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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtleitfaser-Sensor, der
die Wirkung der Mikrokrümmungen
einer Faser zum Messen einer Belastung verwendet, sowie ein Verfahren
zur Herstellung eines derartigen Sensors. Die Erfindung betrifft
auch eine Erfassungsvorrichtung, die diesen Sensor verwendet.
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Die
Erfassungstechniken mit Lichtleitfasern bieten bezüglich der üblichen
Techniken eine große Anzahl
von Vorteilen, unter denen die Kompatibilität mit den Kommunikationssystemen,
die Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Phänomene und allgemein
die Fähigkeit,
in einer rauen Umgebung zu funktionieren, angeführt werden können.
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Unter
den verschiedenen existierenden Lichtleitfaser-Sensoren sind Sensoren
bekannt, bei denen sich eine Änderung
der zu messenden Größe in einer
Modulation der Intensität
des von der Lichtleitfaser übertragenen
Lichts, d. h. einer Modifikation der Dämpfung dieser Faser, ausdrückt. Eine
Art Sensor, der zu dieser Kategorie gehört, ist der Sensor mit Mikrokrümmungen,
bei dem die Dämpfung
der Lichtleitfaser durch eine lokale Modifikation des Krümmungswinkels
der Faser unter der Wirkung des Aufbringens einer Kraft oder eines
Drucks auf den Sensor hervorgerufen wird.
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Die
Funktion dieser Sensoren ist im Allgemeinen zufriedenstellend, wenn
diese an ebenen Substraten befestigt sind. Dagegen treten Schwierigkeiten
auf, sobald die Oberfläche
des Substrats, auf das der Sensor gelegt ist, nicht mehr vollkommen eben
ist. Mechanische Beanspruchungen, die mit der Krümmung des Substrats verbunden
sind, auf dem der Sensor ruht, erscheinen dann in der Faser. Diese Beanspruchungen
führen
zu lokalen Modifikationen des Krümmungsradius
der Fasern, einer Änderung des
Wicklungsschritts der Faser oder durchaus auch der Periode des Gitters
von Mikrokrümmungen.
Die Erfassungsempfindlichkeit ist somit nicht mehr auf der ganzen
Oberfläche
des Sensors homogen, was zu einer deutlichen Änderung der Messgenauigkeit führt.
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Aus
dem Dokument EP-A1-562 891 ist ein Lichtleitfaser-Drucksensor gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 1 bekannt.
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Die
vorliegende Erfindung hat das Ziel, die vorstehenden Probleme und
Nachteile zu beseitigen, indem sie einen Lichtleitfaser-Sensor vorschlägt, der die
Wirkung der Mikrokrümmungen
einer Faser zum Messen einer Belastung verwendet, wobei das Gitter von
Mikrokrümmungen
unabhängig
von der Geometrie des Substrats, auf das dieser Sensor gelegt ist, einen
konstanten Abstand bewahrt. Dazu hat die vorliegende Erfindung als
Gegenstand einen Lichtleitfaser-Sensor
für die
Messung einer Belastung, die auf ein Substrat ausgeübt wird,
wobei dieser Sensor einen Träger
umfasst, der eine Multimoden-Lichtleitfaser trägt, in der die Dämpfung des übertragenen Lichts
durch eine lokale Modifikation des Krümmungswinkels oder der Mikrokrümmung der
Faser unter der Wirkung der ausgeübten Belastung hervorgerufen
wird, wobei der Träger
Zonen mit stärkeren und
schwächeren
Beanspruchungen aufweist und gebogen ist, um sich an das gekrümmte Substrat,
auf das er gelegt ist, anzupassen, dadurch gekennzeichnet, dass
der die Lichtleitfaser tragende Träger ein periodisches Gitter
aus Perforationen aufweist, in die die Lichtleitfaser eingefädelt ist,
wobei die Periode und das zyklische Verhältnis der Mikrokrümmungen der
Faser, das als das Verhältnis
der Längen
der Lichtleitfaser, die zwei aufeinander folgenden Mikrokrümmungen
entsprechen, definiert ist, konstant bleiben, wobei die Perforationen
in den Zonen stärkerer Beanspruchungen
des Trägers
in bevorzugten Richtungen, die zur Krümmungsebene dieses Trägers senkrecht
sind, ausgebildet sind, wobei die Krümmungsebene die Ebene bezeichnet,
die durch den Krümmungsradius
beschrieben ist, längs
dessen der die Lichtleitfaser tragende Träger gekrümmt ist, und die Perforationen
in den Zonen mit schwächeren
Beanspruchungen des Trägers
in nicht bevorzugten Richtungen ausgebildet sind.
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Durch
diese Eigenschaften schafft die vorliegende Erfindung einen Lichtleitfaser-Belastungssensor,
dessen Leistungen von der Geometrie des Trägers, der die Faser trägt, unabhängig sind.
Der Träger
kann eine offene Oberfläche,
die beispielsweise Falten, Hohlräume
oder Höcker
aufweist, oder auch eine geschlossene, entlang verschiedener Ebenen gekrümmte Oberfläche mit
zylindrischem Querschnitt oder beliebiger Form sein. Dieses Ergebnis
wird dadurch erreicht, dass angenommen wird, dass jede gekrümmte Oberfläche durch
eine Folge von kleinen ebenen Oberflächenelementen angenähert werden kann,
deren Abmessungen ganze Vielfache der Periode des Gitters von Perforationen
sind, die im Träger ausgebildet
sind. Die Lichtleitfaser entzieht sich folglich jeglicher mechanischer
Beanspruchung, die durch die Krümmung
des Trägers
induziert wird, und das Gitter von Mikrokrümmungen der Faser bewahrt einen
konstanten Abstand. Die Erfassungsempfindlichkeit bleibt folglich
auf der ganzen Oberfläche
des Sensors homogen, was einen ungerichteten Sensor schafft und
zu einer großen
Messgenauigkeit führt.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung ist die Periode des Gitters von Perforationen
so gewählt,
dass die Kopplung zwischen im Kern der Faser geführten Moden und nach außen gestrahlten Moden
der Faser begünstigt
wird.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung
des obigen Sensors, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem die Lichtleitfaser
tragenden Träger
ein periodisches Gitter von Perforationen ausgebildet wird, in das
die Lichtleitfaser eingefädelt
ist, wobei die Periode und das zyklische Verhältnis der Mikrokrümmungen
der Faser konstant bleiben, wobei die Perforationen in den Zonen
mit stärkeren
Beanspruchungen des Trägers
in bevorzugten Richtungen ausgebildet sind, die durch den Schnitt
des Trägers
mit der Ebene, die den Krümmungsradius
enthält
und zur Krümmungsebene
dieses Trägers
senkrecht ist, definiert sind, und wobei die Perforationen in den
Zonen mit schwächeren
Beanspruchungen des Trägers
in nicht bevorzugten Richtungen ausgebildet sind.
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Gemäß einem
nochmals weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Belastungserfassungsvorrichtung
mit dem obigen Lichtleitfaser-Sensor, einer Lichtquelle, um in die
Lichtleitfaser eine Lichtwelle zu schicken, und einer Photoerfassungsvorrichtung,
die die Lieferung von Informationen bezüglich der von der Faser übertragenen
Lichtintensität
ermöglicht.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsvariante der
Erfindung ist der die Faser tragende Träger ein Hohlrohr, das gebogen
ist, um sich einem gekrümmten
Träger
anzupassen, und die Perforationen, in die die Faser eingefädelt ist,
sind in nicht bevorzugten Richtungen in den Zonen mit schwächeren Beanspruchungen
des Rohrs ausgebildet, die sich beiderseits der axialen Symmetrieebene
des Rohrs in der Nähe
der neutralen Achse von diesem erstrecken.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsvariante der
Erfindung ist der die Lichtleitfaser tragende Träger ein Hohlrohr, in dessen
Inneres ein Zylinder eingesetzt ist, um ein Vollrohr zu bilden,
wobei das Gitter von Perforationen wie vorstehend ausgebildet ist.
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Gemäß noch einer
weiteren Variante ist der die Lichtleitfaser tragende Träger ein
dünnes
Band, auf dem das Gitter von Perforationen in nicht bevorzugten
Richtungen ausgebildet ist, wobei dieses Band longitudinal zwischen
zwei Zylinderabschnitte eingefügt
ist, um ein Vollrohr zu bilden.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung sind der Träger und die Lichtleitfaser,
die er trägt,
in eine Hülle
zum mechanischen Schutz eingehüllt,
die zum Übertragen
der zu messenden Belastung auf den erfindungsgemäßen Sen sor dient und diesem
die gesuchte Form verleiht.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung zeigen sich deutlicher
bei der Lektüre
der folgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Lichtleitfaser-Kraftsensors,
wobei dieses Beispiel nur zur Information und nicht zur Begrenzung
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen gegeben wird, in denen:
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1 eine
perspektivische Prinzipansicht eines Trägers mit beliebiger Form ist,
auf dem ein Gitter von Perforationen gemäß der Erfindung ausgebildet
ist, in welche eine Lichtleitfaser eingefädelt ist;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines gebogenen Rohrs ist, an dem die Linien
mit starken und schwächeren
Beanspruchungen dargestellt sind;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines in einem Hohlrohr ausgebildeten Trägers ist,
an dem ein erfindungsgemäßes Gitter
von Perforationen ausgebildet ist, in die eine Lichtleitfaser eingefädelt ist;
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4 eine
axiale Schnittansicht des Hohlrohrs von 3 ist,
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5 eine
perspektivische Ansicht eines in einem dünnen Band ausgebildeten Trägers ist,
der longitudinal zwischen zwei Zylinderabschnitte eingefügt ist,
um ein Vollrohr zu bilden;
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6 eine
schematische Ansicht einer Belastungserfassungsvorrichtung ist,
die den erfindungsgemäßen Lichtleitfaser-Sensor
im Übertragungsmodus
verwendet;
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7 und 8 schematische
Ansichten einer Belastungserfassungsvorrichtung sind, die den erfindungsgemäßen Lichtleitfaser-Sensor
im Reflexionsmodus verwendet;
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9 eine
schematische Ansicht einer Belastungserfassungsvorrichtung ist,
die den erfindungsgemäßen Lichtleitfaser-Sensor
im Reflexions/Übertragungs-Modus
verwendet;
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10, 11 und 12 schematische Ansichten
einer Belastungserfassungsvorrichtung sind, die eine Vielzahl von
erfindungsgemäßen Lichtleitfaser-Sensoren, die in
einem Gitter zusammengefügt
sind, verwendet; und
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13 und 14 schematische
Ansichten einer Belastungserfassungsvorrichtung sind, die den erfindungsgemäßen Lichtleitfaser-Sensor über eine Referenz-Lichtleitfaser
verwenden.
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1 ist
eine perspektivische Prinzipansicht eines Trägers mit beliebiger geometrischer
Form, der auf ein Substrat (nicht dargestellt) mit komplementärer Form
aufgebracht werden soll. Dieser Träger, der in seiner Gesamtheit
mit dem allgemeinen Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, umfasst
beispielsweise zwei Flügel,
wie 2, die im Wesentlichen eben und horizontal sind und
durch einen Kanal 4, dessen Flanken wie 6 im Wesentlichen
ein V bilden, miteinander verbunden sind. Die stärksten mechanischen Beanspruchungen
konzentrieren sich im Träger 1 auf
der Höhe
der Zonen der Verbindung der Flügel 2 mit
den Flanken 6 und der Verbindung der zwei Flanken 6 am Boden
des Kanals 4. Die Linien stärkerer Beanspruchungen sind
in 1 durch eine Reihe von Doppelpfeilen wie 8 dargestellt,
die sich im Wesentlichen quer zum Träger 1 erstrecken.
Ebenso stellen die Doppelpfeile wie 10, die sich longitudinal
zum Träger 1 erstrecken,
die Linien schwächerer
Beanspruchungen dieses Trägers 1 dar.
Es ist zu bemerken, dass die Richtungen von starken und schwächeren Beanspruchungen
im Träger 1 in
den Zonen starker Beanspruchungen im Allgemeinen zueinander senkrecht sind.
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Im
Folgenden wird angenommen, dass die Baugruppe, die von jedem Flügel 2 und
der Flanke 6 des Kanals 4, mit der dieser Flügel verbunden
ist, gebildet ist, in erster Näherung
durch ein kreisförmiges geometrisches
Profil dargestellt werden kann, dessen Krümmungsradius in den Fig. mit
R bezeichnet ist. Dann wird im Träger 1 ein Gitter von
Perforationen wie 12 ausgebildet, in die eine Lichtleitfaser 14 eingefädelt wird.
Die Lichtleitfaser 14 wird nacheinander in jede Perforation 12 in
der Weise einer Weberei eingefädelt,
wobei sie abwechselnd über,
dann unter der Oberfläche
des Trägers 1 verläuft. Somit wird
lokal in der Lichtleitfaser 14 eine Folge von Krümmungen
oder Mikrokrümmungen
wie 16 gebildet, von welchen die Modifikation des Krümmungswinkels
unter der Wirkung einer Kraft oder eines Drucks, die/der auf den
Träger 1 aufgebracht
wird, in an sich bekannter Weise eine Modifikation der Dämpfung der
Lichtleitfaser 14 hervorruft.
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Gemäß einem
ersten bedeutenden Merkmal der Erfindung wird das Gitter von Perforationen 12 so ausgebildet,
dass die Periode der Mikrokrümmungen 16 konstant
ist und zu einem ebenfalls konstanten zyklischen Verhältnis l1/l2 der Mikrokrümmungen 16 von vorzugsweise
gleich 1 führt.
Unter dem zyklischen Verhältnis
der Mikrokrümmungen 16 wird
das Verhältnis
der Längen
l1 und l2 der Lichtleitfaser 14 entsprechend
zwei aufeinander folgenden Mikrokrümmungen 16 (siehe
auch 4) verstanden.
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In
den ebenen Teilen der Flügel 2 und
der Flanken 6 des Trägers 1 fern
von den Zonen starker mechanischer Beanspruchungen kann das Gitter
von Perforationen 12 beliebigen, nicht bevorzugten Richtungen
folgen. Dagegen und ge mäß dem weiteren bedeutenden
Merkmal der Erfindung werden die Perforationen 12 in den
Zonen starker Beanspruchungen des Trägers 1 entlang Linien
wie 18, die in 1 in strichpunktierten Linien
dargestellt sind, ausgebildet, wobei diese Linien 18 durch
den Schnitt des Trägers 1 mit
der Ebene, die den Krümmungsradius
R enthält
und die zur Krümmungsebene
des Trägers 1 senkrecht
ist, definiert sind. Durch diese besonders vorteilhafte Anordnung
der Erfindung entziehen sich die Mikrokrümmungen 16 der Lichtleitfaser 14 jeglicher
mechanischer Beanspruchung, die durch die Krümmung des Trägers 1 induziert
wird, welcher gebogen ist, damit er sich an das Profil des Substrats anpassen
kann, auf das er gelegt werden soll. Das zyklische Verhältnis der
Mikrokrümmungen 16 wird an
jedem Punkt bewahrt, was es ermöglicht
zu garantieren, dass die Empfindlichkeit des so gebildeten Sensors
auf seiner ganzen Oberfläche
homogen bleibt, und folglich eine große Messgenauigkeit zu erreichen.
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Die
Periodizität
des Gitters von Perforationen 12 wird vorzugsweise so gewählt, dass
die Kopplungen zwischen geführten
Moden und abgestrahlten Moden in der Lichtleitfaser 14 begünstigt werden. Das
zyklische Verhältnis
der Mikrokrümmungen 16 wird
an die Periode der Störung
angepasst. Die elastischen Eigenschaften des Trägers 1 werden an die Stärke der
aufgebrachten Beanspruchungen angepasst. Der Träger 1 muss sich unter
der Wirkung der aufgebrachten Beanspruchung verformen können, ohne
zum Bruch der Lichtleitfaser 14 zu führen, und eine schnelle Rückkehr in
seine anfängliche
Gleichgewichtsform aufweisen. Der Träger 1 und die Lichtleitfaser 14,
die er trägt,
werden in einer Hülle
zum mechanischen Schutz (nicht dargestellt) eingehüllt, deren
Elastizitätseigenschaften
an diejenigen des Trägers 1 angepasst
sind. Diese Schutzhülle
dient zum Übertragen
der zu messenden Belastung auf den Sensor und dazu, diesem die gesuchte
Form zu verleihen.
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Im
ganzen Folgenden sind die Elemente, die mit den vorher beschriebenen
Elementen übereinstimmen,
mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines Hohlrohrs, das mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet
ist und das entlang eines Krümmungsradius
R gebogen ist. In diesem Rohr 20, das ein Beispiel für einen
Träger
darstellt, der eine geschlossene Oberfläche aufweist, erscheinen die
höchsten
mechanischen Beanspruchungen, die durch eine Reihe von Doppelpfeilen 8 dargestellt
sind, entlang von zwei Längskanten,
einer unteren 22 bzw. einer oberen 24, die sich
in der axialen Symmetrieebene des Rohrs 20 erstrecken.
Ebenso stellen die Doppelpfeile 10, die sich tangential
zum Durchmesser 26 des Rohrs 20 erstrecken, die
Richtungen schwächerer
Beanspruchungen im Rohr 20 dar. Es ist erneut zu bemerken, dass,
wie im vorangehenden Fall, die Richtungen stärkerer und schwächerer Beanspruchungen
in den Zonen starker Beanspruchungen im Wesentlichen zueinander
senkrecht sind.
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Unter
Berücksichtigung
des Vorangehenden und wie in 3 und 4 dargestellt,
wird im Hohlrohr 20 ein Gitter von Perforationen 12 so
ausgebildet, dass die Periode der Mikrokrümmungen 16 der Lichtleitfaser 14 konstant
bleibt und zu einem ebenfalls konstanten zyklischen Verhältnis l1/l2 der Mikrokrümmungen 16,
das vorzugsweise gleich 1 ist, führt. Außerdem muss
bemerkt werden, dass immer in Übereinstimmung
mit der Erfindung die Perforationen 12 in nicht bevorzugten
Richtungen entlang der Linien 18 ausgebildet werden, die
sich beiderseits der axialen Symmetrieebene des Rohrs 20 im
Abstand von den Längskanten 22 und 24 des
Rohrs 20 erstrecken, entlang derer sich die höchsten mechanischen
Beanspruchungen konzentrieren. Die Mikrokrümmungen 16 der Lichtleitfaser 14 sind
somit in den Zonen schwächerer
Beanspruchungen des Rohrs 20 angeordnet, so dass ihr zyklisches
Verhältnis
l1/l2 bewahrt wird,
wenn das Rohr 20 gebogen wird, um sich an einen gekrümmten Träger anzupassen,
was eine homogene Empfindlichkeit des Sensors auf seiner ganzen
Oberfläche
garantiert.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsvariante der
Erfindung (nicht dargestellt) ist der die Lichtleitfaser tragende
Träger
ein Hohlrohr analog zum vorstehend beschriebenen, in dessen Inneres
ein Zylinder eingesetzt ist, um ein Vollrohr zu bilden. Das Gitter von
Perforationen ist wie vorstehend in nicht bevorzugten Richtungen
ausgebildet, die sich beiderseits der axialen Symmetrieebene des
Hohlrohrs im Abstand von den Kanten des Rohrs erstrecken, entlang derer
sich die höchsten
mechanischen Beanspruchungen konzentrieren.
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Gemäß noch einer
weiteren Ausführungsvariante,
die in 5 dargestellt ist, ist der die Lichtleitfaser
tragende Träger
ein dünnes
Band 28, auf dem das Gitter von Perforationen 12 in
nicht bevorzugten Richtungen ausgebildet wird, wobei dieses Band 28 anschließend longitudinal
zwischen zwei Zylinderabschnitte eingefügt wird, um ein Vollrohr 30 zu
bilden. Das Gitter von Perforationen 12 wird erneut so
ausgebildet, dass die Periode der Mikrokrümmungen 16 auf der
ganzen Länge
des Bandes 28 konstant ist und zu einem ebenfalls konstanten
zyklischen Verhältnis
l1/l2 der Mikrokrümmungen 16 führt, das
vorzugsweise gleich 1 ist. Da die Mikrokrümmungen 16 nahe der
neutralen Achse liegen, wo die mechanischen Beanspruchungen, die
durch die Biegung des so gebildeten Vollrohrs 30 erzeugt
werden, minimal sind, wird ihr zyklisches Verhältnis l1/l2 hier auch bewahrt.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden
die Gitter von Perforationen 12 durch Wasserstrahlschneiden,
vorzugsweise mittels einer programmierbaren Wasserstrahl-Schneidmaschine, ausgebildet.
Diese Technik ermöglicht
es, eine zufriedenstellende Auflösung
und Reproduzierbarkeit zu erreichen. Außerdem ermöglicht es die Verwendung einer
derartigen programmierbaren Maschine, sich leicht an die Herstellung
von Trägern
mit beliebigen Formen auf Anfrage anzupassen, was es ermöglicht, die
Herstellungskosten der Sensoren beträchtlich zu vermindern. Außerdem können die
Linien 18, entlang derer die Perforationen 12 ausgebildet
werden, programmiert werden, was eine große Verwendungsflexibilität verleiht,
die Möglichkeit
bietet, die Erfindung an veränderliche
Profile von Trägern
anzupassen, und es ermöglicht,
erhebliche Einsparungen an den Herstellungskosten zu verwirklichen.
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In
allem folgenden wird die Baugruppe, die aus dem Träger 1 oder
den Rohren 20 und 30 und der Lichtleitfaser 14,
die sie tragen, gebildet ist, gemäß den Lehren der vorliegenden
Erfindung als Sensor 32 bezeichnet.
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Diese
Sensoren 32 können
nach Wahl im Übertragungsmodus,
im Reflexionsmodus oder im gemischten Übertragungs/Reflexions-Modus
arbeiten. Sie sind in eine Belastungserfassungsvorrichtung 34 integriert,
die insbesondere eine Lichtquelle 36, um eine Lichtwelle
in die Lichtleitfaser 14 zu schicken, und eine Photoerfassungsvorrichtung 38,
die es ermöglicht,
eine Information bezüglich
der von der Faser 14 übertragenen
Lichtintensität
zu liefern, umfasst.
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Gemäß dem gewählten Funktionsmodus können zwei
Arten von Lichtquellen 36 gewählt werden. Es kann sich um
eine Leuchtdiode (LED) mit geringer räumlicher und zeitlicher Kohärenz handeln. Diese
Art Lichtquelle 36 ist besonders gut an die Verwendung
von Multimoden-Lichtleitfasern 14 angepasst, die große Kerndurchmesser
und numerische Aperturen aufweisen, die die Einleitung von angepassten
optischen Leistungen gestatten. Ein breites Strahlungsdiagramm und
eine große
aktive Oberfläche
sind die weiteren Vorteile dieser Art von Lichtquellen 36,
die mehrere Sensoren 32 gleichzeitig versorgen können. Ein
weiterer großer
Vorteil sind die sehr niedrigen Kosten dieser Quellen.
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Eine
weitere Art Lichtquelle 36 betrifft die Multimoden-Laserdioden.
Diese sind Quellen, die üblicherweise
in den optischen Lesern wie den Audiokompaktdisk-Lesern, den CD-ROM-Lesern
oder anderen verwendet werden und die des halb derzeit mit niedrigem
Preis vertrieben werden. Diese Laserdioden liefern eine große optische
Emissionsleistung und sind mit Photodioden für die Steuerung dieser Leistung
ausgestattet. Diese Photodioden können verwendet werden, um rückreflektierte
Signale zu messen, was es ermöglicht,
die Konfiguration der Belastungserfassungsvorrichtung 34 zu
vereinfachen, ihren Platzbedarf zu verringern und ihre Herstellungskosten
zu vermindern. Um mehrere Lichtleitfasern 14 gleichzeitig
mit derselben Quelle 36 koppeln zu können, ist es erforderlich,
eine Strahlaufweitungsvorrichtung einzufügen, die beispielsweise aus Mikrolinsen
besteht.
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Die
verwendete Lichtleitfaser 14 weist vorzugsweise ein Indexprofil
mit parabolischem Gradienten auf. Bei dieser Art Faser hängt nämlich die
Verteilung der Moden, die sich dort ausbreiten, viel weniger vom
Einleitungswinkel der Lichtwellen ab als im Fall von Fasern mit
Indexsprung. Die Gesamtheit der Moden wird somit auf einer geringen
Faserlänge
angeregt. Das Erhalten dieser modalen Gleichgewichtsverteilung wird
auch durch die Tatsache sichergestellt, dass für diese Fasern eine einzige
Störungswellenlänge existiert,
die es ermöglicht,
alle Moden miteinander zu koppeln. Dies stellt eine bessere Garantie
der Reproduzierbarkeit des Ansprechens des Sensors 32 sicher.
Eine Faser mit Indexsprung kann trotzdem verwendet werden, unter
dem Vorbehalt, dass die Störungswellenlänge so gewählt wird,
dass eine Kopplung zwischen geführten
Moden und Strahlungsmoden erzeugt wird.
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Die
Photoerfassungsvorrichtung 38 ist von der Art der Zellen,
die üblicherweise
in den Fernsteuervorrichtungen verwendet werden. Die Oberfläche des
Detektors 38 muss ausreichend groß sein, um die Gesamtheit des
optischen Strahls erfassen zu können.
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Die
in 6 dargestellte Belastungserfassungsvorrichtung 34 verwendet
den erfindungsgemäßen Sensor 32 im Übertragungsmodus.
Die Vorrichtung 34 umfasst dazu ein erstes Lichtleitfaser-Segment 14a,
um das optische Signal von der Lichtquelle 36 zum Sensor 32 zu
führen,
und ein zweites Lichtleitfaser-Segment 14b, um das vom Sensor 32 übertragene
optische Signal zur Photoerfassungsvorrichtung 38 zu leiten.
Wie aus 6 hervorgeht, kann das Lichtleitfaser-Segment 14b durch den
Sensor 32 zurücklaufen
und zweimal die Wirkung der aufgebrachten Beanspruchung erfahren.
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Wenn
die Belastungserfassungsvorrichtung 34 im Reflexionsmodus
arbeitet (7), wird eine einzige Faser 14c als Übertragungsleitung
für das optische
Signal verwendet. Dazu ermöglicht
eine Strahlteilervorrichtung oder ein Koppler 40, das optische
Signal in der Richtung des Sensors 32 in die Faser 14c zu
schicken, dann beim Rückweg
dieses Signal zur Photoerfassungsvorrichtung 38 zu leiten, nachdem
es durch eine Reflexionsvorrichtung 42 wie beispielsweise
einen Reflexionsspiegel am Ende der Faser 14c zurückreflektiert
wurde. Der Koppler 40 kann entweder aus einer Strahlteilerplatte
oder einem Lichtleitfaser-Koppler gebildet sein. Es ist folglich
bevorzugt, eine schwach kohärente
und kostengünstige
Quelle wie eine Leuchtdiode zu verwenden. Gemäß einer in 8 dargestellten
Variante wird eine Laser- oder Superleuchtdiode 44 als
Lichtquelle verwendet. Wie vorstehend beschrieben, umfassen diese
Dioden 44 Photoerfassungszellen, um die Intensität des ausgesandten
optischen Strahls zu stabilisieren. Diese Photoerfassungszellen
können
somit verwendet werden, um das zurückreflektierte optische Signal
zu erfassen, was es ermöglicht,
sich vom Koppler 40 zu befreien.
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In 9 ist
eine Belastungserfassungsvorrichtung 34 dargestellt, die
im gemischten Übertragungs/Reflexions-Modus
arbeitet. Diese Vorrichtung 34 umfasst eine Lichtquelle 36 und
zwei Photoerfassungsvorrichtungen 38 und 38a,
von denen eine das zurückreflektierte
optische Signal und die andere das übertragene optische Signal
misst. Auf dem Weg von der Quelle 36 zur Reflexionsvorrichtung 42 erfährt das
optische Signal eine erste Rückreflexion
sowie Strahlungsverluste auf der Höhe des Sensors 32.
Am Ende der Lichtleitfaser 14c angekommen, zerlegt sich
das Signal in zwei Teile: einen ersten, zum Sensor 32 zurückreflektierten
Teil und einen zweiten, direkt zur Photoerfassungsvorrichtung 38a übertragenen
Teil. Auf dem Rückweg
erfährt
das optische Signal erneut eine Rückreflexion und Strahlungsverluste im
Sensor 32.
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Es
ist möglich,
mehrere erfindungsgemäße Sensoren 32,
die gemäß den vorher
beschriebenen Modi arbeiten, entweder in Reihe oder parallel zu
verbinden.
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In 10 ist
eine Konfiguration mit mehreren ununterscheidbaren Sensoren 32 mit
einer einzigen Lichtquelle 36 und einer einzigen Photoerfassungsvorrichtung 38 dargestellt.
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In 11 ist
eine Konfiguration mit mehreren unterscheidbaren Sensoren 32 mit
einer einzigen Lichtquelle 36 und mehreren Photoerfassungsvorrichtungen 38 dargestellt.
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In 12 ist
eine Konfiguration mit mehreren ununterscheidbaren Sensoren 32 mit
einer einzigen Lichtquelle 36 und einer einzigen Photoerfassungsvorrichtung 38 und
einem optischen Schalter 46 dargestellt. Dieser Schalter 46 wen det
Planarbeugungsoptiktechniken an und kann somit leicht auf Kunststoffmaterialien
mittels einer Matrize vervielfältigt werden.
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Die
Reaktion des erfindungsgemäßen Sensors 32 hängt von
einer bestimmten Anzahl von Parametern ab, unter denen die Geometrie
des Substrats, auf dem der Sensor 32 abgeschieden wird,
die Umgebungstemperatur, die die Sendeeigenschaften der Lichtquelle 36 verändern kann,
und die Alterung der Bestandteile angeführt werden können. Um
diese Nachteile zu beseitigen, wird vorgeschlagen (13),
eine Referenz-Lichtleitfaser 48 zu verwenden, die keiner
zu messenden Belastung, keiner zu messenden Kraft oder keinem zu
messenden Druck ausgesetzt wird. Indem angenommen wird, dass die in
der Referenzfaser 48 induzierten Verluste für diejenigen
repräsentativ
sind, die vom Sensor 32 erzeugt werden, ist es möglich, sich
von diesen unerwünschten
Effekten zu befreien, indem beispielsweise das Verhältnis der
Referenz- und der Messsignale mittels eines Radiometers 50 angewendet
wird. Es ist auch möglich
(14), eine Rückkopplung
auf die Lichtquelle 36 durchzuführen, um ihren Polarisationsstrom
zu steuern und ihre Leistung auf einem konstanten Pegel zu halten,
der im Voraus mittels einer Stabilisierungsvorrichtung 52 definiert
wird.
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Eine
Voreichung des Sensors 32 ist notwendig. Diese Prozedur
setzt voraus, dass die Reaktion des Sensors 32 im Bereich von zu
messenden Belastungen linear ist, und besteht darin:
- – einerseits
bei Fehlen einer mechanischen Beanspruchung eine Änderung
des Polarisationsstroms der Lichtquelle 36 zu befehlen,
der ausreichend gering ist, um eine zu der Sendeleistung proportionale
Veränderung
erhalten zu können. Die
erfasste Leistungsänderung
wird anschließend
mit der Änderung
verglichen, die ein Eichsensor unter den gleichen Bedingungen erzeugt hätte. Dann
kann die Verstärkung
des Verstärkers in
dieser Weise eingestellt werden, um die Empfindlichkeit des Sensors 32 zu
regeln;
- – andererseits
den Ausgangspegel immer bei Fehlen einer Beanspruchung mittels einer
einstellbaren Offset-Spannung auf einen für alle Sensoren 32 gleichen,
vorgegebenen Wert zu regeln.
