WO2009010516A1 - Optische sensorfaser mit referenzabschnitt und verfahren zu deren kalibrierung - Google Patents

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WO2009010516A1
WO2009010516A1 PCT/EP2008/059251 EP2008059251W WO2009010516A1 WO 2009010516 A1 WO2009010516 A1 WO 2009010516A1 EP 2008059251 W EP2008059251 W EP 2008059251W WO 2009010516 A1 WO2009010516 A1 WO 2009010516A1
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WO
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sensor
optical
fiber
light
sensor fiber
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/059251
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Grigorios Barboutis
Dirk David Goldbeck
Tobias Happel
Andre Matthias Kwiatek
Stefan Nerreter
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2009010516A1 publication Critical patent/WO2009010516A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/18—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge using photoelastic elements

Definitions

  • the invention relates to a sensor strip, comprising a opti ⁇ specific sensor fiber with a for external influencing variable sen ⁇ sitiven portion which voltage over a portion of the Solnausdeh- extends the sensor fiber and is coupled out of the function of the external influence size measuring light, further comprising a reference section, it can be ⁇ coupled out of the measuring light and is outside the sensitive from ⁇ section.
  • a sensor strip of the aforementioned kind is ⁇ example, known from WO 2006/061313 Al.
  • This sensor band consists of several sensor fibers laid parallel to one another, which are piecewise bent-sensitive for generating a measuring signal.
  • the bending-sensitive sections are produced by a surface treatment of the sensor fibers, this surface treatment having the effect that more light is coupled out of the surface-treated sections when the sensor fiber is oriented straight, than in an untreated section of the sensor fiber. It also follows that the amount of the measuring light coupled out on a surface-treated section becomes highly bend-dependent, ie, depending on the bending of the sensor fiber, more or less light is coupled out of the fiber. A measurement of the uncoupled light takes place indirectly by measuring the light reaching the end of the sensor fiber.
  • an air bag system comprising a sensor device, an evaluation device and a triggering device can be constructed so that these components are mounted on different locations of the motor vehicle and provide the light waves ⁇ conductors for signal transmission between these components.
  • the sensor band is formed by a plurality of similar optical fibers, which are parallel in the area to be examined.
  • the optical signal which is available for evaluation, distributed over several individual strands, so that the failure or the changes in the optical properties of a strand is not so significant.
  • Another possibility is to arrange several transmit and receive elements. This possibility is described in DE 100 26 330 A1.
  • the transmitting elements and receiving elements are sensitive to different wavelengths, so that measuring errors can be determined by comparing the different measuring results.
  • the monitor transmitter sends a defined signal to the receiver of the sensor, allowing it to be checked. This is exactly how the transmitted measuring signal can be evaluated by the monitor receiver, whereby measurement errors can be located.
  • DE 10 2004 017 577 A1 describes a possibility of compensating for tolerances and disturbing influences in an optical sensor device with sensor band in that a so-called quasi-static operating point is set under known conditions. From this starting predictable results can then be achieved.
  • the sensor principle described is inherently subject to measurement errors. Therefore, it is desirable to eliminate these measurement errors by calibrating the sensor fiber.
  • fibers used as optical waveguides are calibrated by measuring the light intensity at the output of the fiber. If the light intensity at the input be ⁇ known, for example, the light loss can be measured, which is connected to a passage of light signals through the fiber.
  • the object of the invention is to provide a sensor strip for use as a sensor optical fiber which can be easily and especially ka ⁇ libr Schl during operation.
  • This object is achieved with the above-mentioned sensor band he ⁇ inventively characterized in that the reference section Zvi ⁇ rule of a first optical interface of the sensor strip for coupling the probe light and the sensitive portion is located and the radiating surface of the reference portion as a second optical interface for an optical dalebau ⁇ element is designed.
  • the position of the reference section between the first optical interface and the sensitive section advantageously ensures that a coupling out of measurement light for the purpose of calibrating the sensor band takes place at a location thereof where influences can be eliminated which are related to the light intensity of the sensor the sensor fiber guided light inherently affect. This allows a calibration of the sensor band at any time, including during a measurement using the optical sensor fiber.
  • the sensor band it is possible to take account of influencing variables by suitable calibration which occur in the sensor device containing the sensor band up to the reference section.
  • suitable calibration which occur in the sensor device containing the sensor band up to the reference section.
  • manufacturing inaccuracies of the transmitter component manufacturing inaccuracies of the first optical interface assembly tolerances in the alignment of the optical sensor fiber and the transmitter device, an aging of the Algorithmo ⁇ components, a change in the transmission quality between the transmitter device and the sensor fiber due to soiling, a Temperature dependence of the transfer function between transmitter component and sensor fiber, this list is not exhaustive.
  • a Biegeemp- sensitivity of the sensor fiber can be, for example, Errei ⁇ Chen, when the sensitive section is attached on one side only of the circumference of the sensor fiber (as peripheral is the extension of the lateral surface formed by the sensor fiber to be understood, wherein the sensor fiber does not necessarily have a circular cross section got to) .
  • light is discussed in the context of this invention, it is intended to refer generally to electromagnetic waves which may be guided by optical media. A limitation to the light visible to the human eye is not included.
  • the length extension of the reference section at opti ⁇ rule sensor fiber is smaller than the diameter of the optical fiber sensor view.
  • the radiation of the measurement light with respect to the through-conduct ⁇ th measurement light is only low.
  • the main part of the measuring light is still available to the sensor application.
  • a further embodiment of the invention is obtained when the reference section extends in the region of its longitudinal extent over the entire circumference of the sensor fiber.
  • the invention relates to a sensor with a sensor band, which is built in the manner already described ⁇ .
  • This sensor band is attached to the first optical interface equipped kitchens ⁇ tet comprising an optical transmitter device.
  • This transmitter component serves to feed measuring light into the sensor fiber. The sensor thus arises from the interaction of the sensor band with the optical transmitter construction ⁇ element.
  • the optical receiver component is arranged at the second optical interface, which is formed by the reference section.
  • a further optical receiver component at the end of the sensor fiber remote from the transmitter element.
  • this forms a further structural unit which lies at the ⁇ end of the sensor band, but can be considered as part of Sen ⁇ sors.
  • the other receiver component can also be integrated into a structural unit with the transmitter ⁇ device and the receiver device for calibration of the fiber.
  • a light-guiding element is provided between the reference section and the optical receiver module.
  • the light-guiding element can consist, for example, of a transparent plastic with wave-guiding properties.
  • the use of a light guide member has the advantage that light can be minimized between ⁇ losses to the reference portion and the ⁇ 270bau element.
  • the use of a light-conducting element also reduces the possibility that, for example due to contamination of the optical transmission path, measurement errors result for the calibration.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention is obtained if the optical transmitter component and the optical receiver component are arranged in a structural unit which also has a receptacle for aligning the sensor fiber with respect to the two components mentioned.
  • This results in two modules for the sensor namely on the one hand the sensor band and on the other hand a housing which accommodates at least the transmitter component and the receiver component for calibrating the sensor fiber and also more
  • Components such. B. may contain a driver electronics.
  • the interface between these two units is provided by the receptacle, which at the same time permits alignment of the sensor fiber contained in the sensor band.
  • the invention relates to a method for calibrating an optical sensor fiber having an outer influence-sensitive portion that transitions over a portion of the longitudinal extent of the sensor fiber extends and from which depending on the external influencing variable measuring light ⁇ is coupled, and with a reference section from which the measuring light can be coupled and which lies outside the sensitive section.
  • a method for the calibration of sensor fibers is also beschrie ⁇ ben in the already initially mentioned WO 2006/061313 Al.
  • This calibration method corresponds to the initially mentioned above, namely that the light sources of the sensor, which during operation light in the sensor fibers einspei ⁇ sen be used for calibration.
  • the measuring device for generating calibration-relevant light signals is attached to the other end of the sensor fiber.
  • WO 2006/061313 Al the advantage is mentioned that it has when the surface treated portion of the length of sensor fiber in the Ver ⁇ proportion to its total length for all parallel fibers of a sensor band is the same.
  • NaEM ⁇ lich must be the same all evaluated for calibration light signals output side measured at the individual sensor fibers.
  • Another object of the invention is to provide a method for calibrating an optical sensor fiber, with which a reliable calibration is possible and in particular ⁇ special can be made during the operation of the sensor fiber.
  • Transmitter component is coupled into the first optical interface of Sen ⁇ sorbandes. Further, a part of the measuring light via the optical interface as the second ⁇ be formed radiating surface of the reference portion, between the the first interface and the sensitive section is decoupled. Then, the coupled-out measuring light is detected by an optical receiver component and the radiation power of the optical transmitter component is adjusted so that the decoupled measuring light detected by the optical receiver component corresponds to a desired value.
  • the advantage we ⁇ sentliche in the inventive calibration method is in a use of a receiver device, wel ⁇ ches associated with the reference section for detecting the wantedkop- there-coupled light directly. This measurement process works regardless of whether the sensor fiber is being used for measurement purposes.
  • the Referenzab cut ⁇ the sensor fiber is arranged before the first sensitive portion, so that a change of conditions in the sensor fiber, which leads to a change of the sensor result, not on the measuring values of the calibration from ⁇ works.
  • the calibration is carried out during the operation of the sensor fiber and the desired value reproduces the radiation power of the optical transmitter component required for the operation.
  • this setpoint can be advantageously achieved that age-related or pollution-related distortions of the measurement result can be prevented, as far as these distortions in the range of the sensor between the transmitter component and the Re ⁇ reference section set.
  • Such corruption can be addressed by adjusting the light intensity of the light emitted by the Senderbau ⁇ element light.
  • a suitable driver electronics for the transmitter device is necessary, which may be fed back via the calibration result of receptions and seminars ⁇ gerbauimplantations. At the same time must the transmitter component with respect to the available light intensity have sufficient for calibration reserve.
  • the calibration can also be done before the sensor fiber is put into operation. It is possible whil a certain required target value for the coupled-in light, the sensor fiber using the above-mentioned driver circuit ⁇ filters. However, it is also possible to make optimum use of available Avoid permanent light output and save a set point for the continued operation of the sensor fiber for this light ⁇ performance. This can be made available again during operation during in-service calibration.
  • the calibration is carried out under a balance of the light intensities of the respective sensor fibers associated optical transmitter components.
  • a uniform light intensity is available at the input of the sensor fiber.
  • an adaptation can be carried out, for example, by means of suitable calibration, so that constant conditions prevail in the individual sensor fibers of the sensor band over a relatively long period of operation.
  • Figure 1 shows an embodiment of the sensor according to the invention with an embodiment of the inventive ⁇ sensor strip schematically as a perspective view and see
  • Figure 2 shows another embodiment of the erfindungsge ⁇ MAESSEN sensor with an embodiment of he ⁇ inventive sensor band as a plan view, which is cut in different planes.
  • a sensor according to Figure 1 is gebil ⁇ det by a base plate 11, on which the other essential components of the sensor are fastened and contacted in a manner not shown.
  • the sensor comprises a sensing fiber 12 which is in the further course with a sensitive portion 13 verse ⁇ hen (The sensor fiber surrounding the sensor band is not shown for reasons of clarity).
  • This be ⁇ is a surface structuring, which can be applied for example by means of a laser and is located only on one side of the sensor fiber. In this way, a bending-sensitive sensor fiber is formed, since at Bie ⁇ tion of the fiber in the direction of the indicated arrow 14 and the subsequent convex curvature of the sensitive Ab- section 13 more light is coupled out, as in the straight-running fiber.
  • a concave curvature of the sensitive portion 13 is ⁇ acts, whereby the light extraction is reduced from the sensor fiber.
  • information on the curved state of the Sen ⁇ sorfaser may be obtained by receiving the fiber by the sensor guided light by means of a not shown photodetector.
  • the measuring light is transmitted to the sensor fiber 12 by means of an optical transmitter component which is mounted on the base plate 11 on the front side 15 of the sensor fiber 12 initiated.
  • the transmitter component 16 may be at ⁇ play, be a light emitting diode or a laser (VCSEL).
  • a reference section Refe ⁇ 17 which is formed as a circumference of the sensor fiber 12 circumferential groove.
  • the length 1 of the reference section 17 results from the groove width and is much smaller than the diameter d of the sensor fiber 12.
  • measuring light is introduced into the sensor fiber 12, a portion of the measuring light defined by the geometry of the reference section 17, which should advantageously be as low as possible, is coupled out of the fiber via the emitting surface of the reference section, which forms a second optical interface 19.
  • a defi ned ⁇ moiety is coupled out of the fiber via the emitting surface of the reference section, which forms a second optical interface 19.
  • an optical receiver device 20 which may be formed for example by a photodiode was added.
  • an annular groove used according to Figure 1 as Refe ⁇ rence portion 21 can be provided (in the case of Figure 1 the groove base) between the optical receiver device 20 and the second optical interface 19, a light guide member of the fraction of the radiated at the reference portion 17 light, reaches the optical receiver device increases.
  • a reference section 17 is provided in the form of an annular groove in the periphery of the sensor fiber 12, this has the advantage that the optical behavior of the reference section 17 is constant regardless of the angular position of the sensor fiber 12 to the optical receiver component 20. This facilitates Mon ⁇ day of the sensor fiber and makes it possible for the sensitive Select section 13 in its angular position to the base plate 11 so that the direction of the bending sensitivity of Sen ⁇ sorfaser can be adapted to the appropriate application.
  • Other geometries of the reference section are also conceivable, in particular reference sections which have a surface treatment of the sensor fiber only in the direction of the optical receiver component 20 lead to a comparatively lower loss of light in relation to the measuring light provided to the optical receiver component 20.
  • the reference section can, for example, by
  • Laser ablation, milling, punching or crushing are introduced into the sensor fiber.
  • a sensor band 22 which has three sensor fibers 12. These are held in an elastic sheath 23, which fixes the sensor fiber 12 in their position to each other.
  • the sheath forming the sensor band is not shown in FIG. 1 for the sake of clarity, with only one sensor fiber 12 being included in the band in this exemplary embodiment. In this case, the sheath serves primarily a mechanical protection of the sensor fiber 12.
  • the sensor band 22 according to FIG. 2 is mounted with its one end in a housing 24 of a transmitter module.
  • the respective first optical interfaces 18 can be brought into connection with the optical transmitter components 16, they project out of the jacket 23 at the end.
  • the sensor fibers 12 can be inserted into receptacles 25, which allow alignment of the first optical interfaces 18 in front of the transmitter components 16.
  • the receptacles 25 and the transmitter components 16 are mounted on the base ⁇ plate 11, which may be, for example, a circuit board.
  • a printed circuit board allows for easy electrical contacting of the electrical components, which is not shown in detail.
  • the viewer facing side of the sensor fiber 12 is provided with reference portions 17, which provide the second optical interfaces 19.
  • the housing is cut in a plane which makes it clear that above these reference sections 17, the receiver components 20 are cast into the housing 24.
  • the receiver components 20 can be held in front of an encapsulation with the material of the housing, for example, by the receptacles 25, which have a receptacle, not shown, for this purpose.
  • the accommodation of the optical receiver components 20 above the sensor fibers 12 has the advantage that on the base plate 11 space ⁇ can be saved and therefore the sensor fibers 12 are closer to each other in the sensor band.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Sensor, in der als sensitives Element eine Sensorfaser (12) mit vorzugsweise biegesensitiven Abschnitten (13) zum Einsatz kommt. Um vorteilhaft eine einfache Kalibrierung des Sensors zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß ein Referenzabschnitt (17) auf der Sensorfaser (12) vorgesehen, der eine Auskopplung eines definierten Betrages von Messlicht und dessen Detektierung mit einem Fotodetektor (20) ermöglicht. Unter Auswertung des so ermittelten Messwertes kann die Lichtintensität eines Senderbauelementes (16) zur Einspeisung von Messlicht eingestellt werden. Da der Referenzabschnitt (17) zwischen der Einspeisungsstelle (15) und dem sensitiven Abschnitt (13) liegt, kann die Kalibrierung unabhängig davon erfolgen, wieviel Messlicht über den sensitiven Abschnitt (13) ausgekoppelt wird.

Description

Beschreibung
OPTISCHE SENSORFASER MIT REFERENZABSCHNITT UND VERFAHREN ZU DEREN KALIBRIERUNG
Die Erfindung betrifft ein Sensorband, aufweisend eine opti¬ sche Sensorfaser mit einem für eine äußere Einflussgröße sen¬ sitiven Abschnitt, der sich über einen Teil der Längenausdeh- nung der Sensorfaser erstreckt und aus dem abhängig von der äußeren Einflussgröße Messlicht ausgekoppelt wird, weiterhin aufweisend einem Referenzabschnitt, aus dem Messlicht ausge¬ koppelt werden kann und der außerhalb des sensitiven Ab¬ schnittes liegt.
Ein Sensorband der eingangs angegebenen Art ist beispiels¬ weise aus der WO 2006/061313 Al bekannt. Dieses Sensorband besteht aus mehreren parallel verlegten Sensorfasern, welche zur Erzeugung eines Messsignals stückweise biegesensitiv aus- geführt sind. Die biegesensitiven Abschnitte werden durch eine Oberflächenbehandlung der Sensorfasern erzeugt, wobei diese Oberflächenbehandlung die Wirkung hat, dass an den oberflächenbehandelten Abschnitten bei gerade ausgerichteter Sensorfaser mehr Licht ausgekoppelt wird, als in einem unbe- handelten Abschnitt der Sensorfaser. Daraus folgt auch, dass der Betrag des an einem oberflächenbehandelten Abschnitt ausgekoppelten Messlichtes stark biegeabhängig wird, d. h. abhängig von der Biegung der Sensorfaser wird mehr oder weniger Licht aus der Faser ausgekoppelt. Eine Messung des ausgekop- pelten Lichtes erfolgt indirekt durch Messen des jeweils das Ende der Sensorfaser erreichenden Lichtes.
Gemäß der DE 42 24 166 C2 ist es allgemein bekannt, in Sensoreinrichtungen die einzelnen Komponenten mit Hilfe von Lichtwellenleitern zu verbinden. Beispielsweise kann ein Airbagsystem, bestehend aus einer Sensoreinrichtung, einer Auswerteeinrichtung und einer Auslöseeinrichtung so konstruiert werden, dass diese Komponenten an verschiedenen Orten des Kraftfahrzeugs montiert sind und die Lichtwellen¬ leiter für eine Signalübertragung zwischen diesen Komponenten sorgen .
Um eine einwandfreie Funktion von optischen Sensorbändern zu gewährleisten, können unterschiedliche Maßnahmen durchgeführt werden, die eine Fehlerkorrektur für den Fall ermöglichen, dass sich die Eigenschaften des optischen Sensorbandes bei¬ spielsweise alterungsbedingt verändern. Gemäß der DE 44 07 763 Al kann z. B. vorgesehen werden, dass das Sensor- band durch eine Mehrzahl gleichartiger Lichtleitfasern gebildet wird, welche im zu untersuchenden Bereich parallel verlaufen. Hierdurch wird das optische Signal, welches zur Auswertung zur Verfügung steht, auf mehrere Einzelstränge verteilt, so dass der Ausfall oder die Veränderungen der optischen Eigenschaften eines Stranges nicht so stark ins Gewicht fällt.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, mehrere Sende- und Empfangselemente anzuordnen. Diese Möglichkeit ist in der DE 100 26 330 Al beschrieben. Die Sendeelemente und Empfangsele¬ mente sind für verschiedene Wellenlängen sensitiv, so dass Messfehler durch einen Vergleich der unterschiedlichen Messergebnisse ermittelt werden können. Anstelle von gleichbe¬ rechtigten Sende- und Empfangselementen ist es auch möglich, einen gesonderten Monitorsender und einen gesonderten Monitorempfänger anzuordnen, wie dies in der DE 195 37 383 B4 beschrieben ist. Der Monitorsender sendet ein definiertes Signal an den Empfänger des Sensors, wodurch dieser überprüft werden kann. Genauso lässt sich das ausgesendete Messsignal durch den Monitorempfänger auswerten, wodurch Messfehler ausfindig gemacht werden können.
Zuletzt beschreibt die DE 10 2004 017 577 Al eine Möglich- keit, bei einer optischen Sensorvorrichtung mit Sensorband Toleranzen und Störeinflüsse dadurch zu kompensieren, dass unter bekannten Bedingungen ein sogenannter quasi-statischer Arbeitspunkt eingestellt wird. Von diesem ausgehend lassen sich dann vorhersagbare Messergebnisse erzielen.
Das beschriebene Sensorprinzip ist naturgemäß mit Messfehlern behaftet. Daher ist es wünschenswert, diese Messfehler durch Kalibrierung der Sensorfaser zu eliminieren. Normalerweise werden Fasern, die als optische Wellenleiter verwendet werden dadurch kalibriert, dass am Ausgang der Faser die Lichtintensität gemessen wird. Ist die Lichtintensität am Eingang be¬ kannt, kann beispielsweise der Lichtverlust gemessen werden, der mit einer Durchleitung von Lichtsignalen durch die Faser verbunden ist.
Ein Kalibrierung von biegesensitiven Lichtleitfasern wirft jedoch das Problem auf, dass ein Lichtverlust aufgrund des gewählten Sensorprinzips sogar gewünscht ist. Gleichzeitig ist der gewünschte Lichtverlust prinzipbedingt stark bie- gungsabhängig, so dass am Ausgang der Faser ankommende Lichtsignale unterschiedlicher Intensität keinen Rückschluss auf eventuelle Messfehler zulassen und daher auch keine Kalibrie¬ rung des Sensorbandes ermöglichen.
Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, ein Sensorband für den Einsatz als optische Sensorfaser anzugeben, welches sich einfach und insbesondere auch während des Betriebs ka¬ librieren lässt. Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Sensorband er¬ findungsgemäß dadurch gelöst, dass der Referenzabschnitt zwi¬ schen einer ersten optischen Schnittstelle des Sensorbandes zur Einkopplung des Messlichtes und dem sensitiven Abschnitt liegt und die Abstrahlfläche des Referenzabschnittes als zweite optische Schnittstelle für ein optisches Empfängerbau¬ element ausgelegt ist. Durch die Lage des Referenzabschnittes zwischen der ersten optischen Schnittstelle und dem sensitiven Abschnitt ist vorteilhaft gewährleistet, dass eine Aus- kopplung von Messlicht zum Zwecke der Kalibrierung des Sensorbandes an einer Stelle desselben erfolgt, wo Einflüsse eliminiert werden können, welche sich auf die Lichtintensität des durch die Sensorfaser geleiteten Lichtes prinzipbedingt auswirken. Dies ermöglicht eine Kalibrierung des Sensorbandes zu jedem Zeitpunkt, also auch während einer Messung unter Einsatz der optischen Sensorfaser.
Mit dem erfindungsgemäßen Sensorband ist es möglich, durch geeignete Kalibrierung Einflussgrößen zu berücksichtigen, die in der das Sensorband enthaltende Sensoreinrichtung bis zum Referenzabschnitt auftreten. In diesem Zusammenhang sind zu nennen: Fertigungsungenauigkeiten des Senderbauelementes, Fertigungsungenauigkeiten der ersten optischen Schnittstelle, Montagetoleranzen bei der Ausrichtung der optischen Sensorfa- ser und dem Senderbauelement, eine Alterung der Gerätekompo¬ nenten, eine Veränderung der Übertragungsgüte zwischen Senderbauelement und Sensorfaser aufgrund von Verschmutzungen, eine Temperaturabhängigkeit der Übertragungsfunktion zwischen Senderbauelement und Sensorfaser, wobei diese Aufzählung nicht abschließend ist.
Als sensitiver Abschnitt bzw. Referenzabschnitt werden Teil¬ bereiche der Sensorfaser mit einer in Längenausrichtung der Sensorfaser gesehen begrenzten Länge bezeichnet, die die op- tische Sensitivität der Sensorfaser bewirken. In diesem Zusammenhang ist insbesondere die Oberflächenbehandlung zur gezielten Steigerung von Verlusten bei der Übertragung des Messlichtes durch die Sensorfaser zu nennen. Eine Biegeemp- findlichkeit der Sensorfaser lässt sich beispielsweise errei¬ chen, wenn der sensitive Abschnitt nur auf einer Seite des Umfanges der Sensorfaser angebracht wird (als Umfang ist die Ausdehnung der durch die Sensorfaser gebildeten Mantelfläche zu verstehen, wobei die Sensorfaser nicht notwendigerweise einen Kreisquerschnitt aufweisen muss) . Wenn im Zusammenhang mit dieser Erfindung von Licht die Rede ist, so sind hiermit allgemein elektromagnetische Wellen zu verstehen, welche sich durch optischen Medien leiten lassen. Eine Beschränkung auf das für das menschliche Auge sichtbare Licht ist nicht inten- diert.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Längenausdehnung des Referenzabschnittes auf der opti¬ schen Sensorfaser kleiner ist als der Durchmesser der opti- sehen Sensorfaser. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass die Auskopplung von Messlicht im Verhältnis zum durchgeleite¬ ten Messlicht lediglich gering ist. Damit steht der Hauptteil des Messlichtes weiterhin der Sensoranwendung zur Verfügung. Zu einer Beurteilung des am Referenzabschnitt ausgekoppelten Messlichtes ist es nämlich lediglich erforderlich, dass der ausgekoppelte Anteil an Messlicht definiert ist und betrags¬ mäßig für eine Detektierung zwecks Auswertung der Kalibrierung ausreicht.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn sich der Referenzabschnitt im Bereich seiner Längenausdehnung über den gesamten Umfang der Sensorfaser erstreckt. Hierdurch wird vorteilhaft eine Ausrichtung der Sensorfaser zum Empfängerbauelement vereinfacht, da diese insbesondere bei einem Kreisquerschnitt der Sensorfaser in beliebigen Drehwinkeln zum Empfängerbauelement ausgerichtet werden kann. Dies ermög¬ licht beispielsweise eine Steckmontage der Sensorfaser.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf einen Sensor mit einem Sensorband, das in der bereits beschriebenen Weise auf¬ gebaut ist. Dieses Sensorband ist an der ersten optischen Schnittstelle mit einem optischen Senderbauelement ausgestat¬ tet. Dieses Senderbauelement dient der Einspeisung von Mess- licht in die Sensorfaser. Der Sensor entsteht somit aus dem Zusammenspiel des Sensorbandes mit dem optischen Senderbau¬ element .
Um einen Sensor zu erhalten, dessen Sensorband die oben ange- gebene Aufgabe löst, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass an der zweiten optischen Schnittstelle, die durch den Referenzabschnitt gebildet wird, das optische Empfängerbaueleemnt an¬ geordnet ist. Hierdurch wird vorteilhaft eine Konfiguration erhalten, welche durch Messen des am Referenzabschnitt ausge- koppelten Liches eine Kalibrierung des Sensors ermöglicht.
Um auch das Sensorsignal auswerten zu können, ist es notwendig, auch an dem dem Senderelement abgekehrten Ende der Sensorfaser ein weiteres optisches Empfängerbauelement anzuord- nen. Dieses bildet jedoch eine weitere Baueinheit, die am an¬ deren Ende des Sensorbandes liegt, jedoch als Teil des Sen¬ sors aufgefasst werden kann. Auch ist es möglich, wie in der WO 2006/061313 Al beschrieben, das Sensorband nach Passieren eines Wendepunktes zurückzuführen, so dass sich die eingangs- seitigen sowie ausgangsseitigen Schnittstellen der Sensorfasern an einer Stellebefinden. In diesem Fall kann das weitere Empfängerbauelement auch in eine Baueinheit mit dem Sender¬ bauelement und dem Empfängerbauelement zur Kalibrierung der Faser integriert werden. Gemäß einer Ausgestaltung des Sensors ist vorgesehen, dass zwischen dem Referenzabschnitt und dem optischen Empfängerbaustein ein Lichtleitelement vorgesehen ist. Dieses kann beispielsweise an die Sensorfaser angegossen werden oder auch nach Montage der Sensorfaser und des Empfängerbausteins zwi¬ schen diesen beiden Elementen eingesetzt werden. Das Lichtleitelement kann beispielsweise aus einem transparenten Kunststoff mit wellenleitenden Eigenschaften bestehen. Der Einsatz eines Lichtleitelementes hat den Vorteil, dass Licht¬ verluste zwischen dem Referenzabschnitt und dem Empfängerbau¬ element minimiert werden können. Gleichzeitig verringert der Einsatz eines Lichtleitelementes auch die Möglichkeiten, dass sich beispielsweise durch Verschmutzung der optischen Über- tragungsstrecke Messfehler für die Kalibrierung ergeben.
Eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn das optische Senderbauelement und das optische Empfängerbauelement in einer Baueinheit angeordnet sind, wel- che auch eine Aufnahme zur Ausrichtung der Sensorfaser gegenüber den beiden erwähnten Bauelementen aufweist. Hierdurch entstehen zwei Baueinheiten für den Sensor, nämlich einerseits das Sensorband und andererseits ein Gehäuse, welches zumindest das Senderbauelement und das Empfängerbauelement zur Kalibrierung der Sensorfaser aufnimmt und auch weitere
Bauelemente, wie z. B. eine Treiberelektronik enthalten kann. Die Schnittstelle zwischen diesen beiden Baueinheiten ist durch die Aufnahme gegeben, die gleichzeitig eine Ausrichtung der Sensorfaser, die in dem Sensorband enthalten ist, er- laubt.
Zuletzt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Kalibrieren einer optischen Sensorfaser mit einem für eine äußere Einflussgröße sensitiven Abschnitt, der sich über einen Teil der Längenausdehnung der Sensorfaser erstreckt und aus dem abhängig von der äußeren Einflussgröße Messlicht aus¬ gekoppelt wird, und mit einem Referenzabschnitt, aus dem Messlicht ausgekoppelt werden kann und der außerhalb des sen- sitiven Abschnittes liegt.
Ein Verfahren zur Kalibrierung von Sensorfasern ist ebenfalls in der eingangs bereits erwähnten WO 2006/061313 Al beschrie¬ ben. Dieses Kalibrierungsverfahren entspricht dem eingangs bereits Erwähnten, dass nämlich die Lichtquellen des Sensors, die während des Betriebes Licht in die Sensorfasern einspei¬ sen, für die Kalibrierung verwendet werden. Die Messeinrichtung zur Erzeugung von kalibrierungsrelevanten Lichtsignalen wird am anderen Ende der Sensorfaser angebracht. In der WO 2006/061313 Al wird der Vorteil erwähnt, den es hat, wenn der oberflächenbehandelte Längenanteil der Sensorfaser im Ver¬ hältnis zu ihrer Gesamtlänge bei allen parallel verlaufenden Fasern eines Sensorbandes gleich groß ist. Damit müssen näm¬ lich alle zur Kalibrierung ausgewerteten Lichtsignale, die ausgangsseitig an den einzelnen Sensorfasern gemessen werden, gleich groß sein.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Kalibrieren einer optischen Sensorfaser anzugeben, mit dem eine zuverlässige Kalibrierung möglich ist und insbe¬ sondere auch während des Betriebes der Sensorfaser vorgenommen werden kann.
Diese Aufgabe wird mit dem genannten Verfahren erfindungsge- maß dadurch gelöst, dass das Messlicht von einem optischen
Senderbauelement in die erste optische Schnittstelle des Sen¬ sorbandes eingekoppelt wird. Weiterhin wird ein Teil des Messlichtes über die als zweite optische Schnittstelle ausge¬ bildete Abstrahlfläche des Referenzabschnittes, der zwischen der ersten Schnittstelle und dem sensitiven Abschnitt liegt, ausgekoppelt. Dann wird das ausgekoppelte Messlicht durch ein optisches Empfängerbauelement erfasst und die Abstrahlungs- leistung des optischen Senderbauelementes so eingestellt, dass das durch das optische Empfängerbauelement erfasste, ausgekoppelte Messlicht einem Sollwert entspricht. Der we¬ sentliche Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren liegt in einem Einsatz eines Empfängerbauelementes, wel¬ ches den Referenzabschnitt zur Erfassung des dort ausgekop- pelten Lichtes direkt zugeordnet ist. Dieses Messverfahren funktioniert unabhängig davon, ob die Sensorfaser gerade zu Messzwecken eingesetzt wird. Eine verfälschungsfreie Messung wird vorteilhaft dadurch gewährleistet, dass der Referenzab¬ schnitt vor dem ersten sensitiven Abschnitt der Sensorfaser angeordnet ist, so dass eine Veränderung der Verhältnisse in der Sensorfaser, die zu einer Veränderung des Sensorergebnisses führt, sich nicht auf die Messwerte der Kalibrierung aus¬ wirkt .
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Kalibrierung während des Betriebs der Sensorfaser durchgeführt wird und der Sollwert die für den Betrieb erforderliche AbStrahlungsleistung des optischen Senderbauelements wiedergibt. Durch Vorgabe dieses Sollwertes kann vorteilhaft erreicht werden, dass alterungsbedingte oder verschmutzungsbedingte Verfälschungen des Messergebnisses verhindert werden, soweit sich diese Verfälschungen in dem Bereich des Sensors zwischen dem Senderbauelement und dem Re¬ ferenzabschnitt einstellen. Einer solchen Verfälschung kann durch Anpassung der Lichtintensität des durch das Senderbau¬ element ausgesendeten Lichtes begegnet werden. Hierzu ist eine geeignete Treiberelektronik für das Senderbauelement notwendig, welche über das Kalibrierungsergebnis des Empfän¬ gerbauelementes rückgekoppelt sein kann. Gleichzeitig muss das Senderbauelement hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Lichtintensität eine zur Kalibrierung ausreichende Reserve aufweisen .
Vorteilhaft kann die Kalibrierung auch vor der Inbetriebnahme der Sensorfaser erfolgen. Es ist möglich, mittels der bereits erwähnten Treiberschaltung einen bestimmten geforderten Sollwert für das in die Sensorfaser eingekoppelte Licht einzu¬ stellen. Es ist jedoch auch möglich, die zur Verfügung ste- hende Lichtleistung optimal zu nutzen und für diese Licht¬ leistung einen Sollwert für den weiteren Betrieb der Sensorfaser zu speichern. Dieser kann im Betrieb bei einer betriebsbegleitenden Kalibrierung wieder zur Verfügung gestellt werden .
Insbesondere bei Sensorbändern, die mehrere Sensorfasern auf¬ weisen, kann vorgesehen werden, dass die Kalibrierung unter einem Abgleich der Lichtintensitäten der jeweiligen den Sensorfasern zugeordneten optischen Senderbauelementen erfolgt. Hierdurch kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass bei einem Sensorband, bei dem alle Sensorfasern auf ein bestimmtes einwirkendes Ereignis in gleicher Weise reagieren sollen, eine gleichmäßige Lichtintensität am Eingang der Sensorfaser zur Verfügung steht. Bei einer ungleichen Alterung oder Ver- schmutzung während des Betriebes kann beispielsweise durch ein geeignetes Kalibrieren eine Anpassung vorgenommen werden, so dass auch über einen längeren Zeitraum des Betriebes konstante Verhältnisse in den einzelnen Sensorfasern des Sensorbandes herrschen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben.
Es zeigen Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors mit einem Ausführungsbeispiel des erfindungs¬ gemäßen Sensorbandes schematisch als perspektivi- sehe Ansicht und
Figur 2 ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsge¬ mäßen Sensors mit einem Ausführungsbeispiel des er¬ findungsgemäßen Sensorbandes als Aufsicht, welche in verschiedenen Ebenen aufgeschnitten ist.
Ein Sensor gemäß Figur 1 ist durch eine Basisplatte 11 gebil¬ det, auf der die weiteren wesentlichen Komponenten des Sensors in nicht näher dargestellter Weise befestigt und kontak- tiert sind. Der Sensor weist eine Sensorfaser 12 auf, welche im weiteren Verlauf mit einem sensitiven Abschnitt 13 verse¬ hen ist (Das die Sensorfaser umgebende Sensorband ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) . Dieser be¬ steht aus einer Oberflächenstrukturierung, die beispielsweise mittels eines Lasers aufgebracht werden kann und befindet sich lediglich auf einer Seite der Sensorfaser. Auf diese Weise entsteht eine biegesensitive Sensorfaser, da bei Bie¬ gung der Faser in Richtung des angedeuteten Pfeiles 14 und der darauf folgenden konvexen Krümmung des sensitiven Ab- Schnittes 13 mehr Licht ausgekoppelt wird, als bei der gerade verlaufenden Faser. Bei entgegengesetzter Krümmung der Faser wird eine konkave Krümmung des sensitiven Abschnittes 13 be¬ wirkt, wodurch die Lichtauskopplung aus der Sensorfaser verringert wird. Somit kann durch Aufnahme des durch die Sensor- faser geleiteten Lichtes mittels eines nicht dargestellten Fotodetektors Aufschluss über den Krümmungszustand der Sen¬ sorfaser erlangt werden. Das Messlicht wird mittels eines an der Stirnseite 15 der Sensorfaser 12 auf der Basisplatte 11 angebrachtes optisches Senderbauelement in die Sensorfaser 12 eingeleitet. Bei dem Senderbauelement 16 kann es sich bei¬ spielsweise um eine Leuchtdiode oder einen Laser (VCSEL) handeln .
Zwischen der stirnseitigen Einspeisungsstelle der Sensorfaser 12 für das Messlicht, die eine erste optische Schnittstelle 18 ausbildet, und dem sensitiven Abschnitt 13 liegt ein Refe¬ renzabschnitt 17, der als eine den Umfang der Sensorfaser 12 umlaufende Nut ausgebildet ist. Die Länge 1 des Referenzab- Schnittes 17 ergibt sich aus der Nutbreite und ist sehr viel geringer als der Durchmesser d der Sensorfaser 12.
Wird Messlicht in die Sensorfaser 12 eingeleitet, so wird ein durch die Geometrie des Referenzabschnittes 17 definierter Anteil des Messlichtes, der vorteilhaft möglichst gering sein sollte, über die Abstrahlfläche des Referenzabschnittes, die eine zweite optische Schnittstelle 19 bildet, aus der Faser ausgekoppelt. Von dem ausgekoppelten Messlicht wird ein defi¬ nierter Anteil durch ein optisches Empfängerbauelement 20, welches beispielsweise durch eine Fotodiode gebildet sein kann, aufgenommen. Wird eine Ringnut gemäß Figur 1 als Refe¬ renzabschnitt verwendet, kann zwischen dem optischen Empfängerbauelement 20 und der zweiten optischen Schnittstelle 19 (im Fall von Figur 1 der Nutgrund) ein Lichtleitelement 21 vorgesehen werden, der den Anteil des am Referenzabschnitt 17 abgestrahlten Lichtes, der das optische Empfängerbauelement erreicht, erhöht.
Wird ein Referenzabschnitt 17 in Form einer Ringnut im Umfang der Sensorfaser 12 vorgesehen, so hat dies den Vorteil, dass das optische Verhalten des Referenzabschnittes 17 unabhängig von der Winkelstellung der Sensorfaser 12 zum optischen Empfängerbauelement 20 konstant ist. Dies erleichtert die Mon¬ tage der Sensorfaser bzw. macht es möglich, den sensitiven Abschnitt 13 in seiner Winkelstellung zur Basisplatte 11 so zu wählen, dass die Richtung der Biegesensitivität der Sen¬ sorfaser an den entsprechenden Anwendungsfall angepasst werden kann. Andere Geometrien des Referenzabschnittes sind auch denkbar, insbesondere führen Referenzabschnitte, die eine Oberflächenbehandlung der Sensorfaser lediglich in Richtung des optischen Empfängerbauelementes 20 aufweisen zu einem vergleichsweise geringeren Lichtverlust im Verhältnis zu dem dem optischen Empfängerbauelement 20 zur Verfügung gestellten Messlicht. Der Referenzabschnitt kann beispielsweise durch
Laserablation, Fräsen, Stanzen oder Quetschen in die Sensorfaser eingebracht werden.
Bei dem Sensor gemäß Figur 2 kommt ein Sensorband 22 zum Ein- satz, welches drei Sensorfasern 12 aufweist. Diese sind in einer elastischen Ummantelung 23 gehalten, die die Sensorfaser 12 auch in ihrer Lage zueinander fixiert. Die das Sensorband bildende Ummantelung ist in Figur 1 der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, wobei bei diesem Aus- führungsbeispiel auch nur eine Sensorfaser 12 in dem Band eingeschlossen ist. In diesem Fall dient die Ummantelung vorrangig einem mechanischen Schutz der Sensorfaser 12.
Das Sensorband 22 gemäß Figur 2 wird mit seinem einen Ende in einem Gehäuse 24 einer Senderbaueinheit montiert. Damit die jeweils ersten optischen Schnittstellen 18 mit den optischen Senderbauelementen 16 in Verbindung gebracht werden können, ragen diese am Ende aus der Ummantelung 23 heraus. Mit diesen Enden können die Sensorfasern 12 in Aufnahmen 25 eingeschoben werden, die eine Ausrichtung der ersten optischen Schnittstellen 18 vor den Senderbauelementen 16 gestatten. Die Aufnahmen 25 sowie die Senderbauelemente 16 sind auf der Basis¬ platte 11 befestigt, die beispielsweise eine Leiterplatte sein kann. Eine Leiterplatte ermöglicht eine einfache elektrische Kontaktierung der elektrischen Komponenten, wobei diese nicht näher dargestellt ist.
Die den Betrachter zugewandte Seite der Sensorfaser 12 ist mit Referenzabschnitten 17 versehen, die die zweiten optischen Schnittstellen 19 zur Verfügung stellen. In einem anderen Teil ist das Gehäuse in einer Ebene aufgeschnitten, die deutlich macht, dass oberhalb dieser Referenzabschnitte 17 die Empfängerbauelemente 20 in das Gehäuse 24 eingegossen sind. Die Empfängerbauelemente 20 können vor einem Verguss mit dem Material des Gehäuses beispielsweise durch die Auf¬ nahmen 25 gehalten werden, die zu diesem Zweck eine nicht näher dargestellte Aufnahme aufweisen. Die Unterbringung der optischen Empfängerbauelemente 20 oberhalb der Sensorfasern 12 hat den Vorteil, dass auf der Basisplatte 11 Bauraum ein¬ gespart werden kann und daher die Sensorfasern 12 im Sensorband näher beieinander liegen.

Claims

Patentansprüche
1. Sensorband, aufweisend eine optische Sensorfaser (12)
- mit einem für eine äußere Einflussgröße sensitiven Ab- schnitt (13), der sich über einen Teil der Längenausdehnung der Sensorfaser (12) erstreckt und aus dem abhängig von der äußeren Einflussgröße Messlicht ausgekoppelt wird, und
- mit einem Referenzabschnitt (17), aus dem Messlicht ausge- koppelt werden kann und der außerhalb des sensitiven Ab¬ schnittes (13) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzabschnitt (17) zwischen einer ersten opti¬ schen Schnittstelle (18) der Sensorfaser zur Einkopplung des Messlichtes und dem sensitiven Abschnitt (13) liegt und die Abstrahlfläche des Referenzabschnittes (17) als zweite opti¬ sche Schnittstelle (19) für ein optisches Empfängerbauelement (20) ausgelegt ist.
2. Sensorband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenausdehnung (1) des Referenzabschnittes (17) auf der optischen Sensorfaser (12) kleiner ist als der Durchmesser (d) der optischen Sensorfaser.
3. Sensorband nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzabschnitt (17) sich im Bereich seiner Längenausdehnung über den gesamten Umfang der Sensorfaser er- streckt.
4. Sensor mit einem Sensorband nach einem der voranstehenden Ansprüche, welcher an der ersten optischen Schnittstelle (18) mit einem optischen Senderbauelement (16) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der zweiten optische Schnittstelle (19) das optische
Empfängerbauelement (20) angeordnet ist.
5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Referenzabschnitt (17) und dem optischen Empfängerbaustein (20) ein Lichtleitelement (21) vorgesehen ist .
6. Sensor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Senderbauelement (16) und das optische Emp¬ fängerbauelement (20) in einer Baueinheit angeordnet sind, welche auch eine Aufnahme (25) zur Ausrichtung der Sensorfa¬ ser (12) gegenüber den beiden erwähnten Bauelementen aufweist .
7. Verfahren zum Kalibrieren einer optischen Sensorfaser (12) - mit einem für eine äußere Einflussgröße sensitiven Ab¬ schnitt (13), der sich über einen Teil der Längenausdehnung der Sensorfaser (12) erstreckt und aus dem abhängig von der äußeren Einflussgröße Messlicht ausgekoppelt wird, und - mit einem Referenzabschnitt (17), aus dem Messlicht ausge¬ koppelt werden kann und der außerhalb des sensitiven Ab¬ schnittes (13) liegt dadurch gekennzeichnet, dass
- das Messlicht von einem optischen Senderbauelement (16) in die erste optische Schnittstelle (18) des Sensorbandes eingekoppelt wird,
- ein Teil des Messlichtes über die als zweite optische Schnittstelle (19) ausgebildete Abstrahlfläche des Refe¬ renzabschnittes (17), der zwischen der ersten Schnitt- stelle (18) und dem sensitiven Abschnitt (13) liegt, aus¬ gekoppelt wird,
- das ausgekoppelte Messlicht durch ein optisches Empfänger¬ bauelement (20) erfasst wird und - die AbStrahlungsleistung des optischen Senderbauelementes (16) so eingestellt wird, dass das durch das optische Emp¬ fängerbauelement (20) erfasste ausgekoppelte Messlicht einem Sollwert entspricht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung während des Betriebes der Sensorfaser (12) durchgeführt wird und der Sollwert die für den Betrieb erforderliche AbStrahlungsleistung des optischen Senderbau- elementes (16) wiedergibt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung vor der Inbetriebnahme der Sensorfaser (12) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensorfasern (12) in einem Sensorband (22) zu- sammengefasst sind und die Kalibrierung unter einem Abgleich der Lichtintensitäten der jeweiligen den Sensorfasern zugeordneten optischen Senderbauelementen (16) erfolgt.
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