DE19534260C1 - Seilförmiger faseroptischer Belastungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen seilförmigen faseroptischen Belastungssensor mit einer Stützstruktur in Form einer Kunststoffseele und mindestens einer Störstruktur, auf welcher eine Lichtleitfaseranordnung aufliegt.

Ein Belastungssensor ist beispielsweise aus der DE 33 25 945 A1 bekannt und basiert prinzipiell darauf, daß seitlich auf die Lichtleitfaser wirkende Kräfte zu Verformungen des entsprechenden Faserabschnittes führen. Bei der bekannten Anordnung liegt die Lichtleitfaser auf einer periodischen geformten Stützstruktur auf, so daß es bei einer Belastung senkrecht zur Faserachse zu einer periodischen Verformung kommt. Wenn letztere im richtigen Verhältnis zur Schwebungslänge zweier in der Lichtleitfaser geführter Moden steht, so bewirken Druckänderungen entsprechende Änderungen in der Modenkopplung. Die bekannte Anordnung ist also stark von der Geometrie der Stützstruktur und letztlich von deren Ausdehnungskoeffizient bei Temperaturänderungen abhängig. Auch Zugbelastungen, beispielsweise beim Verlegen eines derartigen Sensors in eine Fahrbahndecke, wirken sich dauerhaft störend aus.

Die EP-A 387 376 beschreibt einen Drucksensor mit einem gestreckten Tragkörper, der auf seinem Außenumfang zwischen Erhöhungen verlaufende Längsnuten aufweist und um den ein Lichtleiter in Wendelform herumgelegt ist, deren eines Ende mit einer Lichtquelle und deren anderes Ende mit einem Lichtdetektor verbindbar ist. Der Tragkörper ist von einem Hohlkörper unter Freilassung eines Zwischenraumes zwischen beiden umgeben, wobei Ein- und Auslaßöffnungen in dem Zwischenraum vorgesehen sind und wobei der Tragkörper eine wendelförmig geführte Nut aufweist, deren Tiefe geringer ist als die Tiefe der Längsnuten, wobei in sie der Lichtleiter eingelegt ist. Der Lichtleiter wird hierbei über Kanten gebogen. Wesentlich bei diesem bekannten Lichtleiter ist, daß dieser im Einsatz nicht gestreckt wird, so daß keine Dehnungsbruchgefahr gegeben ist und daß die Formänderung des Lichtleiters durch die Tiefe der Längsnuten begrenzt ist (Spalte 3, zweiter Absatz). Dieser bekannte Lichtleiter dient dazu, den Druck einer Flüssigkeit oder eines Gases im Hohlraum zwischen der Abdeckung auf dem Tragkörper und diesen mit Abstand umgebenden Hohlkörper zu messen.

Aus der GB-A 22 01 511 ist ein optischer Sensor bekannt, der eine optische Faser aufweist, eine polychromatische Lichtquelle und einen Detektor. Die optische Faser ist dabei derart angeordnet, daß eine mechanische Verformung der Faser zu einer Dämpfung des die Faser durchsetzenden polychromatischen Lichtes führt. Die Faser selbst kann wendelförmig eine Tragstruktur umgeben, wobei sie bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel zum Ursprungsort zurückgeführt ist, wobei der zurückgeführte Anteil der Faser x-förmige Kreuzungsstellen mit dem hingeführten Faseranteil aufweist. Diese Ausgestaltung dient zur Messung eines in einer elektrischen Leitung fließenden Stromes, wobei die Leitung von einem Zylinder aus ferromagnetischem Material umgeben ist, der aufgrund des erzeugten magnetischen Feldes bei Stromfluß eine Formänderung erfährt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen faseroptischen Belastungssensor zu schaffen, welcher insbesondere zur Detektion von Fahrzeugen in der Fahrbahndecke verlegbar ist, den dabei auftretenden mechanischen und thermischen Belastungen gut standhält und mit möglichst geringer Fehlerrate das Überfahren eines Fahrzeugrades detektiert.

Diese Aufgabe wird durch einen nach Patentanspruch 1 ausgebildeten Belastungssensor gelöst.

Während die vorgenannten Belastungssensoren im allgemeinen die Verbiegung von Lichtleitfasern aus einem im wesentlichen unverformten Zustand detektieren, liegen bei dem erfindungsgemäßen Belastungssensor - ebenso wie dies prinzipiell bei der Hydrophonanordnung gemäß EP 00 27 540 A2 der Fall ist - bereits im unbelasteten Zustand eine Vielzahl von Verformungen pro Längeneinheit vor, wobei eine zusätzliche Druckbelastung Änderungen der jeweiligen Biegeradien verursacht, welche wiederum Veränderungen der Dämpfung der Lichtleitfaser bewirken.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen, das Funktionsprinzip beschreibenden Darstellung sowie zweier Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines faseroptischen Belastungssensors,

Fig. 2 und 3 zwei Ausführungen von seilförmigen Belastungssensoren und

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Fahrbahndecke mit darin verlegtem Belastungssensor.

Der prinzipielle Aufbau eines Belastungssensors gemäß Fig. 1 weist eine Stützstruktur 1 mit glatter Oberfläche, eine darauf angeordnete, drahtförmige Störstruktur 2 sowie eine Lichtleitfaser 3 auf, welche durch die Störstruktur 2 in Abständen von der Stützsturktur 1 abgehoben wird derart, daß zwischen zwei derartiger Anhebungen zwei Bereiche I und II entstehen, in denen der Lichtleiter nicht abgestützt ist. Die Störstruktur kann auch als Oberflächenerhebung einer ansonsten ebenen Stützstruktur ausgebildet sein. In dem dargestellten Beispiel, beträgt der Durchmesser der drahtförmigen Struktur 2 etwa das zweifache des Durchmessers der Lichtleitfaser 3; der Abstand zweier benachbarter Anhebungen der Lichtleitfaser 3 von der Stützstruktur 1 entspricht etwa dem achtfachen Durchmesser der Lichtleitfaser 3. Die Lichtleitfaser wird dadurch bereits im Normalzustand des Belastungssensors bis nahe an ihre physikalisch vorgegebenen Biegeradiusgrenzen verformt. Eine zuätzliche, senkrecht zur Oberfläche der Stützstruktur 1 wirkende Belastung, beispielsweise in Form einer Druckbelastung D, welche durch die gestrichelten Pfeile symbolisiert ist, wird die Lichtleitfaser in den Bereichen I und II weiter verbogen, wobei diese Biegeradiusänderungen Intensitätsänderungen des in der Lichtleitfaser geführten Lichtes verursachen.

Temperaturbedingte Längenänderungen oder eine Zugbelastung der Stützstruktur 1 werden nur im geringen Maß auf die Lichtleitfaser 3 übertragen, so daß derartige Störungen die Empfindlichkeiten des Belastungssensors oder das Meßsignal nur unwesentlich beeinflussen.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines seilförmigen Belastungssensors besteht die Stützstruktur aus einer Kunststoffseele 21, auf welche als Störstruktur ein Metalldraht oder eine Quarzfaser 22 in Windungen mit großer Steigung aufgewickelt ist. Auf diese seilförmige Stütz- und Störstruktur ist eine erste Lichtleitfaser 23.1 in einer zur Störstruktur 22 gegenläufigen Wicklung mit ebenfalls großer Steigung gewickelt. Um dieses, aus Stützstruktur 21, Störstruktur 22 und erstem Lichtleiter 23.1 gebildete Seil ist mit gleichem Wicklungssinn wie die Lichtleitfaser 23.1 eine zweite Lichtleitfaser 23.2 gewickelt, in welcher das Licht in entgegengesetzter Richtung zur Lichtleitfaser 23.1 geführt ist. Die Lichtleitfasern 23.1 und 23.2 sind an einem Ende des Seiles optisch miteinander verbunden oder als Schleife einer durchgehenden Lichtleitfaser ausgebildet, so daß die Lichteinspeisung und die Signalauswertung am gleichen Seilende erfolgen können.

Durch die gegensinnige Wicklung von Störstruktur und Lichtleitern werden letztere in periodischen Abständen, und zwar in jedem Kreuzungspunkt der Wicklungen von der Kunststoffseele 21, welche den Wicklungskern darstellt, abgehoben. Die Steigung der Wicklungen bestimmt dabei den Abstand der Anhebungen. Je nach dem Verhältnis der Steigungen der einzelnen Wicklungen zueinander verteilen sich die Kreuzungspunkte entweder linien- oder schraubenförmig auf der, bzw. um die Kunststoffseele 21, so daß der gesamte Belastungssensor eine im wesentlichen radialsymmetrische Empfindlichkeit gegen äußere Drücke aufweist.

Der Schrumpfschlauch 24 führt zu einer Vorspannung der Lichtleitfaser in Richtung auf die Oberfläche des Kernes, die bereits eine Verringerung der von der Faser transmittierten Lichtleistung zur Folge hat. Jede zusätzliche radiale Belastung von außen führt sofort zu einer weiteren elastischen Verformung der Lichtleitfaser und damit zu einem reversiblen weiteren Abfall der trasmittierten Lichtleistung, der als Meßsignal detektiert wird.

Der Windungsabstand der Störstruktur beträgt mindestes das doppelte des Durchmessers der Lichtleitfaser 3 oder der Störstruktur 2, je nachdem, welcher von beiden größer ist. Die obere Grenze für den Windungsabstand ist relativ unkritisch, sollte jedoch das zehnfache der eben erwähnten Durchmesser nicht überschreiten. Ebenfalls unkritisch ist der Windungsabstand der Lichtleitfasern 23.1 bzw. 23.2; jedoch verbessert sich die radiale Druckempfindlichkeit mit kleiner werdendem Windungsabstand. Der Durchmesser der Kunststoffseele 21 ist ebenfalls unkritisch; günstige Werte liegen etwa beim zwei- bis zehnfachen des Lichtleiterdurchmessers. Weiterhin hat es sich als günstig herausgestellt, wenn die Störstruktur und die Lichtleitfaser etwa den gleichen Durchmesser haben.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Belastungssensors sind zwei Lichtleitfasern 33.1 und 33.2 aus Quarzglas miteinander verdrillt und gemeinsam um eine Kunststoffseele 31 gewickelt. Bei dieser Anordnung übernehmen die Lichtleitfasern wechselseitig die Funktion der Störstruktur gemäß Fig. 2. Die beiden Lichtleitfasern 33.1 und 33.2 sind an einem Ende des Belastungssensors optisch miteinander verbunden, was z. B. auch durch Schleifenbildung und Rückführung eines einzigen Lichtleiters bewirkt wird. Die Kunststoffseele 31 besteht aus einem flexiblen, jedoch harten Material und ist zusammen mit den Lichtleitern 33.1 und 33.2 von einem Schrumpfschlauch 34 umgeben.

Zu der Detektion von Fahr- oder Flugzeugen ist ein erfindungsgemäßer Belastungssensor, beispielsweise gemäß Fig. 2 oder 3, an der gewünschten Position in die Fahrbahn eingelassen. Zur sicheren und störungsfreien Detektion eines überrollenden Rades hat sich eine in Fig. 4 dargestellte Einbettung eines faseroptischen Belastungssensors 40 in einen Schlitz 41.1 der Fahrbahndecke 41, mit einer diesen umgebenden, elastischen Vergußmasse 42 erwiesen. Die Tiefe t des Schlitzes 41.1 verhält sich dabei zu deren Breite b im Verhältnis 1 zu 3.

Claims (3)

1. Mit einer ein Lichteintritts- und ein Lichtaustrittsende aufweisenden Lichtleitfaseranordnung ausgetatteter seilförmiger faseroptischer Belastungssensor, bei dem die Belastung auf die Lichtleitfaseranordnung einwirkt und über vom Lichteintrittsende zum Lichtaustrittsende übertragenes Licht aufgrund von Biegeradiusänderungen der die Lichtleitfaseranordnung bildenden Lichtleitfasern (23.1, 23.2i, 33.1, 33.2) erfaßt ist, die Lichtleitfaseranordnung zwei Lichtleitfasern aufweist, die gemeinsam um eine Kunststoffseele (21, 31) gleichsinnig gewickelt sind, das Lichteintritts- und das Lichtaustrittsende am selben Ende der Kunststoffseele angeordnet sind, die Biegeradiusänderungen durch eine auf der Kunststoffseele angeordnete Störstruktur hervorgerufen sind und die Lichtleitfaser und die Störstruktur von einer eine radiale Vorspannung erzeugenden Schutzhülle (24, 34) umgeben ist.

2. Belastungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffseele (31) aus einem flexiblen, jedoch harten Material besteht und daß die Lichtleitfasern (33.1 und 33.2) zugleich die Störstruktur bildend miteinander verdrillt und um die Kunststoffseele (31) gewickelt sind.

3. Belastungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einbettung in einen Schlitz (41.1) in einer Fahrbahndecke (41), dessen Breite (b) zu dessen Tiefe (t) im Verhältnis von 1 zu 3 steht und welcher mit einer elastischen Vergußmasse (42) gefüllt ist.