WO2008040663A1 - Faseroptische sensorvorrichtung - Google Patents

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WO2008040663A1
WO2008040663A1 PCT/EP2007/060182 EP2007060182W WO2008040663A1 WO 2008040663 A1 WO2008040663 A1 WO 2008040663A1 EP 2007060182 W EP2007060182 W EP 2007060182W WO 2008040663 A1 WO2008040663 A1 WO 2008040663A1
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WO
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optical fiber
fiber
sensor device
light source
light
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Application number
PCT/EP2007/060182
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Inventor
Andreas Bausewein
Benjamin L' HÉNORET
Kenji Oda
Kensuke Shima
Christian Wieand
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Continental Automotive Gmbh
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    • G02—OPTICS
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/14—Mode converters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35338—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
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    • G01D5/35345—Sensor working in transmission using Amplitude variations to detect the measured quantity
    • G—PHYSICS
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    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
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    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/3537—Optical fibre sensor using a particular arrangement of the optical fibre itself
    • G01D5/35377—Means for amplifying or modifying the measured quantity

Definitions

  • the present invention relates to a fiber optic sensor device comprising an optical fiber having a light source coupled at a first end and a light detector coupled to the optical fiber at a second end, and means for detecting a deformation based on a change in the intensity of the light received by the optical fiber.
  • Such fiber optic sensor devices are known for example from WO 94/29671 Al. Today, they are used equally for slow as well as fast-running bending or deformation processes and are therefore also used in modern passenger vehicle construction. Thus, for example, a rapid detection of a collision of a motor vehicle with a pedestrian or cyclist by such sensors to initiate so-called active safety measures, such as caused by pyro- technical elements or an electric drive inclinations of a hood executed.
  • Fiber-optic sensor devices of the type mentioned regularly have light-emitting diodes as light source which are connected to an optical fiber, which is generally less than 2 m long, in the form of an optical plastic fiber or polymer optical fiber, in short POF, connected.
  • a short connection line or a pig-tail fiber can also be arranged. Due to component scattering, it has already been found in small series production that the sensor devices differ so far from one another in terms of their sensitivity and the attenuation or light transmission rate prevailing in the optical fiber that these optical sensor devices each had to be subjected to a separate calibration process once again to be able to deliver comparable results when in use. In a large-scale production would then at least when changing a component of the fiber optic sensor device by another design or another model of the same component to perform such a recalibration of the assembled sensor with a corresponding cost and time.
  • an optical sensor device of the type mentioned at the outset is characterized in that a mode filter component and / or a mode mixer are arranged on or in the optical fiber for generating either a mode equilibrium (EMD) or a uniform power distribution in the fiber.
  • EMD mode equilibrium
  • inexpensive components and replaceable types of optoelectrical elements can be used in a stable measurement method with a large tolerance width, without having to calibrate or calibrate the device.
  • the starting point of the present invention is the recognition that fiber-optical sensor devices of the type mentioned in the beginning are highly dependent on a respective light coupling with regard to their properties.
  • Decisive for the light coupling is not only the type of light emitting device used, here, a normal light emitting diode, or a light emitting diode with integrated lens are used, but also a distance between a first end of the fiber and the light emitting diode and an angular offset between the optical axes of the light source and the optical fiber. While laser diodes are ignored for reasons of cost and LEDs with integrated lens are only exceptionally used in a fiber optic sensor due to the slightly higher price in the practice of the present application, essentially the following factors are responsible for the metrological properties a fiber optic sensor with a plastic multimode fiber, which represent losses due to tolerances in the connection techniques: angular misalignment axial offset end face distance end surface quality of the optical fiber.
  • the radiation characteristic is now made independent of the light source and its coupling into the optical fibers on two different approaches which can also be combined with one another. This is achieved on the one hand by a mode saturation, on the other hand by an energy equal distribution within the optical fiber, as will be illustrated below with reference to measuring curves of an embodiment. This advantageously ensures that only a basic calibration for a type of optical path in
  • Shape of the optical fiber with deflection and sensing is performed. There is no need for repeated calibration on the finished device.
  • a supply of an optical waveguide with light from a light emitting diode regularly causes a multi-mode excitation. It is well-known that not all modes transport the same light energy, some modes transport the light more efficiently than other modes, some potential modes do not carry any light, and finally there is an energy transfer between modes, ie light energy changes mode. This changes a mode composition or the states of the modes within an optical waveguide by transferring energy from one mode to another mode. This change in the states of the modes stops in a light guide system only until the state of the mode equilibrium, English Equilibrium Mode Distribution, abbreviated as EMD, is reached.
  • EMD English Equilibrium Mode Distribution
  • the device is arranged in the running direction of the light emitted by the optical fiber before reaching a sensitive zone or measuring zone on or in the optical fiber.
  • the device is arranged near the coupling region between the light source and the optical fiber.
  • the fiber optic sensor device has a plug connection at least between the light source and optical fiber, preferably the optical fiber is connected at both ends via a plug with the opto-electrical converters in the form of an LED and a photodetector with associated electronics.
  • a sensor device is particularly advantageous because of the now achieved independence of the radiation pattern of the light source and their coupling into the optical fiber or the coupling of the light source to the optical fiber.
  • the fiber-optic sensor device has a plurality of optical fibers, each with defined loss zones and with associated transmitting and receiving units.
  • a bending sensor system with deformation localization is provided.
  • a shape or type of deformation can then be detected by distributing the intensity results over different optical fibers.
  • Figure 1 a first embodiment of a fiber optic sensor device with a device in the form of a fashion mixer
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a fiber ⁇ optical sensor apparatus having means in the form of a mode filter member
  • Figure 3 a fiber optic sensor device according to the prior art
  • FIG. 4a shows a representation of a basic structure of a coupling region between an LED as Lichtquel ⁇ le and an optical fiber specifying a respective radiation pattern of the LED and the output of the optical fiber ⁇ ;
  • FIG. 4b a representation analogous to FIG. 4a using an LED with integrated lens
  • FIG. 5 shows a representation of a fiber optic sensor system comprising a plurality of optical fibers in analogy to FIG
  • FIG. 6 shows a representation according to FIG. 5 of a fiber optic bending sensor system with deformation localization comprising several optical fibers analogous to the embodiment of FIG. 2;
  • FIG. 7a two diagrams for illustrating the transmittance
  • Figure 7b two diagrams illustrating the sensitivity of a known system as a function of the distance between the light source and the face of the optical fiber and as a function of the current at two fixed distances between the light source and the optical fiber;
  • FIGS. 8a and 8b two diagrams for illustrating the transmittance and the sensitivity of a system according to the invention as a function of the distance between the light source and the end face of the light source
  • FIG. 3 shows a prior art fiber optic sensor device 1.
  • the fiber-optic sensor device 1 comprises an optical fiber 2, which is coupled at a first end 3 of the optical fiber 2 in a coupling region 4 to a light source 5 with an end face 6 and at a second end 7 to a light detector 8.
  • This sensitive zone 9 is arranged between the feed by the light source 5 and a deflection 10 at a reversal point over a length L.
  • Such a fiber-optic sensor device 1 thus senses a bending of the optical fiber 2 and can thus be advantageously used as a crash sensor in a passenger vehicle in areas of the body, which are deformed in accidents with pedestrians or cyclists. It is already a slight deformation sufficient for detection. In order to take effective active safety measures to improve the protection of an injured person, such as an increase in the impact angle to create a softer catch structure in the hood, even a small deformation must be detected by such a sensor quickly and safely.
  • a respective radiation diagram E of the light source 5 and a radiation diagram A of the second end 7 of the optical fiber 2 are also shown.
  • FIG. 4b shows the situation analogous to the representation of FIG. 4a when using a comparatively more expensive LED with integrated lens as the light source 5.
  • the dependence of the radiation pattern at the output or second end 8 of the optical fiber 2 is clearly visible.
  • measurement results of sensor devices 1 according to FIGS. 4a and 4b would not be directly comparable with one another.
  • FIG. 7a show the influence of parameter deviations by way of example in the form of two diagrams on the basis of the transmittance of a known system as a function of the distance between the light source and the end face of the optical fiber and as a function of the current intensity at two fixed distances d between the light source 5 and the optical fiber end face 6.
  • distances d of about 0.1 mm to 1 mm are very strong deviations can be seen.
  • FIG. 7b additionally shows two diagrams for illustrating the sensitivity of a known system using two different optical fibers also as a function of the distance d between the light source 5 and the end face 6 of the optical fiber 2 and as a function of the current intensity at two fixed distances d between the two Light source 5 and the optical fiber 2.
  • the measurements of the diagrams of Figure 7a are underlined.
  • a defined excitation condition provides an attenuation that is proportional to the length of the optical fiber 2.
  • Such ideal excitation conditions avoid one Feeding power into higher, unstable modes. Because the excitation energy is not coupled into the unstable modes of the optical fiber 2, attenuations are measured which add up approximately linearly.
  • a power distribution between the modes within a fiber core is not changed. This state is referred to as the mode equilibrium distribution and is also desirable because, in this state, the aforementioned disturbing influences have a significantly lower effect on a result of an attenuation measurement.
  • the length of the optical fiber 2 is in the present example about 1.5 m and thus for independent setting of a mode equilibrium distribution over a fiber length of up to several kilometers clearly too short.
  • the state of the mode is dependent on the respectively used light source 5 and thus on a series of fiber-optic sensor devices 1 of a constant irradiation behavior and otherwise constant conditions. This constancy in Einstrahl Products and other conditions can not be given in the required price segment.
  • a device 12 is provided in the form of a mode mixer 13.
  • Fiber bends change energy between fashions.
  • a mode mixer 13 having a plurality of bends of the optical fiber 2 over a relatively short distance, these mode changes are enforced such that inefficient modes have lost their energy and thus a mode balance is realized over a relatively short distance.
  • a mode state in the optical fiber 2 is no longer significantly dependent on the type of light source 5 used and / or the formation of the coupling region 4.
  • Figure 2 shows a second embodiment of a fiber optic sensor device 1, wherein the optical fiber 2 is connected via a plug 11 to the opto-electrical components 5, 8. Furthermore, this fiber-optic sensor device 1 now has a device 12 in the form of a mode filter component 14.
  • the mode filter component 14 achieves a mode equilibrium and thus a defined excitation condition in a multimode measurement.
  • the optical fiber 2 is wound in the form of a spindle about a winding mandrel or mandrel 15 of predetermined diameter and in a specific winding direction.
  • the mode filter component 14 is not used near the light source 5, but as a deflection 10.
  • FIGS. 8a and 8b show the transmittance and the sensitivity of a device according to the invention
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment in which, based on the embodiment of FIG. 1, a fiber optic sensor system 1 comprising a plurality of optical fibers 2 with associated transmitting and receiving units is outlined. All optical fibers 2 are guided through a device 12 in the form of a plurality of mode mixers 13 in order subsequently to be able to provide an equilibrium mode distribution or EMD condition in respective sensitive zones 9.
  • the exemplified four optical fibers 2 form a bending sensor with localization of a deformation point.
  • the optical fibers 2 each have defined loss zones 16, so that in the case of deformation, for. B. as a result of a crash, at the second end 7 of each fiber different intensity changes are measurable. Based on these changes then a localization is possible.
  • FIG. 5 Analogous to the representation of FIG. 5, a fiber optic bending sensor system with deformation localization comprising a plurality of optical fibers 2, similar to the embodiment of FIG. 2, is shown in FIG.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine faseroptische Sensorvorrichtung, die eine Lichtleitfaser mit an einem ersten Ende angekoppelter Lichtquelle sowie einen an die Lichtleitfaser an einem zweiten Ende angekoppelten Lichtdetektor, sowie Mittel zu Erkennen einer Deformation auf Basis einer Änderung der Intensität des durch die Lichtleitfaser empfangenen Lichts umfasst. Um eine faseroptische Sensorvorrichtung der genannten Art unter Verwendung kostengünstiger Einzelbauelemente und preiswerter Fertigung weiterzubilden, wird vorgeschlagen, dass an oder in der Lichtleitfaser 2 mindestens eine Einrichtung 12 in Form eines Modenfilterbauteils 14 zur Erzeugung eines Modengleichgewichts EMD und/oder in Form eines Modenmischers 13 zur Erzeugung einer gleichmäßigen Leistungsverteilung in der Faser 2 angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Faseroptische Sensorvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine faseroptische Sensorvorrichtung, die eine Lichtleitfaser mit an einem ersten Ende angekoppelter Lichtquelle sowie einen an die Lichtleitfaser an einem zweiten Ende angekoppelten Lichtdetektor, sowie Mittel zu Erkennen einer Deformation auf Basis einer Änderung der Intensität des durch die Lichtleitfaser empfangenen Lichts umfasst.
Derartige faseroptische Sensorvorrichtungen sind beispielsweise aus der WO 94/29671 Al bekannt. Sie werden heute glei- chermaßen für langsam, wie auch schnell ablaufende Biegeoder Verformungsvorgänge eingesetzt und finden daher auch im modernen Personenkraftfahrzeugbau Anwendung. So wird beispielsweise eine schnelle Detektion eines Zusammenstoßes eines Kraftfahrzeuges mit einem Fußgänger oder Fahrradfahrer durch derartige Sensoren zur Einleitung so genannter aktiver Sicherheitsmaßnahmen, wie beispielsweise einem durch pyro- technische Elemente oder einen elektrischen Antrieb hervorgerufenen Schrägstellen einer Motorhaube, ausgeführt.
Ohne Beschränkung ihres Einsatzfeldes wird die vorliegende
Erfindung nachfolgend unter Bezugnahme auf den Automobilsektor dargestellt. Der Automobil- und Kraftfahrzeugbereich ist aufgrund der hohen Systemanforderungen bei gleichzeitig hohem Kostendruck durch die hohen Absatzzahlen ein wirtschaftlich sehr bedeutender Anwendungsbereich. Alternative Einsatzfelder in der Flugzeugtechnik oder aber auch in der Architektur und Ähnliches werden grundsätzlich nicht ausgeschlossen.
Faseroptische Sensorvorrichtungen der genannten Art weisen als Lichtquelle regelmäßig Leuchtdioden auf, die an eine i. d. R. unter 2 m lange Lichtleitfaser in Form einer optischen Kunststofffaser bzw. Polymer optical fiber, kurz POF, angeschlossen ist. Im Anschlussbereich zwischen der optischen Faser und der Lichtquelle kann auch eine kurze Anschlussleitung bzw. eine pig-tail-Faser angeordnet sein. Aufgrund von Bauteilstreuungen hat sich bereits in Kleinserienfertigungen herausgestellt, dass die Sensorvorrichtungen hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit und der in der Lichtleitfaser herrschenden Dämpfung bzw. Lichtübertragungsrate soweit voneinander abweichen, dass diese optischen Sensorvorrichtungen nach ihrer Fertigstellung jeweils noch mal einen separaten Eichungs- prozess unterzogen werden mussten, um im Einsatz miteinander vergleichbare Ergebnisse liefern zu können. In einer Großserienfertigung wäre dann auch mindestens beim Wechsel einer Komponente der faseroptischen Sensorvorrichtung durch eine andere Bauform oder ein anderes Modell derselben Komponente eine solche Nacheichung des zusammengebauten Sensors mit einem entsprechenden Kosten- und Zeitaufwand durchzuführen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine faseroptische Sensorvorrichtung der genannten Art unter Verwendung kostengünstiger Einzelbauelemente und preiswerter Fertigung weiterzubilden .
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale von Weiterbil- düngen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß zeichnet sich eine optische Sensorvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch aus, dass an oder in der Lichtleitfaser ein Modenfilterbauteil und/oder ein Modenmi- scher zur Erzeugung entweder eines Modengleichgewichts (EMD) oder einer gleichmäßigen Leistungsverteilung in der Faser angeordnet sind. Vorteilhafterweise sind damit preiswerte Bauteile und austauschbare Typen opto-elektrischer Elemente in einem stabilen Messverfahren großer Toleranzbreite einsetz- bar, ohne dass die Vorrichtung eingemessen oder geeicht werden müsste. Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist die Erkenntnis, dass faser-optische Sensorvorrichtungen der eingangs genannten Art hinsichtlich ihrer Eigenschaften in starkem Maße abhängig von einer jeweiligen Lichteinkopplung sind. Maßgeblich für die Lichteinkopplung ist nicht nur die Art des verwendeten Licht aussendenden Bauteils, hier kann eine normale Leuchtdiode, oder aber eine Leuchtdiode mit integrierter Linse zum Einsatz kommen, sondern auch ein Abstand zwischen einem ersten Ende der Faser und der Leuchtdiode sowie einem Winkelversatz zwischen den optischen Achsen der Lichtquelle und der Lichtleitfaser. Während Laser-Dioden aus Kostengründen gleich außer Acht gelassen werden und Leuchtdioden mit integrierter Linse auch aufgrund des geringfügig höheren Preises in der Praxis der vorliegenden Anwendung in einem fa- seroptischen Sensor nur ausnahmsweise zum Einsatz kommen, sind im Wesentlichen die folgenden Faktoren für die messtechnischen Eigenschaften eines faseroptischen Sensors mit einer Kunststoff-Multimode-Faser maßgeblich, die Verluste aufgrund von Toleranzen in den Verbindungstechniken darstellen: Winkelversatz Achsversatz Stirnflächenabstand Endflächenqualität der Lichtleitfaser.
Winkelversatz, Achsversatz und deren Änderungen sowie Variationen bezüglich des Abstandes der Stirnflächen sind Fehlerquellen, die auch in einer Großserienfertigung nicht hinreichend ausgeschlossen oder eingegrenzt werden können. Hinzu kommen die bei preiswerten Lichtleitfasern häufigen Parame- terschwankungen und die Tatsache, dass eine Stirn- bzw. Endfläche, an der das Licht der Lichtquelle eingekoppelt werden soll, an einem preiswerten Lichtleitfaserelement schon aus Kostengründen nie optimal vorbereitet sein wird. Auch unter Verwendung von Leuchtdioden mit so genannten Pig-tail-Faser- stücken werden die vorstehend genannten Probleme einer reproduzierbaren Lichteinkopplung nur auf eine zweite Koppelstelle bei höheren Kosten verlagert, bleiben jedoch im Prinzip un- verändert bestehen. Durch eine erfindungsgemäße Erweiterung wird nun auf zwei unterschiedlichen und auch miteinander kombinierbaren Ansätzen die Strahlungscharakteristik unabhängig von der Lichtquelle und deren Einkopplung in die Lichtleitfa- ser gemacht. Dies wird einerseits durch eine Modensättigung, andererseits durch eine Energiegleichverteilung innerhalb der Lichtleitfaser erzielt, wie nachfolgend noch anhand von Messkurven eines Ausführungsbeispiels dargestellt wird. Damit ist vorteilhafterweise sichergestellt, dass nur eine grundsätzli- che Kalibrierung für eine Bauart eines optischen Pfades in
Form der Lichtleitfaser mit Umlenkung und Sensierung durchzuführen ist. Es muss keine wiederholte Kalibrierung an der fertig verbauten Vorrichtung erfolgen.
Eine Versorgung eines Lichtwellenleiters mit Licht aus einer Leuchtdiode bewirkt regelmäßig eine Multi-Mode-Anregung. Es ist bekannt, dass nicht alle Moden die gleiche Lichtenergie transportieren, einige Moden das Licht effizienter als andere Moden transportieren, einige potentielle Moden gar kein Licht transportieren und dass schließlich ein Energietransfer zwischen Moden stattfindet, also Lichtenergie den Mode wechselt. Damit ändern sich eine Moden-Zusammensetzung bzw. die Zustände der Moden innerhalb eines Lichtwellenleiters durch Übertragung von Energie von einem Mode auf einen anderen Mode be- ständig. Dieser Wechsel der Zustände der Moden hält in einem Lichtleitersystem nur so lange an, bis der Zustand des Modengleichgewichts, englisch Equilibrium Mode Distribution, abgekürzt als EMD, erreicht ist.
Vorzugsweise ist die Einrichtung in Laufrichtung des durch die Lichtleitfaser ausgesandten Lichtes gesehen vor Erreichen einer sensitiven Zone bzw. Messzone an oder in der Lichtleitfaser angeordnet. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Einrichtung nahe dem Ankoppelbereich zwischen Lichtquelle und Lichtleitfaser angeordnet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die faseroptische Sensorvorrichtung eine Steckverbindung mindestens zwischen Lichtquelle und Lichtleitfaser auf, vorzugsweise ist die Lichtleitfaser an beiden Enden über ei- nen Stecker mit den opto-elektrischen Wandlern in Form einer LED und eines Photodetektors mit zugehöriger Elektronik verbunden. So wird eine separate Fertigung und Lieferung einer Elektronikbox und einer Lichtleitfaser sowie ein getrennter Einbau an einem Kraftfahrzeug mit abschließender Verbindung zu einer einsatzbereiten faseroptischen Sensorvorrichtung ermöglicht. Gerade weil aus dem Bereich der üblicherweise nur für datentechnische Anwendungen eingesetzten Steckverbindungen, z. B. LAN-Stecker, die vorstehend genannten Parameterabweichungen in einer Ankoppelstelle als Fehlerquellen bekannt sind, ist eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung wegen der nun erzielten Unabhängigkeit der Strahlungscharakteristik von der Lichtquelle und deren Einkopplung in die Lichtleitfaser bzw. der Ankopplung der Lichtquelle an die Lichtleitfaser besonders vorteilhaft.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die faseroptische Sensorvorrichtung mehrere optische Fasern jeweils mit definierten Verlustzonen und mit zugehörigen Sende- und Empfangseinheiten auf. Durch diese Anordnung wird ein Biege- sensorsystem mit Verformungslokalisation geschaffen. Durch gestaffelte Anordnung der definierten Verlustzonen ist dann über eine Verteilung der Intensitätsergebnisse über verschiedene Lichtleitfasern auch eine Form bzw. Art der Verformung erkennbar .
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Abbildungen der Zeichnung angegeben. In der Zeichnung zeigen in schematisierter Form:
Figur 1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer faseroptischer Sensorvorrichtung mit einer Einrichtung in Form eines Modenmischers;
Figur 2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer faser¬ optischer Sensorvorrichtung mit einer Einrichtung in Form eines Modenfilterbauteils;
Figur 3: eine faseroptische Sensorvorrichtung nach dem Stand der Technik;
Figur 4a: eine Darstellung eines prinzipiellen Aufbaus eines Ankoppelbereiches zwischen einer LED als Lichtquel¬ le und einer Lichtleitfaser unter Angabe eines jeweiligen Strahlungsdiagramms der LED und des Aus¬ gangs der Lichtleitfaser;
Figur 4b: eine Darstellung analog der Figur 4a unter Verwendung einer LED mit integrierter Linse;
Figur 5: eine Darstellung eines mehrere optische Fasern um- fassenden faseroptischen Sensorsystems analog der
Ausführungsform von Figur 1 zur Bildung eines Biegesensors mit Lokalisation einer Verformungsstelle;
Figur 6: eine Darstellung gemäß Figur 5 eines mehrere opti- sehe Fasern umfassenden faseroptischen Biegesensor- systems mit Verformungslokalisation analog der Ausführungsform von Figur 2;
Figur 7a: zwei Diagramme zur Darstellung der Transmittanz
(Transmittance) eines bekannten Systems als Funkti¬ on des Abstandes zwischen der Lichtquelle und der Stirnfläche der Lichtleitfaser sowie als Funktion der Stromstärke bei zwei festen Abständen zwischen der Lichtquelle und der Lichtleitfaser;
Figur 7b: zwei Diagramme zur Darstellung der Empfindlichkeit eines bekannten Systems als Funktion des Abstandes zwischen der Lichtquelle und der Stirnfläche der Lichtleitfaser sowie als Funktion der Stromstärke bei zwei festen Abständen zwischen der Lichtquelle und der Lichtleitfaser;
Figuren 8a und 8b: zwei Diagramme zur Darstellung der Transmittanz (Transmittance) und der Empfindlichkeit eines erfindungsgemäßen Systems als Funktion des Abstandes zwischen der Lichtquelle und der Stirnfläche der
Lichtleitfaser analog der entsprechenden Darstellungen der Figuren 7a und 7b.
Über die verschiedenen Ausführungsbeispiele und Abbildungen hinweg werden nachfolgend einheitlich gleiche Bezugsziffern und Bezeichnungen für gleiche Funktions- bzw. Baugruppen und Verfahrensschritte verwendet.
Figur 3 zeigt eine faseroptische Sensorvorrichtung 1 nach dem Stand der Technik. Die faseroptische Sensorvorrichtung 1 um- fasst eine Lichtleitfaser 2, die an einem ersten Ende 3 der Lichtleitfaser 2 in einem Ankoppelbereich 4 an eine Lichtquelle 5 mit einer Stirnfläche 6 gekoppelt ist und an einem zweiten Ende 7 an einen Lichtdetektor 8. Nicht weiter darge- stellt sind eine Schaltungselektronik und Mittel zu Erkennen einer Deformation einer sensitiven Zone 9 auf Basis einer Änderung der Intensität des aus der Lichtleitfaser 2 in dem Lichtdetektor 7 empfangenen Lichts. Diese sensitive Zone 9 ist zwischen der Einspeisung durch die Lichtquelle 5 und ei- ner Umlenkung 10 in einem Umkehrpunkt über eine Länge L angeordnet .
Eine derartige faseroptische Sensorvorrichtung 1 sensiert also eine Verbiegung der Lichtleitfaser 2 und ist damit auch als Crashsensor in einem Personenkraftfahrzeug in Bereichen der Karosserie vorteilhaft einsetzbar, die bei Unfällen mit Fußgängern oder Fahrradfahrern verformt werden. Dabei ist schon eine leichte Verformung zur Detektion ausreichend. Um effektiv aktive Sicherheitsnahmen zur Verbesserung des Schutzes einer verunfallten Person ergreifen zu können, beispielsweise eine Vergrößerung eines Aufprallwinkels bei Schaffung einer weicheren Auffangstruktur im Bereich der Motorhaube, muss eine auch nur geringe Verformung durch einen derartigen Sensor schnell und sicher erkannt werden.
Aus Kostengründen kommen bei einer derartigen Sensorvorrich- tung 1 Leuchtdioden LED als Lichtquellen 5 bei λ = 660 nm zusammen mit Photodetektoren als Lichtdetektor-Bauteile 8 zum Einsatz. Figur 4a zeigt eine Darstellung eines prinzipiellen Aufbaus des Ankoppelbereiches 4 zwischen einer LED als Lichtquelle 5 und einer polymer optischen Faser POF als Lichtleit- faser 2 einer Länge L von ca. 1 m mit einer numerischen Apertur NA = 0,5. Hierbei werden exemplarisch auch ein jeweiliges Strahlungsdiagramm E der Lichtquelle 5 und ein Strahlungsdiagramm A des zweiten Endes 7 der Lichtleitfaser 2 dargestellt.
Figur 4b gibt die Situation analog der Darstellung von Figur 4a bei Verwendung einer vergleichsweise teureren LED mit integrierter Linse als Lichtquelle 5 wieder. Die Abhängigkeit des Strahlungsdiagramms am Ausgang bzw. zweiten Ende 8 der Lichtleitfaser 2 ist deutlich erkennbar. Somit wären auch Messergebnisse von Sensorvorrichtungen 1 nach Figur 4a und 4b miteinander nicht unmittelbar vergleichbar.
Die aus Kostengründen angezeigte Verwendung einer LED als Lichtquelle 5 in der faseroptischen Sensorvorrichtung 1 zur Multimodeanregung in einer aus einem Polymer bestehenden optischen Faser POF als Lichtleitfaser 2 schafft Undefinierte Anregungsbedingungen, i. d. R. so genannte Overfilled Laun- ches, die sich in der Anregung von Leckmoden höhere Ordnung und/oder Mantelmoden zeigen. Diese Moden sind als Dämpfung messbar, die nicht proportional zu einer Faserlänge ist.
Fehleinstellungen durch einen Fehlstellungswinkel der Lichtquelle 5 zu einer Achse M der Lichtleitfaser 2 um einen Win- kel α oder unzulässig hohe Variation eines Abstandes d zwischen der Lichtquelle 5 und der Endfläche 6 der Lichtleitfaser 2 u. ä. rufen deutliche Abweichungen hervor, mit Auswirkung auf einen jeweiligen Signalpegel in einem Normalzustand ohne zusätzliche Deformation. Damit ist je nach Ausbildung des Ankoppelbereiches bei sonst gleichen Parametern einer faseroptischen Sensorvorrichtung 1 schon im unverformten Zustand stets eine andere Dämpfung messbar. Ohne eine zusätzliche Eichmessung im eingebauten Zustand kann auf dieser Basis keine durch einen Crash verursachte Verbiegung der faseroptischen Sensorvorrichtung 1 mit ausreichender Sicherheit erkannt werden.
Die Diagramme der Figur 7a zeigen den Einfluss von Parameter- abweichungen exemplarisch in Form von zwei Diagrammen anhand der Transmittanz (Transmittance) eines bekannten Systems als Funktion des Abstandes zwischen der Lichtquelle und der Stirnfläche der Lichtleitfaser sowie als Funktion der Stromstärke bei zwei festen Abständen d zwischen der Lichtquelle 5 und der Lichtleitfaser- Stirnfläche 6. In Abständen d von ca. 0,1 mm bis 1 mm sind sehr starke Abweichungen zu erkennen. Über einem Diodenstrom gesehen ergeben sich fast horizontale, jedoch für d = 0,1 mm und d = 1 mm voneinander deutlich abweichende Linien.
Figur 7b zeigt ergänzend zwei Diagramme zur Darstellung der Empfindlichkeit eines bekannten Systems unter Einsatz von zwei unterschiedlichen Lichtleitfasern ebenfalls als Funktion des Abstandes d zwischen der Lichtquelle 5 und der Stirnflä- che 6 der Lichtleitfaser 2 sowie als Funktion der Stromstärke bei zwei festen Abständen d zwischen der Lichtquelle 5 und der Lichtleitfaser 2. Hierbei werden die Messungen der Diagramme von Figur 7a unterstrichen.
Eine definierte Anregungsbedingung liefert hingegen eine Dämpfung, die proportional zur Länge der Lichtleitfaser 2 ist. Derartige ideale Anregungsbedingungen vermeiden eine Einspeisung von Leistung in höhere, nicht stabile Moden. Dadurch, dass die Anregungsenergie nicht in die instabilen Moden der Lichtleitfaser 2 eingekoppelt wird, werden Dämpfungen gemessen, die sich annähernd linear addieren. In diesem Ide- alzustand wird eine Leistungsverteilung zwischen den Moden innerhalb eines Faserkerns nicht verändert. Dieser Zustand wird als Modengleichgewichtsverteilung bezeichnet und ist auch deswegen anzustreben, weil sich in diesem Zustand die vorstehend genannten Störeinflüsse deutlich geringer auf ein Ergebnis einer Dämpfungsmessung auswirken.
Die Länge der Lichtleitfaser 2 beträgt in dem vorliegenden Beispielfall ca. 1,5 m und damit zur selbstständigen Einstellung einer Modengleichgewichtsverteilung über eine Faserlänge von bis zu mehreren Kilometern deutlich zu kurz. Der Modenzu- stand ist bei vergleichsweise kurzer Länge der Lichtleitfaser 2 von der jeweils verwendeten Lichtquelle 5 und somit über eine Serie von faseroptischen Sensorvorrichtungen 1 gesehen von einem gleichbleibenden Einstrahlverhalten und auch sonst konstanten Bedingungen abhängig. Diese Konstanz im Einstrahlverhalten und weiteren Bedingungen kann in dem geforderten Preissegment nicht gegeben sein.
Um dennoch eine Stabilisierung der Parameter faseroptischer Sensorvorrichtungen 1 über eine Serienproduktion hinweg auch z. B. beim Austausch einer Lichtquelle 5 in Form einer einfachen Leuchtdiode gegen eine LED mit integrierter Linse zu schaffen, wird in einem ersten Ausführungsbeispiel einer faseroptischer Sensorvorrichtung 1 an der Lichtleitfaser 2 eine Einrichtung 12 in Form eines Modenmischers 13 vorgesehen.
Durch Faserbiegungen wechselt Energie zwischen Moden. In Form eines Modenmischers 13, der eine Vielzahl von Biegungen der Lichtleitfaser 2 über eine relativ kurze Strecke aufweist, werden diese Modenwechsel derart erzwungen, dass ineffiziente Moden ihre Energie verloren haben und somit ein Modengleichgewicht über eine relativ kurze Distanz realisiert ist. Nun ist ein Modenzustand in der Lichtleitfaser 2 nicht länger signifikant von der Art der verwendeten Lichtquelle 5 und/oder der Ausbildung des Ankoppelbereiches 4 abhängig.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer faserop- tischer Sensorvorrichtung 1, bei der die Lichtleitfaser 2 über einen Stecker 11 an die opto-elektrischen Bauteile 5, 8 angeschlossen ist. Ferner weist diese faseroptische Sensorvorrichtung 1 nun eine Einrichtung 12 in Form eines Modenfil- terbauteils 14 auf. Durch das Modenfilterbauteil 14 werden ein Modengleichgewicht und damit eine definierte Anregungsbedingung bei einer Multimode-Messung erreicht. Hierzu wird die Lichtleitfaser 2 in Form einer Spindel um einen Wickeldorn bzw. Mandrel 15 vorgegebener Durchmessers und in bestimmter Wickelrichtung aufgewickelt. Im vorliegenden Beispielfall ist das Modenfilterbauteil 14 nicht nahe der Lichtquelle 5, sondern als Umlenkung 10 eingesetzt.
Die beiden Diagramme der Figuren 8a und 8b stellen analog der Darstellungen der Figuren 7a und 7b die Transmittanz (Trans- mittance) und die Empfindlichkeit eines erfindungsgemäßen
Systems als Funktion des Abstandes d zwischen der Lichtquelle 5 und der Stirnfläche 6 der Lichtleitfaser 2 dar. Anhand dieser Messergebnisse ist klar erkennbar, dass nun durch Einsatz einer Einrichtung 12 hier in Form eines Modenmischers 13 der Einfluss von Parameterabweichungen im Ankoppelbereich 4 deutlich gemindert worden ist. Ungenauigkeit in der Einstellung des Abstands d führt also kaum noch zu einer Signalabsenkung.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem auf- bauend auf die Ausführungsform von Figur 1 ein mehrere optische Fasern 2 mit zugehörigen Sende- und Empfangseinheiten umfassendes faseroptisches Sensorsystem 1 skizziert ist. Alle optischen Fasern 2 werden durch eine Einrichtung 12 in Form mehrerer Modenmischer 13 geführt, um nachfolgend in entspre- chenden sensitiven Zonen 9 jeweils eine Equilibrium mode distribution- bzw. EMD-Bedingung zur Verfügung stellen zu können . Die exemplarisch dargestellten vier optischen Fasern 2 bilden einen Biegesensor mit Lokalisation einer Verformungsstelle. Dazu weisen die optischen Fasern 2 jeweils definierte Verlustzonen 16 auf, so dass im Fall einer Verformung, z. B. in Folge eines Crashs, an dem zweiten Ende 7 jeder Faser unterschiedliche Intensitätsänderungen messbar sind. Anhand dieser Änderungen ist dann eine Lokalisation möglich.
Analog der Darstellung von Figur 5 ist in Figur 6 ein mehrere optische Fasern 2 umfassendes faseroptisches Biegesensorsys- tem mit Verformungslokalisation analog der Ausführungsform von Figur 2 skizziert.
Gerade bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 5 und 6 wird deutlich, wie groß der Vorteil eines erfindungsgemäßen Ansatzes zur Stabilisierung eines jeden der nun gebündelten faseroptischen Sensor-Teilsysteme ist: Ohne die vorstehend in unterschiedlichen Ausführungsformen beschriebenen Maßnahmen wäre in einem kompakten Biegesensor mit Lokalisation einer Ver- formungsstelle und Auswertemöglichkeit für eine jeweilige Art einer Verformung jedes Teilsystem einzeln nochmals zu kalibrieren. Gerade bei der Verwendung von Steckverbindungen zum teilbaren Aufbau derartiger Sensorvorrichtungen wäre ein solches Vorgehen gänzlich unpraktikabel, wobei eine getrennte Fertigung, Testung und erst zum Abschluss eines Zusammenbaus vorgenommene Verbindung sowohl fertigungstechnische, also auch logistische und handhabungsrelevante Vorteile mit sich bringt. Die vorstehend aufgeführten Abweichungen und Fehlerquellen treten jedoch bei einer oder mehreren Steckverbindun- gen i. d. R. in noch stärkerem Maße auf, als dies bei starren Verbindungen der Fall wäre. Damit nimmt die Bedeutung der vorliegenden Erfindung in diesem Bereich einen noch höheren Stellenwert ein.

Claims

Patentansprüche
1. Faseroptische Sensorvorrichtung, die eine Lichtleitfaser (2) mit an einem ersten Ende (3) angekoppelter Lichtquelle (5) sowie einen an die Lichtleitfaser (2) an einem zweiten Ende (7) angekoppelten Lichtdetektor (8), sowie Mittel zum Erkennen einer Deformation auf Basis einer Änderung der Intensität des aus der Lichtleitfaser (2) im Lichtdetektor (8) empfangenen Lichts umfasst, d a du r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass an oder in der Lichtleitfaser (2) mindestens eine Einrichtung (12) in Form eines Mo- denfilterbauteils (14) zur Erzeugung eines Modengleichgewichts (EMD) und/oder in Form eines Modenmischers (13) zur Erzeugung einer gleichmäßigen Leistungsverteilung in der Faser (2) angeordnet ist.
2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einrichtung (12) in Laufrichtung des durch die Lichtleitfaser (2) ausgesandten Lichtes gesehen vor Erreichen einer sensitiven Zone bzw. Messzone (9) an oder in der Lichtleitfaser (2) angeordnet ist.
3. Sensorvorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden An- Sprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einrichtung (12) nahe des Ankoppelbereichs (4) zwischen Lichtquelle (5) und Lichtleitfaser (2) angeordnet ist.
4. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die faseroptische Sensorvorrichtung eine Steckverbindung mindestens zwischen der Lichtquelle (5) und der Lichtleitfaser (2) aufweist .
5. Sensorvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Licht- leitfaser (2) an beiden Enden über Steckverbindungen mit den opto-elektrischen Wandlern (5, 8) mit zugehöriger Elektronik verbunden ist.
6. Sensorvorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Lichtleitfaser (2) an beiden Enden (3, 7) über einen Stecker (11) mit den opto-elektrischen Wandlern (5, 8) mit zugehöriger Elektronik verbunden ist.
7. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Sensorvorrichtung (1) mehrere optische Fasern (2) mit zugehörigen Sende- und Empfangseinheiten (5, 8) umfasst, die je- weils definierte Verlustzonen (16) aufweisen.
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