf das Gitter 11 übertragenen Dehnungen und/oder Kontraktionen deshalb zu gering sind, um die dadurch bewirkten Verschiebungen der gitterspezifischen Bragg-Wellenlänge λl zu messen, weil die diese Dehnungen und/oder Kontraktionen bewirkenden Kräfte Kl bzw. Kl Λ zu gering sind.
Bei diesem Beispiel werden durch den Hebel 20 am Befestigungspunkt 22 Kräfte Kl bzw. Kl x erreicht, die um den Faktor 1/k = d2/dl > 1 größer sind als die zu messenden Kräfte K bzw. Kλ am Angriffspunkt 23 des Hebels.
Die Figur 4 zeigt eine spezielle Realisierung des Beispiels nach Figur 3. Diese Realisierung unterscheidet sich abgesehen von den anderen Hebelverhältnissen vom Realisierungsbeispiel nach Figur 2 nur in der anderen Art der Erzeugung der zu es- senden Kraft K bzw. KΛ. Ansonsten ist die Realisierung nach Figur 4 in der gleichen Weise wie das Realisierungsbeispiel nach Figur 2 aufgebaut, und einander entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Bei der Realisierung nach Figur 4 ist beispielsweise und im Unterschied zu den Beispielen nach den Figuren 1 und 2 sowie dem Beispiel nach Figur 3 der Befestigungspunkt 22 des Hebels 20 zwischen der Drehachse 21 des Hebels 20 und dem Angriffspunkt 23 der zu messenden Kraft K bzw Kλ angeordnet.
Die zu messende Kraft K bzw. KΛ ist in diesem Fall beispielsweise die Trägkeitskraft, die eine träge Masse M des Hebels
20 bei einer beschleunigten Bewegung des Hebels 20 auf diesen Hebel 20 ausübt. Der Angriffspunkt 23 der Kraft K bzw. KΛ fällt in diesem Fall mit dem Schwerpunkt der Masse M zusammen.
In diesem Fall bilden der am Trägerkörper 3 um die Drehachse
21 drehbar angelenkte Hebel 20 mit der Masse M eine Krafter- zeugungseinrichtung zur Erzeugung der von der Kraftübertragungseinrichtung 2 umzusetzenden zu messenden mechanische Kraft K, K'.Der Hebel 20 mit der Drehachse 21 und der Masse M selbst bildet eine Wandlereinrichtung zur Umwandlung einer von der zu messenden mechanischen Kraft K, bzw. Kλ verschiedenen physikalischen Große, hier eine Beschleunigung, in diese Kraft K, bzw. KΛ.
Bei kleinen Beschleunigungen erzeugt die Masse M, auch wenn sie groß ist, nur sehr kleine Tragheitskrafte, die das Bragg- Gitter 11 nicht oder nur wenig in der Längsrichtung 10 dehnen können. Durch die Realisierung nach Figur 4 kann eine derart kleine Tragheitskraft K bzw. K in eine große Kraft Kl bzw.
Kl umgesetzt werden, die ausreicht, das Gitter 11 zu dehnen, wobei zudem ausreichende Auslenkungen erhalten werden können.
Mit dem Beispiel nach den Figuren 3 und 4 kann e n Beschleu- nigungs- und/oder Vibrationssensor jeweils großer Meßempfmd- lichkeit realisiert werden.
Jede der in den Figuren dargestellten Vorrichtungen wird generell so betrieben, daß die optische Strahlung P in die Fa- serl eingekoppelt und in der Faser 1 zum Bragg-Gitter 11 geleitet und die von dem Gitter 11 reflektierte Bragg- Wellenlange λl gemessen wird. Die gemessen Wellenlange λl bzw. deren Verschiebung ist ein Maß für die zu messende Kraft oder physikalische Große.
In der Figur 2 ist eine Referenzfaser 5 mit einem Referenz- Bragg-Gitter 51 zur Kompensation von temperaturbedingten Effekten dargestellt. Die Referenzfaser 5 st parallel zur Faser 1 angeordnet, überbrückt den Hohlraum 30 und Hebel 20 spannungsfrei und st bei Punkten 52 und 54 auf dem Oberfla- chenabschnitt 31 so am Tragerkorper 3 befestigt, daß eine temperaturbedingte Dehnung des Tragerkorpers 3 keine messbare mechanische Spannung in der Referenzfaser 5 erzeugt. Die Referenzfaser 5 und die Faser 1 sind von der gleichen Faser ge- nommen. Ebenso ist das Referenz-Bragg-Gitter 51 und das Bragg-Gitter 11 gleich ausgebildet.

Claims

Patentansprüche
1. Bragg-Gitter-Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Kraft (K, KΛ), mit: - wenigstens einem optischen Leiter (1) aus elastischem Material zum Leiten einer optischen Strahlung (P) in einer Ausbreitungsrichtung (10) ,
- wenigstens einem im Leiter (1) ausgebildeten optischen Bragg-Gitter (11) mit einer Bragg-Wellenlänge (λl), die in Abhängigkeit von einer Dehnung und/oder Kontraktion des Leiters (1) in der Ausbreitungsrichtung (10) variiert, und
- einer Kraftübertragungseinrichtung (2) , welche die zu messende Kraft (K, Kλ) in eine den Leiter (1) in der Ausbreitungsrichtung (10) dehnende und/oder kontrahierende Kraft (Kl, Kl') umsetzt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kraftübertragungseinrichtung (2) wenigstens einen Hebel (20) aufweist,
- der um eine relativ zum Leiter (1) im wesentlichen feste Drehachse (21) drehbar ist,
- der am Leiter (1) befestigt ist, und
- auf den die zu messende Kraft (K. Kλ) einwirkt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Kraftübertragungs- einrichtung (2) einen Hebel (20) aufweist, bei dem der Abstand (dl) zwischen der Drehachse (21) und einem Befestigungspunkt (22) des Hebels (20) am Leiter (1) größer als der Abstand (d2) zwischen der Drehachse (21) und einem Angriffspunkt (23) der zu messenden Kraft (K, Kλ) am Hebel (20) ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Kraftübertragungseinrichtung (2) einen Hebel (20) aufweist, bei dem der Abstand (dl) zwischen der Drehachse (21) und dem Befestigungspunkt (22) des Hebels (20) am Leiter (1) kleiner als der Abstand (d2) zwischen der Drehachse (d2) und dem Angriffspunkt (23) der zu messenden Kraft (K, K') am Hebel (20) ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Leiter (1) an einem relativ zur Drehachse (21) des Hebels (20) im wesentlichen festen Punkt (23) fixiert ist, der in der Ausbreitungsrichtung (10) in einem das Gitter (11) enthaltenden Abstand (a) vom Befestigungspunkt des Hebels (20) am Leiter (1) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, mit einem Trägerkörper (3) , an dem der Hebel (20) um die Drehachse (21) drehbar angelenkt und der Leiter (1) an dem festen Punkt (23) fixiert ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Trägerkörper (3) einstückig ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leiter (1) eine Vorspannung (B) in der Ausbreitungsrichtung (10) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leiter (1) eine optische Faser aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Krafterzeugungseinrichtung (3, 20, 4; 3, 20, 21, M) zur Erzeugung der von der Kraftübertragungseinrichtung (2) umzusetzenden zu messenden mechanische Kraft (K, Kλ) .
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Krafterzeugungseinrichtung (3, 20, 4; 3, 20, 21, M) eine Wandlereinrichtung (4; 20, 21, M) zur Umwandlung einer von der zu messenden mechanischen Kraft (K, Kλ) verschiedenen physikalischen Größe (U) in diese Kraft (K, Kλ) aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Wandlereinrichtung (4) einen Körper aus piezoelektrischem Material aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Wandlereinrichtung (20, 21, M) eine bewegliche Masse (M) aufweist.
14. Anwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13 zur Messung einer physikalischen Größe (U) .
15. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit den Schritten: - Leiten einer optischen Strahlung (P) im Leiter (1) zu einem im Leiter (1) ausgebildeten Bragg-Gitter (11), und - Messen einer vom Bragg-Gitter (11) aufgrund der zugeleiteten optischen Strahlung (P) erzeugten Bragg- Wellenlänge (λl) als Maß für die zu messende Kraft (K, K ) .
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