DE19534260C2 - Seilförmiger faseroptischer Belastungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen seilförmigen faseropti­ schen Belastungssensor mit einer Stützstruktur in Form einer Kunststoffseele und mindestens einer Störstruk­ tur, 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 Verfor­ mungen 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 Temperaturän­ derungen abhängig. Auch Zugbelastungen, beispiels­ weise 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 Außen­ umfang zwischen Erhöhungen verlaufende Längsnuten aufweist und um den ein Lichtleiter in Wendelform her­ umgelegt ist, deren eines Ende mit einer Lichtquelle und deren anderes Ende mit einem Lichtdetektor verbind­ bar ist. Der Tragkörper ist von einem Hohlkörper unter Freilassung eines Zwischenraumes zwischen beiden um­ geben, wobei Ein- und Auslaßöffnungen in dem Zwi­ schenraum 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 bekann­ ten 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 die­ sen mit Abstand umgebenden Hohlkörper zu messen.

Aus der GB-A 22 01 511 ist ein optischer Sensor be­ kannt, der eine optische Faser aufweist, eine polychro­ matische 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 um­ geben, wobei sie bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel zum Ursprungsort zurückgeführt ist, wo­ bei der zurückgeführte Anteil der Faser x-förmige Kreuzungsstellen mit dem hingeführten Faseranteil auf­ weist. 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 ma­ gnetischen Feldes bei Stromfluß eine Formänderung er­ fährt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ei­ nen faseroptischen Belastungssensor zu schaffen, wel­ cher insbesondere zur Detektion von Fahrzeugen in der Fahrbahndecke verlegbar ist, den dabei auftretenden mechanischen und thermischen Belastungen gut stand­ hält und mit möglichst geringer Fehlerrate das Überfah­ ren 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 ei­ nem im wesentlichen unverformten Zustand detektie­ ren, liegen bei dem erfindungsgemäßen Belastungssen­ sor - ebenso wie dies prinzipiell bei der Hydrophonan­ ordnung gemäß EP 00 27 540 A2 der Fall ist - bereits im unbelasteten Zustand eine Vielzahl von Verformun­ gen pro Längeneinheit vor, wobei eine zusätzliche Druckbelastung Änderungen der jeweiligen Biegera­ dien verursacht, welche wiederum Veränderungen der Dämpfung der Lichtleitfaser bewirken.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer sche­ matischen, das Funktionsprinzip beschreibenden Dar­ stellung sowie zweier Ausführungsbeispiele näher be­ schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines faseroptischen Belastungssensors,

Fig. 2 und 3 zwei Ausführungen von seilförmigen Be­ lastungssensoren und

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

Der prinzipielle Aufbau eines Belastungssensors ge­ mäß Fig. 1 weist eine Stützstruktur 1 mit glatter Ober­ fläche, eine darauf angeordnete, drahtförmige Stör­ struktur 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 darge­ stellten Beispiel, beträgt der Durchmesser der drahtför­ migen 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 Licht­ leitfaser 3. Die Lichtleitfaser wird dadurch bereits im Normalzustand des Belastungssensors bis nahe an ihre physikalisch vorgegebenen Biegeradiusgrenzen ver­ formt. Eine zusätzliche, senkrecht zur Oberfläche der Stützstruktur 1 wirkende Belastung, beispielsweise in Form einer Druckbelastung D, welche durch die gestri­ chelten 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 gerin­ gen Maß auf die Lichtleitfaser 3 übertragen, so daß derartige Störungen die Empfindlichkeiten des Bela­ stungssensors oder das Meßsignal nur unwesentlich be­ einflussen.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines seilförmigen Belastungssensors besteht die Stütz­ struktur 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 gegenläu­ figen 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 Ab­ ständen, und zwar in jedem Kreuzungspunkt der Wick­ lungen von der Kunststoffseele 21, welche den Wick­ lungskern darstellt, abgehoben. Die Steigung des Wick­ lungen bestimmt dabei den Abstand der Anhebungen. Je nach dem Verhältnis der Steigungen der einzelnen Wicklungen zueinander verteilen sich die Kreuzungs­ punkte entweder linien- oder schraubenförmig auf der, bzw. um die Kunststoffseele 21, so daß der gesamte Belastungssensor eine im wesentlichen radialsymmetri­ sche Empfindlichkeit gegen äußere Drücke aufweist.

Der Schrumpfschlauch 24 führt zu einer Vorspan­ nung 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 Lichtleitfa­ ser und damit zu einem reversiblen weiteren Abfall der trasmittierten Lichtleistung, der als Meßsignal detek­ tiert wird.

Der Windungsabstand der Störstruktur beträgt min­ destes das doppelte des Durchmessers der Lichtleitfaser 3 oder der Störstruktur 2, je nachdem, welcher von bei­ den größer ist. Die obere Grenze für den Windungsab­ stand ist relativ unkritisch, sollte jedoch das zehnfache der eben erwähnten Durchmesser nicht überschreiten. Ebenfalls unkritisch ist der Windungsabstand der Licht­ leitfasern 23.1 bzw. 23.2; jedoch verbessert sich die ra­ diale Druckempfindlichkeit mit kleiner werdendem Windungsabstand. Der Durchmesser der Kunststoffsee­ le 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 ge­ meinsam um eine Kunststoffseele 31 gewickelt. Bei die­ ser Anordnung übernehmen die Lichtleitfasern wech­ selseitig die Funktion der Störstruktur gemäß Fig. 2. Die beiden Lichtleitfasern 33.1 und 332 sind an einem Ende des Belastungssensors optisch miteinander ver­ bunden, was z. B. auch durch Schleifenbildung und Rückführung eines einzigen Lichtleiters bewirkt wird. Die Kunststoffseele 31 besteht aus einem flexiblen, je­ doch harten Material und ist zusammen mit den Licht­ leitern 33.1 und 332 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 Be­ lastungssensors 40 in einen Schlitz 414 der Fahrbahn­ decke 41, mit einer diesen umgebenden, elastischen Ver­ gußmasse 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 Lichtaustrittsen­ de aufweisenden Lichtleitfaseranordnung ausgestatteter 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 Lichtleitfa­ sern (23.1, 23.2, 33.1, 33.2) erfaßt ist, die Licht­ leitfaseranordnung zwei Lichtleitfasern aufweist, die gemeinsam um eine Kunststoffseele (21, 31) gleichsinnig gewickelt sind, das Lichteintritts- und das Licht­ austrittsende am selben Ende der Kunststoffseele ange­ ordnet sind, die Biegeradiusänderungen durch eine auf der Kunststoffseele angeordnete Störstruktur hervorge­ rufen sind und die Lichtleitfaser und die Störstruktur von einer Schutzhülle (24, 34) umgeben sind, die eine radiale Vorspannung erzeugt, welche bereits ohne äußere Belastung zu einem Rückgang der von der Lichtleitfaser übertragenen Lichtleistung führt.

2. Belastungssensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kunststoffseele (31) aus ei­ nem 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 vorhergehen­ den Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einbet­ tung in einen Schlitz (41.1) in einer Fahrbahndecke (41), dessen Breite (b) zu dessen Tiefe (t) im Ver­ hältnis von 1 zu 3 steht und welcher mit einer elasti­ schen Vergußmasse (42) gefüllt ist.