WO2001014840A1 - Bragg-gitter-vorrichtung zum messen einer mechanischen kraft sowie anwendung und verfahren zum betrieb der vorrichtung - Google Patents

Bragg-gitter-vorrichtung zum messen einer mechanischen kraft sowie anwendung und verfahren zum betrieb der vorrichtung Download PDF

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WO2001014840A1
WO2001014840A1 PCT/DE2000/002775 DE0002775W WO0114840A1 WO 2001014840 A1 WO2001014840 A1 WO 2001014840A1 DE 0002775 W DE0002775 W DE 0002775W WO 0114840 A1 WO0114840 A1 WO 0114840A1
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WO
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force
lever
conductor
axis
rotation
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PCT/DE2000/002775
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English (en)
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Inventor
Michael Willsch
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet

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, which according to the preamble of claim 1 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 a force that stretches and / or contracts the conductor in the direction of propagation.
  • the invention also relates to an application and a method for operating the device.
  • the optical conductor consists of an elastic material made of a fiber and the force transmission device has an elastic medium in which the Bragg grating is embedded and a mass which is parallel to a longitudinal axis of the fiber and faces away from the fiber and is connected at a radial distance from the fiber arranged side surface of the elastic medium and, when the device is accelerated, generates a force to be measured and acted on the elastic medium, which force, through this elastic medium, extends into and / or extends the fiber in the direction of propagation. or contracting force.
  • a similar device is known from WO 98/31987, which differs from the device according to US Pat. No.
  • At least one optical fiber for guiding optical radiation in a direction of propagation
  • an expansion body which is fastened to the fiber at two fastening points arranged at a distance from one another in the direction of propagation and which can contain the grating and which can expand in the direction of propagation.
  • This device is used to detect 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.
  • 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 cause a shift in 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
  • the lever translation which is free of rotation axes, serves to impart a tension m to the direction of propagation of the fiber and the grating between the fastening points.
  • the rotation ratio-free lever transmission has at least two parts elongated in the direction of propagation, each with an end face, these ends being firmly connected to one another.
  • Each of these two parts has ⁇ e an opposite end opposite 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 m of the fibers acting in the direction of propagation can be generated by changing the lengths of the two parts measured between the front ends m of the direction of propagation relative to one another.
  • a device for measuring a mechanical force can also be designed such that a mass generates a force when the device is accelerated, which deflects a fiber or a mirror, and that one of the deflection light intensity dependent on the fiber or the mirror is measured.
  • a device for measuring a mechanical force can also be designed such that a mass generates a force when the device is accelerated, which deflects a tongue, and that the deflection of the tongue is detected capacitively by means of electrical methods.
  • the invention is based on the object of providing a Bragg grating device of the type mentioned at the outset for measuring a mechanical force which, in comparison with the known Bragg grating devices of this type, permits wider use.
  • the force transmission device has a transmission with an axis of rotation that is essentially fixed relative to the conductor.
  • a broader application of the device according to the invention can in particular be obtained 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 gear with a rotating axis for example a lever gear or a gear gear
  • the transmission has at least one lever which is rotatable about the 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 is at a distance of the axis of rotation acts.
  • This configuration can be implemented in a structurally particularly simple manner. The force to be measured can act on the lever at the conductor, ie at zero distance from the conductor or at a distance other than zero from the conductor.
  • the conversion ratio of the transmission is given by the ratio between the distance between the point of application of the force to be measured on the lever and the axis of rotation of the lever and the distance between the point of attachment of the lever on the conductor and the axis of rotation.
  • This ratio can be chosen to be smaller, larger or equal to one.
  • This 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 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 has preferred and advantageously a support body on which the lever is pivoted about the axis of rotation and the conductor is fixed to the fixed point.
  • the support 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 produce, and a complex and expensive support structure comprising several parts is avoided.
  • the axis of rotation is defined by an elastic spring which connects the supporting body and the lever to one another.
  • the spring is preferably and advantageously a leaf spring which is arranged in relation to the conductor in such a way that it is elastic in the direction parallel to the direction of propagation, but stiff in the direction perpendicular to the direction of propagation.
  • the device advantageously has a degree of freedom of movement only m direction parallel to the direction of propagation, but not n direction perpendicular to it.
  • the leaf spring can be realized by a connecting web between the support body and the lever, which can consist of the same material as the support body and the lever, for example quartz glass.
  • the support body, the lever and the axis of rotation can advantageously be formed in one piece.
  • the conductor is biased parallel to the propagation direction. 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, with which the Bragg Grid is formed.
  • the fiber can consist of quartz glass, for example.
  • 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 such 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 transducer device for converting a physical variable m different from the mechanical force to be measured, this physical force preferably being different from a mechanical force and ⁇ e according to the transducer the temperature can be an electric and / or magnetic field strength, an acceleration, vibration, etc.
  • the transducer device can have a body made of piezoelectric material that stretches and / or contracts depending on the field strength or voltage, 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 force generated by the mass forming the force to be measured.
  • the center of gravity of the mass defines the point of application of the mechanical force to be measured.
  • This focus can be on an axis connecting the attachment point of the lever with the conductor and the axis of rotation or be arranged at a distance from this axis. In the latter case, an acceleration sensitivity of the device can be achieved not only in the direction parallel to the propagation, but also in the direction perpendicular to it.
  • the device according to the invention not only has the advantage of measuring a mechanical force that depends on a physical variable that differs in particular from a mechanical force, but also 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 the Bragg grating formed in the conductor and a Bragg wavelength generated by the Bragg grating due to 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 with which a reference Bragg grating is formed, by means of which temperature influences which cause a shift in the Bragg wavelength are detected and eliminated by a suitable evaluation can.
  • 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, which is amplified in the event of deflections
  • FIG. 2 shows a realization of the example according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of the device according to the invention, in which forces are increased
  • Figure 5 m simplified representation of a modification of the implementation of Figure 4.
  • FIG. 6 shows a simplified representation of a further modification of the implementation according to FIG. 4.
  • 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 a 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 expansion and / or contraction of the fiber 1 parallel to its longitudinal direction 10.
  • Eme generally designated 2 Kraftubertragungse direction converts the force to be measured m eme force acting on the fiber 1 parallel to its longitudinal direction 10, which stretches and / or contracts the fiber 1 parallel to the longitudinal direction 10.
  • the power transmission device 2 generally has a gear 2 ′ with an axis of rotation 21 that is essentially fixed relative to the conductor 1.
  • This gear 2 has, for example, a lever 20 which is rotatable on the one hand about the axis of rotation 21 and is attached to the fiber 1, and on which the force to be measured acts.
  • the axis of rotation 21 is aligned in the direction perpendicular to the drawing plane of the respective figure, so that the lever 20 rotates in the direction parallel to this drawing plane.
  • the lever 20 is attached to the fiber 1 at an attachment point 22.
  • the fiber 1 itself is relative to one
  • the axis of rotation 21 of the lever 20 fixes fixed point 32, which is located at a distance a measured parallel to the longitudinal direction 10 from the fastening point 22 of the lever 20 on the fiber 1.
  • the grid 11 is contained at a distance a.
  • the distance d1 between the axis of rotation 21 and the fastening point 22 of the lever 20 on the fiber 1 is greater than the distance d2 between the fixed one
  • 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 displacements of the grating-specific Bragg wavelength ⁇ l.
  • FIG. 2 shows a special implementation of the example according to FIG. 1.
  • a support 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 attached to a further fixed point 34 on the support body 3 so that the attachment point 22 of the lever 20 and the grid 11 is arranged between the one fixed point 32 and the other fixed point 34.
  • the fiber 1 is biased between the two fixed points 32 and 34 with the bias B.
  • the support 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 support 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 delimited by an inner edge 301 of the surface section 31 and extends from the surface section 31 vertically to the plane of the drawing in 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.
  • a lever axis 200 of the lever 20 runs essentially parallel to the drawing plane of the respective figure and preferably essentially perpendicular to the longitudinal axis 10 of the fiber 1, but can also be arranged obliquely to the longitudinal axis 10.
  • the axis of rotation 21 of the lever 20 can be the axis of rotation of a swivel 320 which links the lever 20 to the support body 3, so that the lever 20 is rotatable relative to the support body 3 about the fixed axis of rotation 21.
  • the lever 20 is articulated on the support body 3 by means of a swivel joint 320 which is arranged between the support body 3 and the lever 20 and connects the two to one another.
  • Such a swivel 320 can be implemented, for example, by a deformable connection between the lever 20 and the support 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 preferably elastically flexible connecting strap 321, which is stiff in the direction vertical to the plane of the drawing in FIG. 2, is preferably flexible in the direction parallel to the plane of the drawing and perpendicular to the lever axis 200 and forms a leaf spring
  • connection 320 defines an axis of rotation 21, which is not completely fixed relative to the support 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 firmly connected to the support body 3 and lever 20 and depends on an applied electrical voltage U along an actuator axis 400 expands and / or contracts that is parallel to the plane of the drawing in FIG. 2 and the lever axis 200 intersects vertically or obliquely at the point of attack 23.
  • the expanding and / or contracting piezo actuator 4 exerts a force K or K 'to be measured on the lever 20, which is directed at the point of attack 23 and can be regarded as attacking there.
  • the piezo actuator 4 which is firmly connected to the support body 3 and lever 20, forms an 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 piezo actuator 4 itself forms a converter device for converting a physical variable different from the mechanical force K or K 'to be measured, here the electrical voltage U, m this force K or K'.
  • a body made of a material that expands and / or contracts depending on, for example, the temperature or a magnetic field strength is used to generate the force to be measured
  • the example according to FIGS. 1 and 2 can be used Temperature or magnetic sensor can be realized with great sensitivity.
  • This example is suitable for the cases in which the strains and / or contractions transmitted from the fiber 1 to the grating 11 are therefore too small to measure the resulting shifts in the grating-specific Bragg wavelength ⁇ 1, because these strains and / or forces Kl or Kl 'causing contractions are too low.
  • 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 measured. 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 fastening 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 to be measured or K 'arranged.
  • the force K or K 'to be measured is, for example, the inertial force which an inertial mass M of the lever 20 exerts on the lever 20 when the lever 20 accelerates.
  • the lever 20 with the axis of rotation 21 and the mass M itself forms a transducer device for converting physical quantities different from the mechanical force K or K 'to be measured, here an acceleration, m this force K or K'.
  • the example shown in FIG. 5 differs from the example shown in FIG. 4 essentially only in that the fastening point 22 of the lever 20 on the conductor 1 and the point of application 23 of the force to be measured on the lever 20 coincide or on one of the plane of the drawing in FIG. 5 vertical axis m are arranged at a distance from each other. In this case, the distance of the attachment point
  • this force transmission device 2 is equal to one.
  • the example shown in FIG. 6 essentially differs from the examples shown in FIGS. 4 and 5 only in that the point of application 23 of the force to be measured is arranged at a distance d3 measured parallel to the plane of the drawing in FIG. 6 and parallel to the direction of propagation 10 and thus perpendicular to the lever axis 200.
  • the device is sensitive to acceleration in the direction parallel to the plane of the drawing in FIG. 6 and parallel to the direction of propagation 10.
  • the point of attack 23 can be defined by the center of gravity of a mass, which can be fastened, for example, to a leg section 250 of the lever 20 projecting laterally from the lever axis 200 or can be given by the mass of this section 250 itself.
  • 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 or physical quantity to be measured.
  • 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 the 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.
  • the carrier body 3 and the force transmission device 2 with the gear 2 ′ having the axis of rotation 21 can advantageously be made of one and the same material, for example quartz glass or a Metal or silicon technology can be realized on the basis of microstructuring processes.

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 die zu messende Kraft in eine die Faser dehnende und/oder kontrahierende Kraft (K1, K1') umsetzende Kraftübertragungseinrichtung (2), die ein Getriebe (2') mit einer Drehachse (21) aufweist. 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, die nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufweist:
- wenigstens einen optischen Leiter aus elastischem Material zum Leiten einer optischen Strahlung in einer Ausbreitungsrichtung,
- wenigstens ein im Leiter ausgebildetes optischen Bragg-Gitter mit einer Bragg-Wellenlänge, die in Abhängigkeit von einer Dehnung und/oder Kontraktion des Leiters in der Aus- breitungsrichtung variiert, und
- eine Kraftübertragungseinrichtung, welche die zu messende Kraft in eine den Leiter in der Ausbreitungsrichtung dehnende und/oder kontrahierende Kraft umsetzt.
Die Erfindung betrifft auch eine Anwendung und ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.
Eine Vorrichtung der genannten Art ist aus dem US-Patent 5 680 489 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung besteht der optischen Leiter aus elastischem Material aus einer Faser und die Kraftübertragungseinrichtung weist ein elastisches Medium, in welches das Bragg-Gitter eingebettet ist, und eine Masse auf, die mit einer zu einer Längsachse der Faser parallelen, von der Faser abgekehrten und in einem radialen Ab- stand von der Faser angeordneten Seitenfläche des elastischen Mediums verbunden ist und bei einer Beschleunigung der Vorrichtung eine auf das elastische Medium wirkende und zu messende Kraft erzeugt, die durch dieses elastische Medium in eine die Faser in der Ausbreitungsrichtung dehnende und/oder kontrahierende Kraft umsetzt. Eine ahnliche Vorrichtung ist aus WO 98/31987 bekannt, die sich von der Vorrichtung nach dem US-Patent 5 680 489 lediglich dadurch unterscheidet, daß die Masse nicht an einer Seitenfläche, sondern an einer quer zur Längsachse der Faser an- geordneten Stirnfache des elastischen Mediums befestigt ist, die sonst aber wie die Vorrichtung nach dem US-Patent 5 680 489 arbeitet.
Aus der DE 196 48 403 ist eine Bragg-Gitter-Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Kraft bekannt, die aufweist:
- wenigstens eine optische Faser zum Leiten einer optischen Strahlung m einer Ausbreitungsrichtung,
- ein in der Faser integriertes optischen Bragg-Gitter mit einer gitterspezifischen Bragg-Wellenlange, die m Abhangig- keit von einer Dehnung und/oder Kontraktion der Faser m der Ausbreitungsrichtung variiert, und
- einen Dehnkörper, der an der Faser bei zwei in der Ausbreitungsrichtung in einem das Gitter enthaltenden Abstand voneinander angeordneten Befestigungspunkten befestigt ist und sich m 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 Dehn- korper 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 Ausfuhrungsform dieser Vorrichtung ist eine temperaturkompensierte Variante, die eine zusätzliche unbelastete Referenzfaser mit einem integrierten Referenz-Bragg-Gitter auf- weist, durch welches Temperatureinflusse, die eine Verschiebung der Bragg-Wellenlange 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 m einer Ausbreitungsrichtung,
- ein in der Faser ausgebildetes optisches Bragg-Gitter mit einer gitterspezifischen Bragg-Wellenlange, die m Abhängigkeit von einer Dehnung und/oder Kontraktion der Faser in der Ausbreitungsrichtung variiert, und - eine drehachsenfreie Hebelubersetzung, welche an der Faser bei zwei in der Ausbreitungsrichtung m einem das Gitter enthaltenden Abstand voneinander angeordneten Befestigungspunkten befestigt ist.
Die drehachsenfreie Hebelubersetzung, dient dazu, der Faser und dem Gitter zwischen den Befestigungspunkten eine Spannung m der Ausbreitungsrichtung zu erteilen.
Dazu weist die drehachsenfreie Hebelubersetzung 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 πe 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 m der Ausbreitungsrichtung wirkende Spannung m der Fa- ser kann durch eine Änderung der zwischen den stirnseitigen Enden m der Ausbreitungsrichtung gemessenen Langen der beiden Teile relativ zueinander erzeugt werden.
Eine Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Kraft kann auch so ausgebildet sein, daß eine Masse bei einer Beschleunigung der Vorrichtung eine Kraft erzeugt, die eine Faser oder einen Spiegel auslenkt, und daß eine von der Auslenkung der Faser oder des Spiegels abhängige Lichtintensität gemessen wird.
Auch kann eine Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Kraft so ausgebildet sein, daß eine Masse bei einer Beschleunigung der Vorrichtung eine Kraft erzeugt, die eine Zunge auslenkt, und daß die Auslenkung der Zunge mittels elektrischer Methoden, beispielsweise kapazitiv detektiert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bragg-Gitter- Vorrichtung der eingangs genannten Art zum Messen einer mechanischen Kraft bereitzustellen, die im Vergleich zu den bekannten derartigen Bragg-Gitter-Vorrichtungen eine breitere Anwendung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst
Gemäß dieser Lösung weist bei der erfindungsgemäßen Bragg- Gitter-Vorrichtung die Kraftübertragungseinrichtung ein Ge- triebe mit einer relativ zum Leiter im wesentlichen festen Drehachse aufweist.
Eine breitere Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann insbesondere dadurch erhalten werden, daß die Kraftüber- tragungseinrichtung ein von eins verschiedenes Umsetzungsverhältnis zwischen der zu messenden Kraft und der umgesetzten Kraft aufweist.
Als Getriebe ist prinzipiell jede Art von Getriebe mit Dreh- achse, beispielsweise ein Hebelgetriebe oder Zahnradgetriebe, geeignet. Eine bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist so ausgebildet, daß das Getriebe wenigstens einen Hebel aufweist, der um die relativ zum Leiter im wesentlichen feste Drehachse drehbar ist, der am Leiter befestigt ist, und auf den die zu messende Kraft in einem Abstand von der Drehachse einwirkt. Diese Ausgestaltung läßt sich baulich besonders einfach realisieren. Die zu messende Kraft kann dabei am Leiter, d.h. im Anstand null vom Leiter oder in einem von null verschiedenen Abstand vom Leiter auf den Hebel einwirken.
Das Umsetzungsverhältnis des Getriebes ist in diesem Fall durch das Verhältnis zwischen dem Abstand des Angriffspunkts der zu messenden Kraft am Hebel von der Drehachse des Hebels und dem Abstand des Befestigungspunkts des Hebels am Leiter von der Drehachse gegeben. Dieses Verhältnis kann kleiner, größer oder gleich eins gewählt sein.
Insbesondere ist eine Vergrößerung einer von der zu messenden Kraft bewirkten Auslenkung gegeben, wenn der Abstand zwischen dem Befestigungspunkt des Hebels am Leiter und der Drehachse größer als der Abstand zwischen dem Angriffspunkt der zu messenden Kraft am Hebel und der Drehachse gewählt ist, und eine Kraftverstärkung, wenn der Abstand zwischen dem Befestigungspunkt des Hebels am Leiter und der Drehachse kleiner als der Abstand zwischen dem Angriffspunkt der zu messenden Kraft am Hebel und der Drehachse gewählt ist.
Diese 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 im wesentlichen festen Punkt fixiert, der in der Ausbreitungsrichtung der Strahlung in einem das Gitter enthaltenden Abstand vom Befe- stigungspunkt des Hebels am Leiter angeordnet ist. Diese Ausfuhrungsform weist Vorzugs- und vorteilhafterweise einen Tragerkorper auf, an dem der Hebel um die Drehachse drehbar angelenkt und der Leiter an dem festen Punkt fixiert ist. Der Tragerkorper kann vorteilhafterweise einstuckig ausgebildet sein und insbesondere aus einem einzigen Material bestehen. Dadurch kann die Ausfuhrungsform vorteilhafterweise baulich einfach sein und kostengünstig hergestellt werden, und eine komplexe und teure Tragerstruktur aus mehreren Teilen ist vermieden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Drehachse durch eine elastische Feder definiert ist, die den Tragerkorper und den Hebel miteinander verbindet. Die Feder ist Vorzugs- und vorteilhafterweise eine Blattfeder, die m Bezug auf den Leiter so ange- ordnet ist, daß sie m Richtung parallel zur Ausbreitungsrichtung elastisch, in Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung dagegen steif ist. Dadurch hat die Vorrichtung vorteilhafterweise einen Bewegungsfeiheitsgrad nur m Richtung parallel zur Ausbreitungsrichtung, nicht aber n Richtung senkrecht dazu.
Die Blattfeder kann durch einen Verbindungssteg zwischen dem Tragerkorper und dem Hebel realisiert werden, der aus dem gleichen Material wie der Tragerkorper und der Hebel, bei- spielsweise aus Quarzglas bestehen kann. In diesem Fall können der Tragerkorper, der Hebel und die Drehachse vorteilhafterweise einstuckig ausgebildet sein.
Zweckmäßig ist es, wenn der Leiter parallel zur Ausbreitungs- πchtung 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 Korper aus trans- parentem elastischen Material verwendet werden, der optische Strahlung m einer Ausbreitungsrichtung leitet. Vorzugsweise weist der Leiter eine optische Faser auf, m der das Bragg- Gitter ausgebildet ist. Die Faser kann beispielsweise aus Quarzglas bestehen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfmdungsgemaßen Vorrichtung weist eine Krafterzeugungseinrichtung zur Erzeugung der von der Kraftubertragungsemrichtung umzusetzenden zu messenden mechanische Kraft auf, die insbesondere so ausgebildet 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- leremrichtung zur Umwandlung einer von der zu messenden mechanischen Kraft verschiedenen physikalischen Große m diese Kraft auf, wobei die physikalischen Große vorzugsweise von einer mechanischen Kraft verschieden ist und πe nach Wand- leremπchtung beispielsweise die Temperatur, eine elektrische und/oder magnetische Feldstarke, eine Beschleunigung, Vibration usw. sein kann.
Ist die physikalische Große beispielsweise eine elektrische Feldstarke oder Spannung, kann die Wandlereinrichtung einen Korper aus piezoelektrischem Material aufweisen, der sich m Abhängigkeit von der Feldstarke oder Spannung streckt und/oder zusammenzieht, wobei dieses Verhalten zur Erzeugung der zu messenden Kraft ausgenutzt wird.
Wenn die physikalische Große beispielsweise e ne Beschleunigung und/oder Verzögerung, insbesondere eine Vibration ist, kann die Wandlereinrichtung eine bewegliche Masse aufweisen, auf welche die Beschleunigung und/oder Verzögerung wirkt, wobei die von der Masse erzeugte Tragheitskraft die zu messende Kraft bildet. Der Schwerpunkt der Masse definiert den Angriffspunkt der zu messenden mechanischen Kraft.
Dieser Schwerpunkt kann auf einer den Befestigungspunkt des Hebels mit dem Leiter und die Drehachse verbindenden Achse oder m einem Abstand von dieser Achse angeordnet sein. Im letztgenannten Fall kann eine Beschleunigungsempfmdlichkeit der Vorrichtung nicht nur in Richtung parallel zur Ausbreitung, sondern auch in Richtung senkrecht dazu erreicht wer- den.
Die Weiterbildung der erfmdungsgemaßen Vorrichtung hat nicht nur den Vorteil der Messung einer mechanischen Kraft, die von einer insbesondere von einer mechanischen Kraft verschiedenen physikalischen Große abhangt, sondern überdies den Vorteil daß sie als Sensorvorrichtung zur Messung der physikalischen Große selbst angewendet werden kann, beispielsweise als Temperatur-, elektrischer Spannungs-, Beschleunigungs- oder Vibrationssensor .
Die erfmdungsgemaße Vorrichtung wird generell so betrieben, daß im Leiter eine optischen Strahlung zu dem im Leiter ausgebildeten Bragg-Gitter geleitet und eine vom Bragg-Gitter aufgrund der zugeleiteten optischen Strahlung erzeugte Bragg- Wellenlange als Maß für die zu messende Kraft gemessen wird.
Zur Kompensation von temperaturbedingten Effekten kann ein dehnungs- und kontraktionskraftefreier optischer Referenzleiter vorhanden sein, m welchem ein Referenz-Bragg-Gitter aus- gebildet ist, durch welches Temperatureinflusse, die eine Verschiebung der Bragg-Wellenlange hervorrufen, erfaßt und durch eine geeignete Auswertung eliminiert werden können. Der Referenzleiter und der zur Kraftmessung verwendete Leiter sind vorzugsweise gleichartig. Das gleiche gilt f r das Refe- renz-Bragg-Gitter und das zur Kraftmessung verwendete Bragg- Gitter.
Die Erfindung wird m der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen beispielhaft naher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausfuhrungsbeispiel der erf mdungsgemaßen Vorrichtung, bei Auslenkungen verstärkt werden, Figur 2 ein Realisierung des Beispiels nach Figur 1,
Figur 3 ein Ausfuhrungsbeispiel der erfmdungsgemaßen Vorrichtung, bei dem Kräfte verstärkt werden,
Figur 4 eine Realisierung des Beispiels nach Figur 3 mit Hilfe einer Masse,
Figur 5 m vereinfachter Darstellung eine Modifikation der Realisierung nach Figur 4 und
Figur 6 in vereinfachter Darstellung eme weitere Modifikation der Realisierung nach Figur 4.
Die Figuren sind schematische Darstellungen und nicht maßstäblich.
Bei den den Figuren dargestellten Beispielen besteht der mit 1 bezeichnete optischen Leiter beispielsweise aus emer optischen Faser, z.B. einem Glasfaser-Lichtwellenleiter . Die Faser 1 leitet eingekoppelte optische Strahlung P in einer Ausbreitungsrichtung, die mit einer zur Zeichenebene parallelen Längsrichtung 10 der Faser 1 übereinstimmt.
In der Faser 1 ist ein optisches Bragg-Gitter 11 mit einer gitterspezifischen Bragg-Wellenlange λl ausgebildet, die in Abhängigkeit von einer Dehnung und/oder Kontraktion der Faser 1 parallel zu deren Längsrichtung 10 variiert.
Eme generell mit 2 bezeichnete Kraftubertragungse richtung setzt die zu messende Kraft m eme auf die Faser 1 parallel zu deren Längsrichtung 10 wirkende Kraft um, welche die Faser 1 parallel zur Längsrichtung 10 dehnt und/oder kontrahiert.
Die Kraftubertragungsemrichtung 2 weist generell ein Getriebe 2' mit einer relativ zum Leiter 1 im wesentlichen festen Drehachse 21 auf.
Dieses Getriebe 2' weist beispielsweise einen Hebel 20 auf, der einerseits um die Drehachse 21 drehbar ist, der anderer- seits 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 der jeweiligen Figur ausgerichtet, so daß sich der Hebel 20 in Richtung parallel zu dieser 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 parallel zur 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 Gegenuhrzeigersinn 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 parallel zur 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 K' gemessen werden kann, die eine Dre- hung 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 in Richtung zum Befestigungspunkt 22 gerichteten bestimmten Vorspannkraft B vorgespannt, die der von dieser Kraft K1 am Befestigungspunkt 22 erzeugten Kraft Kl' entgegenwirkt. Solche Kräfte K' können gemessen werden, solange Kl' < B gilt. Der Angriffspunkt 23 der zu messenden Kraft ist bei den Figuren 1 bis 5 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 Zeichenebene der jeweiligen Figur 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 großer als der Abstand d2 zwischen der festen
Drehachse 21 und dem Angriffspunkt 23 der zu messenden Kraft K bzw. K' 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 zu gering sind, um die dadurch bewirkten Verschiebungen der gitterspezifischen Bragg-Wellenlange λl zu messen.
Durch den Hebel 20 werden am Befestigungspunkt 22 Dehnungen und/oder Kontraktionen erreicht, die um den Faktor k = dl/d2 > 1 großer 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 Tragerkorper 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 Tragerkorper 3 so befestigt, daß der Befestigungspunkt 22 des Hebels 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 Tragerkorper 3 ist einstuckig 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 Oberflachenabschnitt des Tragerkorpers 3 ausgebildete Aussparung. In der Figur 2 ist dieser Oberflachenabschnitt in Draufsicht dargestellt und mit 31 bezeichnet. Der Hohlraum 30 bildet ei- ne von einem inneren Rand 301 des Oberflächenabschnitts 31 begrenzte Öffnung 310 im Oberflachenabschnitt 31 und erstreckt sich vom Oberflachenabschnitt 31 vertikal zur Zeichenebene der Figur 2 in die Tiefe.
Die Öffnung 310 des Hohlraums 30 wird von der Faser 1 überspannt, die zu beiden Seiten der Öffnung 310 bei den festen Punkten 32 und 34 auf dem beispielsweise ebenen Oberflachenabschnitt 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.
Eine Hebelachse 200 des Hebels 20 verlauft in den Figuren im wesentlichen parallel zur Zeichenebene der jeweiligen Figur und vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zur Langsachse 10 der Faser 1, kann aber auch schräg zur Langsachse 10 angeordnet sein.
Die Drehachse 21 des Hebels 20 kann die Drehachse eines Drehgelenks 320 sein, das den Hebel 20 an den Tragerkorper 3 anlenkt, so daß der Hebel 20 relativ zum Tragerkorper 3 um die feste Drehachse 21 drehbar ist. Beispielsweise ist der Hebel 20 am Tragerkorper 3 durch ein Drehgelenk 320 angelenkt, das zwischen dem Tragerkorper 3 und dem Hebel 20 angeordnet ist und beide miteinander verbindet.
Em derartiges Drehgelenk 320 kann beispielsweise durch eine verformbare Verbindung zwischen dem Hebel 20 und dem Tragerkorper 3 realisiert sein.
Beim Beispiel nach den Figuren 2, 3, 5 und 6 ist eme 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 beispielsweise durch eme vorzugsweise elastisch biegsame Verbindungslasche 321 auf, die in Richtung vertikal zur Zeichenebene der Figur 2 steif, m Richtung parallel zur Zeichenebene und senkrecht zur Hebelachse 200 vorzugsweise elastisch biegsam ist und eme Blattfeder bildet
Eme solche Verbindung 320 definiert eine Drehachse 21, die relativ zum Tragerkorper 3 und damit zur Faser 1 nicht ganz fest ist, sondern sich innerhalb gewisser zulassiger 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. K' 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 Korper aus piezoelektrischem Material erzeugt, der fest mit dem Tragerkorper 3 und Hebel 20 verbunden ist und sich abhangig 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 eme zu messende Kraft K bzw. K' aus, die auf den Angriffspunkt 23 gerichtet ist und als dort angrei- fend angesehen werden kann.
Der fest mit dem Tragerkorper 3 und Hebel 20 verbundene Piezoaktor 4 bildet eme Krafterzeugungseinrichtung zur Erzeugung der von der Kraftubertragungsemrichtung 2 umzusetzenden zu messenden mechanische Kraft K bzw. K' . Der Piezoaktor 4 selbst bildet eme Wandlereinrichtung zur Umwandlung einer von der zu messenden mechanischen Kraft K, bzw. K' verschiedenen physikalischen Große, hier die elektrische Spannung U, m 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 Dehnungen und/oder Zusammenziehungen geeignet und fuhrt dabei zu einer betrachtlichen Vergrößerung der Auflösung der Bragg- Wellenlangen λl und damit der Meßempfmdlichkeit . Letzteres gilt auch für die Verwendung dieses Beispiels als elektri- scher Spannungssensor.
Wird zur Erzeugung der zu messenden Kraft anstelle eines Pie- zoaktors em Korper aus einem Material verwendet, das sich m Abhängigkeit von beispielsweise der Temperatur oder einer ma- gnetischen Feldstarke dehnt und/oder zusammenzieht, kann mit dem Beispiel nach den Figuren 1 und 2 em Temperatur- bzw. Magnetsensor jeweils großer Meßempfmdlichkeit realisiert werden.
Bei dem der Figur 3 dargestellten Beispiel ist im Unterschied 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. K' 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 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' zu gering sind.
Bei diesem Beispiel werden durch den Hebel 20 am Befestigungspunkt 22 Kräfte Kl bzw. Kl' erreicht, die um den Faktor 1/k = d2/dl > 1 größer sind als die zu messenden Kräfte K bzw. K' 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 messenden Kraft K bzw. K' . 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 Angriffs- punkt 23 der zu messenden Kraft K bzw. K' angeordnet.
Die zu messende Kraft K bzw. K' 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. K' fällt in diesem Fall mit dem Schwerpunkt der Masse M zusammen. In diesem Fall bilden der am Tragerkorper 3 um die Drehachse
21 drehbar angelenkte Hebel 20 mit der Masse M eine Krafter- zeugungsemπchtung zur Erzeugung der von der Kraftubertra- gungse richtung 2 umzusetzenden zu messenden mechanische
Kraft K, K' . Der Hebel 20 mit der Drehachse 21 und der Masse M selbst bildet eme Wandlereinrichtung zur Umwandlung emer von der zu messenden mechanischen Kraft K, bzw. K' verschiedenen physikalischen Große, hier eine Beschleunigung, m die- se Kraft K, bzw. K' .
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 eme derart kleine Tragheitskraft K bzw. K' 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 em Beschleu- nigungs- und/oder Vibrationssensor jeweils großer Meßempfmdlichkeit realisiert werden.
Das m der Figur 5 dargestellte Beispiel unterscheidet sich vom Beispiel nach der Figur 4 im wesentlichen nur dadurch, daß der Befestigungspunkt 22 des Hebels 20 am Leiter 1 und der Angriffspunkt 23 der zu messenden Kraft am Hebel 20 zusammenfallen oder auf einer zur Zeichenebene dieser Figur 5 senkrechten Achse m einem Abstand voneinander angeordnet sind. In diesem Fall sind der Abstand des Befestigungspunktes
22 des Hebels 20 am Leiter 1 von der Drehachse 21 und der Abstand des Angriffspunktes 22 der zu messenden Kraft von der Drehachse 21 zueinander gleich, und das Umsetzungsverhaltnis dieser Kraftubertragungsemrichtung 2 ist gleich eins.
Das m der Figur 6 dargestellte Beispiel unterscheidet sich von den Beispielen nach den Figuren 4 und 5 im wesentlichen nur dadurch, daß der Angriffspunkt 23 der zu messenden Kraft in einem parallel zur Zeichenebene der dieser Figur 6 und parallel zur Ausbreitungsrichtung 10 und damit senkrecht zur Hebelachse 200 gemessenen Abstand d3 voneinander angeordnet sind. In diesem Fall ist eine Beschleunigungsempfindlichkeit der Vorrichtung in Richtung parallel zur Zeichenebene der dieser Figur 6 und parallel zur Ausbreitungsrichtung 10 gegeben. Der Angriffspunkt 23 kann durch den Schwerpunkt einer Masse definiert sein, die beispielsweise auf einem von der Hebelachse 200 seitlich abstehenden Schenkelabschnitt 250 des Hebels 20 befestigt oder durch die Masse dieses Abschnitts 250 selbst gegeben sein kann.
Jede der in den Figuren dargestellten Vorrichtungen wird ge- nerell 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- Wellenlänge λl gemessen wird. Die gemessen Wellenlänge λl bzw. deren Verschiebung ist ein Maß für die zu messende Kraft oder physikalische Größe.
In der Figur 2 ist eine Referenzfaser 5 mit einem Referenz- Bragg-Gitter 51 zur Kompensation von temperaturbedingten Effekten dargestellt. Die Referenzfaser 5 ist parallel zur Fa- ser 1 angeordnet, überbrückt den Hohlraum 30 und Hebel 20 spannungsfrei und ist bei Punkten 52 und 54 auf dem Oberflächenabschnitt 31 so am Trägerkörper 3 befestigt, daß eine temperaturbedingte Dehnung des Trägerkörpers 3 keine messbare mechanische Spannung in der Referenzfaser 5 erzeugt. Die Re- ferenzfaser 5 und die Faser 1 sind von der gleichen Faser genommen. Ebenso ist das Referenz-Bragg-Gitter 51 und das Bragg-Gitter 11 gleich ausgebildet.
Bei allen dargestellten Beispielen können der Trägerkörper 3 und die Kraftübertragungseinrichtung 2 mit dem die Drehachse 21 aufweisenden Getriebe 2' vorteilhafterweise aus einem und demselben Material, beispielsweise aus Quarzglas oder einem Metall oder in Siliziumtechnologie auf der Basis von Mi- krostrukturierungsverfahren realisiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Bragg-Gitter-Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Kraft (K, K'), mit: - wenigstens einem optischen Leiter (1) aus elastischem Material zum Leiten einer optischen Strahlung (P) m emer Ausbreitungsrichtung (10) ,
- wenigstens einem im Leiter (1) ausgebildeten optischen Bragg-Gitter (11) mit emer Bragg-Wellenlange (λl), die m Abhängigkeit von einer Dehnung und/oder Kontraktion des Leiters (1) in der Ausbreitungsrichtung (10) variiert, und
- einer Kraftubertragungsemrichtung (2), welche die zu messende Kraft (K, K') in eine den Leiter (1) m der Ausbreitungsrichtung (10) dehnende und/oder kontrahierende Kraft (Kl, Kl') umsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftubertragungsemrichtung (2) e Getriebe (2') mit einer relativ zum Leiter (1) im wesentlichen festen Drehachse (21) aufweist .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (2') em von eins verschiedenes Um- setzungsverhaltnis zwischen der zu messenden Kraft (K, K' ) und der umgesetzten Kraft (Kl, Kl') aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (2') wenigstens einen Hebel (20) aufweist,
- der um die drehbar ist,
- der am Leiter (1) befestigt ist, und - auf den die zu messende Kraft (K. K' ) in einem Abstand (d2) von der Drehachse (21) einwirkt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Hebel (20), bei dem der Abstand (dl) zwischen (21) und einem Befestigungspunkt (22) des Hebels (20) am Leiter (1) und der Drehachse großer als der Abstand (d2) zwischen einem Angriffspunkt (23) der zu messenden Kraft (K, K' ) am Hebel (20) und der Drehachse (21) ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen Hebel (20), bei dem der Abstand (dl) zwischen dem Befestigungspunkt (22) des Hebels (20) am Leiter (1) und der Drehachse (21) kleiner als der Abstand (d2) zwischen dem Angriffspunkt (23) der zu messenden Kraft (K, K' ) am Hebel (20) und der Drehachse (d2) ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (1) an einem relativ zur Drehachse (21) im wesentlichen festen Punkt (23) fixiert ist, der der Ausbreitungsrichtung (10) in einem das Gitter (11) enthaltenden Abstand (a) vom Befestigungspunkt des Hebels (20) am Leiter (1) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Tragerkorper (3) , an dem der Hebel (20) um die Drehach- se (21) drehbar angelenkt und der Leiter (1) an dem festen Punkt (23) fixiert ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (21) durch eme Blattfeder (320) de- fmiert ist, die den Tragerkorper (3) und den Hebel (21) miteinander verbindet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragerkorper (3), der Hebel (20) und die Drehachse (21) einstuckig ausgebildet sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (1) eine Vorspannung (B) parallel zur Ausbreitungsrichtung (10) aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Anspr che, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (1) eme optische Faser aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eme Krafterzeugungsemrichtung
(3, 20, 4; 3, 20, 21, M) zur Erzeugung der von der Kraftuber- tragungse richtung (2) umzusetzenden zu messenden mechanische Kraft (K, K' ) .
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafterzeugungseinrichtung (3, 20, 4; 3, 20, 21, M) eme Wandlereinrichtung (4; 20, 21, M) zur Umwandlung einer von der zu messenden mechanischen Kraft (K, K' ) verschiedenen physikalischen Große (U) m diese Kraft (K, K' ) aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung (4) einen Korper aus piezoelektrischem Material aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung (20, 21, M) eme bewegliche Masse (M) aufweist.
15. Anwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 b s 14 zur Messung einer physikalischen Große (U) .
16. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch die Schritte:
- Leiten einer optischen Strahlung (P) im Leiter (1) zu dem im Leiter (1) ausgebildeten Bragg-Gitter (11), und
- Messen einer vom Bragg-Gitter (11) aufgrund der zugeleite- ten optischen Strahlung (P) erzeugten Bragg-Wellenlange (λl) als Maß für die zu messende Kraft (K, K' ) .
PCT/DE2000/002775 1999-08-20 2000-08-16 Bragg-gitter-vorrichtung zum messen einer mechanischen kraft sowie anwendung und verfahren zum betrieb der vorrichtung WO2001014840A1 (de)

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