DE4037077A1

DE4037077A1 - Verfahren und einrichtung zur faseroptischen kraftmessung

Info

Publication number: DE4037077A1
Application number: DE4037077A
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Odoni; Rene Prof Dr Daendliker; Hanspeter Dr Schad; Edwin Schweizer
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 1990-11-22
Filing date: 1990-11-22
Publication date: 1992-05-27
Also published as: EP0487450B1; US5308973A; EP0487450A2; DE59106530D1; EP0487450A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur faseroptischen Kraftmessung, die auf der spannungsinduzierten Doppelbre chungsänderung eines Monomode-Lichtwellenleiters beruht. Erfindungsgegenstand ist außerdem eine Einrichtung zur fa seroptischen Messung des Absolutwerts der Vorspannung in einem durch Zug- oder Druckkräfte hochbelasteten mechani schen Bauteil.

Es gibt viele mechanische Bauteile, die vorgespannt über lange Zeiten große Druck- oder Zugkräfte aufnehmen müssen, wie Seile, Stangen, Drähte und Schrauben. Ein solches Bau teil ist beispielsweise auch ein Schwerlastdübel. Das Wis sen um die Vorspannung in einem solchen Dübel ist wichtig, um kontrollierte Bedingungen bei der Befestigung zu errei chen. Aufgrund von Alterung und Korrosion des Betons, ins besondere durch Witterungseinflüsse, können Dübel, die durch Reibschluß verankert und vorgespannt sind, in ihrer Vorspannung relaxieren.

Zur Ermittlung der Vorspannung wird heute meist eine indi rekte Methode angewendet, nämlich die Messung über das Drehmoment. Im Prinzip kann, wie die Skizze der beigefügten Fig. 1 veranschaulicht, durch eine Drehmomentkontrolle ei ner Spreizschraube 1 und durch Nachspreizen der Spreizele mente 2 Abhilfe geschaffen werden. Doch verhindern undefi nierte Reibungseinflüsse (Haft-, Gleitreibung) selbst schon beim Setzen des Dübels D eine definierte Einstellung der Vorspannung. Das Drehmoment ist aber auch keine eindeutige Funktion der Vorspannung und läßt sich nur beim Anziehen, also beim Setzen des Dübels D messen.

Besonders bei sicherheitsrelevanten Anwendungen wäre eine automatische Nachspreizung und/oder eine permanente Übewa chung wünschenswert auch schon beim Setzen des Dübels. Hierzu muß ein Kraftsensor in das Bauelement, beispielswei se den Dübel, integriert werden. Als solche Kraftsensoren sind piezoelektrische Systeme (Quarzkraftmeßringe) und Sy steme mit Dehnungsmeßstreifen (DSM) z. B. in Form von Wäge zellen oder als Ringkraftaufnehmer bekannt. Solche direkten Meßinstrumente zur Ermittlung der Vorspannung haben aber im allgemeinen, abgesehen von dem hohen Preis, für viele An wendungsfälle den Nachteil einer zu großen Bauform. Der Quarzsensor eignet sich außerdem nur für dynamische Messun gen.

Bekannt sind auch indirekte Methoden, die z. B. auf der Längenänderung der vorgespannten Gewindestange des Dübels beruhen, die z. B. mit Ultraschallaufzeitmessung erfaßt werden können. Diese Methode setzt jedoch voraus, daß der Dübel selbst kalibriert und dessen Daten registriert werden müssen.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Meßver fahren und einen vergleichsweise kostengünstigen Kraftsen sor zu entwickeln, die sich zur kontinuierlichen oder be darfsweisen Messung des Absolutwerts der in einem hochbela steten mechanischen Bauelement auftretenden Kräfte eignet.

Die Untersuchungen der verschiedenen Möglichkeiten für ei nen aussichtsreichen Lösungsansatz beschäftigen sich auch mit der faseroptischen Kraftmessung, die auf der spannungs induzierten Doppelbrechung eines Monomode-Lichtwellenlei ters (im folgenden LWL) beruht. Grundlegende Ergebnisse für diese Art der Kraftmessung sind in den Literaturstellen Lit. [1] bis [3] (siehe Anhang) ausführlich beschrieben. Die bisher bekannten Meßverfahren zur Auswertung der span nungsinduzierten Doppelbrechung in einem LWL sind jedoch für die gewünschte Absolutmessung ungeeignet, da sie mehr deutig modulo 2π sind.

Für die absolute, d. h. nicht-modulo-2π unbestimmte Erfas sung der durch die mechanische Kraft im belastenden Bauele ment induzierten Doppelbrechung eines LWL werden mit der Erfindung zwei grundsätzliche Verfahren bzw. Kraftmeßein richtungen vorgeschlagen. Das (Die) eine beruht auf der in den genannten Literaturstellen beschriebenen Art der Kraft messung, jedoch mit der erfindungsgemäß wesentlichen Ergän zung, daß zwei Wellenlängen simultan oder sequentiell ver wendet werden, um daraus, wie weiter unten ausführlich er läutert, die Modulo-2π-Unsicherheit zu beseitigen. Die zweite erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahrensvariante ist ein Kompensationsverfahren, bei dem der durch die Dop pelbrechung im LWL verursachte Phasen- oder Gangunterschied der beiden linearen Moden durch ein Michelson-Interferome ter kompensiert wird. Dabei wird eine möglichst inkohärente Lichtquelle, also keine monochromatische Lichtquelle, wie beispielsweise eine Laserdiode, eingesetzt und die soge nannte Kohärenzdetektion wird zur Signalauswertung herange zogen.

Das erfindungsgemäße Verfahren der eingangs erwähnten Art zur faseroptischen Kraftmessung ist gemäß der ersten erfin dungsgemäßen Lösungsvariante dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eindeutiger Meßergebnisse, d. h. zur Absolut messung, zwei Lichtwellen unterschiedlicher Wellenlängen in ein Ende des Lichtwellenleiters eingestrahlt werden, und der durch die Krafteinwirkung auf den Lichtwellenleiter und die daraus folgende Doppelbrechungsänderung verursachte Phasenunterschied der beiden linearen Moden der am anderen Ende des Lichtwellenleiters austretenden Lichtwellen erfaßt und als Maß für die Kraft ausgewertet wird.

Eine Einrichtung zur faseroptischen Messung des Absolut werts der Vorspannung in einem durch Zug- oder Druckkräfte hochbelasteten mechanischen Bauteil, bei welcher das Ver fahren in der definierten Art eingesetzt wird, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß der faseroptische LWL über einen zwischen seinen freien Enden liegenden Teilbe reich seiner Länge in eine quer zur Kraftrichtung angeord nete druckübertragende Scheibe eingebettet ist, daß das ei ne Ende des LWL - gleichzeitig oder sequentiell abwechselnd - durch zwei monochromatische Lichtquellen unterschiedli cher Wellenlängen beaufschlagt ist und daß die beiden am anderen Ende des Lichtwellenleiters austretenden Lichtwel len über einen polarisierenden Strahlteiler in die beiden Moden getrennt, photoelektrisch erfaßt und über eine kali brierte Auswertelogik mit Zwischenspeicherung der Einzel meßwerte durch Phasenvergleich die Vorspannkraft in dem Bauteil bestimmt wird.

Das andere erfindungsgemäße Verfahren, nämlich das soge nannte Kompensationsverfahren zur faseroptischen Kraftmes sung, die auf der spannungsinduzierten Doppelbrechungsände rung eines Monomode-Lichtwellenleiters beruht, ist erfin dungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung ein deutiger Meßergebnisse, d. h. zur Absolutmessung, polari siertes Weißlicht in ein Ende des Lichtwellenleiters einge strahlt und der durch die Krafteinwirkung auf den Lichtwel lenleiter und die daraus folgende Doppelbrechungsänderung verursachte Phasen- oder Gangunterschied der beiden linea ren Moden der am anderen Ende des Lichtwellenleiters aus tretenden Lichtwellen durch ein mit vorgeschaltetem polari sierendem Strahlteiler zur Modentrennung und an dessen Aus gängen mit λ/4-Platten versehenes Michelson-Interferometer mit elektronisch verstellbarer Spiegelanordnung kompensiert wird, und daß das die Spiegelverstellung zur Kompensation des Gang- oder Phasenunterschieds bewirkende Steuersignal als Maß für die Kraft ausgewertet wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ergänzungen der beiden er findungsgemäßen Meßprinzipien mit zwei Lichtstrahlen unter schiedlicher Wellenlängen einerseits bzw. mit nichtkohären tem Licht, vorzugsweise mit Weißlicht andererseits, sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben und/oder werden in der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die Zeich nung auch hinsichtlich vorteilhafter Einzelheiten erläu tert.

Es zeigen:

Fig. 1 als Beispiel für ein hochbelastetes mechanisches Bauelement einen Schwerlastdübel;

Fig. 2 eine Skizze zur Erläuterung des Prinzips der Erfin dung;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für den Einbau eines LWL in eine kraftübertragende Scheibe;

Fig. 4 den Prinzipaufbau für eine faseroptische Kraftmeß einrichtung, der das (erste) erfindungsgemäße Zwei wellenlängen-Verfahren zur Kraftmessung mit Auswer tung nach der sogenannten Quadratur-Methode zugrun deliegt;

Fig. 5 den Prinzipaufbau für eine andere Ausführungsform einer faseroptischen Kraftmeßeinrichtung, der das (erste) erfindungsgemäße Zweiwellenlängen-Meßver fahren zur Kraftmessung mit Auswertung nach der so genannten Phasen-Schiebemethode zugrunde liegt;

Fig. 6 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des (zweiten) erfindungsgemäßen Verfahrens zur faseroptischen Kraftmessung mit Auswertung nach dem sogenannten Kompensationsprinzip;

Fig. 7 den berechneten Kurvenverlauf des Spektrums inner halb der Kohärenzlänge einer Weißlichtquelle bei Verwendung einer lichtemittierenden Diode und An wendung des Kompensationsverfahrens gemäß der (zweiten) Ausführungsvariante der Erfindung;

Fig. 8 eine der Fig. 7 entsprechende Spektraldarstellung bei Verwendung einer Halogenlampe als Lichtquelle bei Anwendung des erfindungsgemäßen Kompensations verfahrens;

Fig. 9 der Darstellung der Fig. 7 und 8 entsprechende Meß kurven, bei denen nichtideale Komponenten des Meß aufbaus zu unvollständiger Durchmodulation führen; und

Fig. 10 den Prinzipaufbau einer faseroptischen Kraftmeßein richtung für das zweite erfindungsgemäße Verfahren mit Verwendung von Weißlicht und Signalauswertung nach der Kompensationsmethode.

Zunächst wird der Erfindungsgedanke einer seriellen Messung der Vorspannkraft in einem hochbelasteten mechanischen Bau element unter Verwendung zweier Lichtwellenlängen gemäß der ersten grundsätzlichen Ausführungsvariante der Erfindung an hand eines typischen Anwendungsbeispiels bei einem Schwer lastdübel erläutert.

Die bereits erwähnte Fig. 1 zeigt einen in ein Mauerwerk 6 eingesetzten Dübel D, der an seinem Schraubenkopf mittels eines Festsetzmoments Mt angezogen werden kann, wobei über das Gewinde 1 die Spreizkrallen 2 in bekannter Weise nach außen in das Mauerwerk 6 gedrückt werden, so daß im Dübel die Vorspannkraft H erzeugt wird, die über eine Unterlag scheibe 3 auf ein zu befestigendes Bauteil 5 bzw. in das Mauerwerk 6 übertragen wird.

Um die Vorspannkraft messen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, eine Lichtleitfaser 4, also den LWL, in die Un terlagscheibe 3 über einen Teilbereich 4′ ihrer Länge einzu betten (vgl. Fig. 2 bis 5 und 10). Da der LWL 4 allein die typischen Vorspannkräfte von z. B. 10 bis 30 kN, verteilt auf eine Schleifelänge des eingespannten Teilbereichs 4′ von 60 mm nicht aufnehmen kann, muß die Unterlagscheibe 3 so mo difiziert werden, daß der LWL 4 nur den entsprechenden Flä chenbruchteil aushalten muß und andererseits durch die Um mantelung vor Überlastung und Korrosion geschützt ist. Für diese Einbettung eignen sich verschiedene Verfahren, wie z. B. Löten, Galvanisieren, Kleben, Flammspritzen und Sin tern sowie verschiedene Einbettmaterialien, insbesondere Verbundwerkstoffe, Metalle, metallische Lote, insbesondere Glaslote. Wichtig ist, daß bei diesen Einbettverfahren der Transformationspunkt des LWL 4 (typischerweise 900°C) nicht überschritten und der LWL 4 mechanisch nicht überlastet wird. Außerdem muß die Einbettung elastisch sein, d. h. sie darf kein Kriech- oder Hystereseverhalten zeigen, sie muß homogen sein und die Elastizitätsmodulen des oder der verwen deten Einbettmaterialien und deren Konstanten müssen an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des LWL 4 und des Me tallmaterials der nachfolgend näher beschriebenen Unterlag scheibe 3 angepaßt sein. Als gut geeignetes Material hat sich Glaslot der Glastypen 8472 und 8474 der Firma SCHOTT sowie Erosil-gefülltes Polymethacrylat (kalthärtend, warm härtend oder auch UV-härtend) der Firma Ivoclar (Bezeichnun gen Isopast®, SR-Isosit®, Heliomolar®) erwiesen.

Fig. 3 veranschaulicht den konstruktiven Aufbau einer Unter lagscheibe 3, die aus zwei einzelnen Ringscheiben 3a und 3b aus Metall besteht, zwischen denen der Teilbereich 4′ des LWL 4 in ein Glaslot 5 eingebettet ist. Zum weiteren Schutz gegen Überlastung sind zwei Abstandshaltering 6a bzw. 6b vorgesehen.

Die Vorspannkraft H, die zwischen den beiden Ringscheiben 3a, 3b wirkt, verursacht unter anderem zwei verschiedene Spannungskomponenten im Zentrum der Lichtleitfaser des LWL 4, nämlich eine parallel und die andere senkrecht zum Druck auf die Faser. Durch die elasto-optischen Eigenschaften der Lichtleitfaser 4 entsteht ein doppelbrechendes Medium, d. h. es entsteht eine Phasenverschiebung zwischen dem parallel zum Druck und dem senkrecht dazu polarisierten Licht, das durch die Faser 4 hindurchläuft. Diese Phasenverschiebung ist ein direktes Maß für die auf die Unterlagscheibe 3 wir kende Kraft.

Die Phasenverschiebung ist im allgemeinen ein Vielfaches von 2π. Die Vorspannkraft H kann daher durch einfaches Zählen der periodischen Änderung der Polarisation bei einem Bela stungsvorgang ermittelt werden. Bei nachträglichen Messungen der Vorspannung versagt diese Methode jedoch, weil das aus wertbare Ergebnis der spannungsinduzierten Doppelbrechung mehrdeutig modulo 2π ist. Durch die erfindungsgemäße Messung der Phasenverschiebung von zwei Lichtstrahlen mit zwei un terschiedlichen Wellenlängen kann diese Schwierigkeit umgan gen werden. Durch Vergleich der beiden Meßergebnisse läßt sich in einem vorgegebenen Meßbereich die Anzahl der 2π-Pe rioden eindeutig ermitteln.

Ein erstes Ausführungsbeispiel für den prinzipiellen Aufbau einer Einrichtung zur Durchführung des (ersten) erfindungs gemäßen Zweilängen-Meßverfahrens nach der sogenannten Qua dratur-Methode zeigt die Fig. 4. Am linksseitigen freien En de des LWL 4 wird monochromatisches Licht mit zwei unter schiedlichen Wellenlängen λ₁ bzw. λ₂ in den faseroptischen Kraftsensor, wie oben beschrieben eingestrahlt. Das rechts seitige freie Ende des LWL 4 gibt das austretende Licht an eine Detektoreinheit 7 ab zur Analyse der Polarisation des ursprünglich linear polarisierten Lichts nach Durchlauf des doppelbrechenden, eingebetteten Teilbereichs 4′ des LWL 4. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Lichtquelle im wesentlichen aus zwei monomodigen Infrarot-Laserdioden LD₁ bzw. LD₂, die Licht mit Wellenlängen um 800 nm liefern mit einem Wellenlängenunterschied von ca. 10 nm, abhängig vom gewünschten absoluten Kraftmeßbereich. Um diese Wellenlängen konstant zu halten, sollte sowohl die Temperatur als auch der Durchlaßstrom der Laserdioden LD₁, LD₂ geregelt sein. Durch eine Elektronik (nicht dargestellt) wird z. B. perio disch zwischen den beiden Laserdioden LD₁, LD₂ hin- und her geschaltet oder die beiden Laserdioden LD₁, LD₂ werden mit unterschiedlichen Frequenzen intensitätsmoduliert. Da die Laserdioden polarisiertes Licht erzeugen, genügt ein durch zwei angedeutete Linsen veranschaulichter, einfacher Kolli matoraufbau mit Strahlteiler ST1, um definiert polarisiertes Licht, insbesondere unter 45° Verkippung zur optischen Ach se, d. h. der Spannungsachse der doppelbrechenden Komponen te, in den Monomode-LWL 4 des Kraftsensors einzukoppeln.

Die Detektoreinheit 7 umfaßt außer einem wiederum nur sche matisch angedeuteten Kollimatoraufbau einen zweiten Strahl teiler ST2 zur Trennung der beiden Moden. Dem einen Ausgang des zweiten Strahlteilers ST2 ist eine λ/4-Platte 8 sowie ein Polarisator P2 nachgeschaltet, bevor der eine Intensi tätsanteil (die eine Mode) auf einen ersten Photodetektor PD₁ gelangt. Der zweite Ausgang des zweiten Strahlteilers ST2 beausschlagt über eine weitere λ/4-Platte 8′ und einen weiteren Polarisator P1 einen zweiten Photodetektor PD₂. Mit diesem Aufbau der Detektoreinheit 7 läßt sich die in dem me chanischen Bauteil wirkende Vorspannkraft nach der sogenann ten Quadratur-Methode ermitteln, wie weiter unten näher er läutert und in den Literaturstellen [1] und [4] beschrieben.

Bei dem Prinzipaufbau einer Kraftmeßanordnung nach Fig. 5, die sich zur Kraftmessung mit der Phasenschiebe-Methode eignet, entspricht die Detektoreinheit 7′ einem modifizier ten Michelson-Interferometer. Zwischen dem polarisierenden Strahlteiler PST und den Spiegeln 9, 10 sind aus weiter un ten erläuterten Gründen λ/4-Platten 11, 12 zwischengeschal tet. Der Ausgang des Interferometers beaufschlagt über eine weitere λ/4-Platte 13 und einen weiteren Polarisator 14 ei nen Photodetektor, z. B. eine Photodiode PD. Der eine Spie gel 10 ist senkrecht zu seiner Spiegelfläche um vorgebbare, einer bestimmten Phasenverschiebung entsprechende Wegelemen te mittels eines Piezo-Stellelements 15 verschiebbar, dessen Stellsignale durch eine beispielsweise mittels Mikroprozes sor verwirklichte Steuereinheit 16 vorgegeben werden.

Mit den beiden anhand der Fig. 4 und 5 beschriebenen Meßauf bauten läßt sich die Vorspannkraft nach dem Quadraturverfah ren einerseits (siehe Lit. [1] und [4]) bzw. mittels des Phasenstufenverfahrens (Lit. [5]) bestimmen.

Zunächst wird das Quadraturverfahren in Anwendung auf die Erfindung erläutert:
Das Licht, das den Lichtwellenleiter 4 verläßt und auf die Detektoreinheit 7 gelangt, wird durch den Strahlteiler ST2 in zwei Lichtstrahlen gleicher Intensität aufgeteilt. Beide durchlaufen dann jeweils eine der λ/4-Platten 8 bzw. 8′ und einen der Polarisatoren P2 bzw. P1. Die Stellung der λ/4-Platten 8, 8′ und der Polarisatoren P1, P2 ist nun so ge wählt, daß die erste Diode PD₁ ein cosinusförmiges Phasever schiebungssignal erfaßt und die andere PD₂ ein sinusförmi ges. Die Diodensignale sind also durch

I₁ = I₀ (1 + cos δ) bzw. I₂ = I₀ (1 + sin δ) (1)

gegeben. Daraus läßt sich die Phase δ zu

tan δ = (I₂ - I₀)/(I₁ - I₀) (2)

bestimmen. Sinnvoll ist es hierzu, I₀ separat zu bestimmen, alle drei Signale zu digitalisieren und Gleichung (2) in ei nem Mikroprozessor zu lösen.

Das Quadraturverfahren setzt ideale optische Eigenschaften der λ/4-Platten 8, 8′ und der Polarisatoren P1, P2 voraus. Da solche Bauelemente oft nicht verfügbar oder extrem teuer sind, wurde das Phasenstufenverfahren (vgl. Lit. [5]) gefun den, das auch mit nichtidealen Komponenten gute Werte für die Phasenverschiebung liefert. Ein nicht ideales Signal ist durch

I = a (1 + m cos δ) (3)

beschrieben, wobei mit a eine mittlere Intensität und mit m der Modulationsgrad bezeichnet sind. Um diese Gleichung hin sichtlich der Phase δ zu lösen, benötigt man also mindestens drei unabhängige Meßsignale. Dabei ist es, wie in Fig. 5 ge zeigt, günstiger, mit einer einzigen Photodiode PD zu arbei ten, aber zusätzlich eine Phasenverschiebungseinheit, beste hend aus dem mit dem Piezo-Stellelement 15 verbundenen Spie gel, zu benutzen, so daß unabhängige Meßsignale zu erhalten sind. Die Ansatzgleichung (3) verändert sich dann zu

I_i = a (1 + m cos (δ + Φ_i)) (4)

Wählt man z. B. vier Phasenverschiebungen mit Φ_i = 0, π/2, π, 3π/2, so läßt sich die gesuchte Phasenverschiebung δ durch Auswertung mittels des Zusammenhangs

tan δ = (I₃ - I₁)/(I₂ - I₄) (5)

bestimmen. Die nötigen festen Phasenverschiebungen Φ_i kön nen, wie in Fig. 5 veranschaulicht, durch den erläuterten modifizierten Michelson-Interferometeraufbau realisiert wer den. Damit wird erreicht, daß die orthogonal zueinander po larisierten Lichtstrahlen, wie sie den Lichtwellenleiter 4 verlassen, unterschiedliche Wege gehen und sich erst nach dem Polarisator POL auf der Photodiode PD wieder vereinen. Durch die definierte Verschiebung des einen der Spiegel 9, 10, im dargestellten Beispiel des Spiegels 10, mit dem elek trisch gesteuerten Piezo-Stellelement 15 läßt sich die er wünschte Phasenverschiebung zwischen diesen Strahlen reali sieren. Wiederum ist der Einsatz eines Mikroprozessors 16 zur Vorgabe der elektrischen Signale zur Positionierung des Spiegels 10 und zur Weiterverarbeitung der digitalisierten Diodensignale von Vorteil.

Nachfolgend wird kurz dargestellt, wie die Vorspannkraft zu errechnen ist:
Für jeweils eine Wellenlänge λ₁ bzw. λ₂ läßt sich eine Pha senverschiebung δ₁ bzw. δ₂ bestimmen, die modulo 2π der Pha senverschiebung entspricht, die durch die mechanische Span nung im LWL 4 induziert wurde. Aus der Kenntnis dieser bei den Phasenverschiebungen folgt die Anzahl H der 2π-Perioden unter der Voraussetzung, daß in beiden Fällen H gleich ist, zu

N = 1/2 π (δ₁λ₁ - δ₂λ₂)/(λ₂ - λ₁) (6)

Aus einer der beiden Phasenverschiebungen und Wellenlängen ergibt sich dann die mechanische Spannung zu

σ = 1/π (q₁₂ - q₁₁)^-1 λδ L^-1n^-3 (7)

worin mit q₁₂, q₁₁ die piezooptischen Konstanten, deren Dif ferenz für Quarzglas q₁₂-q₁₁= 2,3·10^-12 Pa betragen, mit L die Länge des Lichtwellenleiters und mit n der Brechungsin dex von spannungsfreiem Quarzglas bezeichnet sind.

Bei einer typischen Anwendung eines M16-Dübels ist die Flä che, die von der mechanischen Spannung durchsetzt wird, 1,5·10⁻m² und die Länge 4′ des Lichtwellenleiters in der Un terlagscheibe beträgt 0,06 m. Verwendet man außerdem Halb leiterlaserdiode mit einer Lichtwellenlänge um 800 nm, so gilt für die Vorspannkraft (in N, δ in Radians) für einen Brechungsindex n = 1,46 (Quarzglas)

F = 87,0 δ (8)

Um N eindeutig bestimmen zu können, muß der Wellenlängenun terschied Δλ den gewünschten Meßbereich der Kraft F_max mit tels der Beziehung

Δλ = 0,683 · 10⁹λ²/F_max (9)

angepaßt werden. Für einen Meßbereich von beispielsweise 30 kN ergibt sich damit Δλ zu 14,6 nm. Ersichtlicherweise ist dieser Wellenlängenunterschied von über 1% zur Zeit weder durch Strommodulation der Laserdiode noch durch nachträgli che akustooptische Lichtmodulation zu erzeugen, d. h. es sind, wie in Fig. 4 angedeutet, tatsächlich zwei Laserdioden mit einem Wellenlängenunterschied in der angegebenen Größen ordnung zu verwenden.

Das zweite, nachfolgend erläuterte grundsätzliche Meßprinzip gemäß der Erfindung beruht auf dem bereits erwähnten Kom pensationsverfahren.

Anstatt mit zwei Wellenlängen zu operieren, um simultan oder sequentiell zwei verschiedene Phasenwerte zur Beseitigung der modulo 2π-Ungewißheit zu bestimmen, wird das auf einem Kompensationsprinzip beruhende alternative Verfahren mit der Erfindung vorgeschlagen.

Die Fig. 6 verdeutlicht schematisch das Pinzip dieser Meß methode, wobei hinsichtlich des konkreten Meßaufbaus gleich zeitig auf Fig. 10 Bezug genommen wird.

Nichtkohärentes Licht einer Lichtquelle LQ (z. B. LED oder Halogenlampe) durchläuft einen eingangsseitigen Polarisator POE und gelangt sodann auf den monomodigen LWL 4, wobei die beiden Hauptkomponenten des Lichts im LWL 4 im Bereich des faseroptischen Kraftsensors auf eine Länge L (entsprechend 4′) unterschiedlich beeinflußt werden. Durch einen elektro nisch gesteuerten Kompensator 20 wird der durch die Kraft F induzierte Phasen- oder Gangunterschied aufgehoben, d. h. kompensiert. Das hierzu im Kompensator 20 erforderliche Steuersignal ist ein direktes Maß für die wirkende Kraft. Als Kompensator kann im Prinzip die bereits anhand der Fig. 5 erläuterte Phasenschiebeeinheit dienen, d. h. beispiels weise ein modifiziertes Michelson-Interferometer, bestehend aus einem polarisierenden Strahlteiler PST, der die beiden unterschiedlich polarisierten Lichtwellen trennt und zwei λ/4-Platten 11, 12, die nach doppeltem Durchlauf (Reflexion an den Spiegeln 9 bzw. 10) die Polarisationsrichtung um 90° drehen, so daß sich beide Teilstrahlen im Polarisator POL überlagern und die Photodiode PD beaufschlagen. Die Kompen sation des Gangunterschieds wird mittels der Mikroprozessor steuerung 16 über den am Piezo-Stellelement 15 befestigten Spiegel 10 bewirkt.

Die durch die Kraft F im faseroptischen Kraftsensor bewirkte Phasenverschiebung ist gegeben zu

Für den durch den Kompensator 20 durch Wegverschiebung des Spiegels 10 um den Betrag d/2 auszugleichenden Phasenunterschied gilt der Ansatz

Für eine feste Wellenlänge λ gilt für das Intensitätssignal an der Photodiode PD

Darin bezeichnet q eine Kohärenzfunktion, die abhängig ist vom Gangunterschied (Phasenunterschied) der beiden Lichtwellen unterschiedlicher Polarisation. Es gilt:

Mit l_koh ist die Kohärenzlänge bezeichnet, die gegeben ist durch

worin mit Δλ die spektrale Breite der Lichtquelle bezeichnet ist.

Die Kohärenzfunktion q gemäß Gleichung (13) läßt eine Gauß verteilung erkennen.

Berücksichtigt man die spektrale Verteilung der Lichtquelle g (λ), die spektrale Empfindlichkeit des Detektors η (λ) so wie die gaußförmige Verteilung der Kohärenzfunktion q, so gilt der Zusammenhang:

Die Fig. 7 und 8 zeigen berechnete Kurven zur den Intensi tätsverlauf bei Verwendung einer LED (Fig. 7) einerseits und einer Halogenlampe (Fig. 8) andererseits, wobei das jeweili ge Spektrum der Lichtquellen mit ihren Kohärenzlängen (LED 8 µm; Halogenlampe 1,5 µm) und die spektrale Empfindlichkeit der Photodiode PD berücksichtigt wurden. Das Photodioden signal ist in beiden Fällen in normierten Einheiten gegen die Wegverschiebung des Spiegels 10 aufgetragen. Man erkennt - insbesondere bei der Halogenlichtquelle (Fig. 8) - ein ausgeprägtes Minimum an der Stelle, an welcher der Gang oder Phasenunterschied im LWL 4 durch den im Kompensator 20 aufgehoben ist. Die Hüllkurve der "abklingenden" Oszillatio nen hängt mit von der spektralen Breite δλ und der Kohärenz länge l_koh der jeweiligen Lichtquelle ab.

Durch ein elektronisch steuerbares Kompensatorelement - im dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 10 das Piezo- Stellelement 15 - wird die durch die Kraft im belasteten Bauelement, d. h. im LWL 4 induzierte Phasenverschiebung aufgehoben (kompensiert). Das hierzu benötigte Steuersignal ist deshalb ein direktes Maß für die wirkende Kraft.

Mit den bisher verwendeten Parametern gilt wiederum für die typische Anwendung bei einem M16-Dübel der unschwer ableit bare Zusammenhang:

F(kN) = 1,36 d_min (µm) (16)

Die Fig. 9 zeigt eine tatsächliche Meßkurve bei Verwendung von Halogenlicht als nichtkohärente Lichtquelle LQ (Weiß lichtquelle). Ähnlich wie bei den berechneten Kurven nach den Fig. 7 und 8 ist das Minimum deutlich ausgeprägt, wenn gleich die real gemessene Kurve wegen der nichtidealen Kom ponenten eine nichtvollständige Durchmodulation erkennen läßt.

Hinsichtlich Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Meßer gebnisse sind das oben beschriebene Phasenstufenverfahren sowie das zuletzt erläuterte Kompensationsverfahren etwa gleichwertig. Für die praktische Anwendung und Wirtschaft lichkeit hat das Kompensationsverfahren jedoch den entschei denden Vorteil, daß keine monochromatischen Lichtquellen be nötigt werden, vielmehr mit einer einfachen Weißlichtquelle, beispielsweise einer lichtemittierenden Diode (LED) oder ei ner Niedervolt-Halogenlampe, gearbeitet werden kann.

Literaturliste

[1]: A. Bertholds, Thesis, 1987
Elastic and photoelastic properties of single-mode optical fibers: application to the measurement of force
[2]: A. Bertholds and R. Dändliker, Applied Optics 25, 340-343 (1986).
"High-resolution photoelastic pressure sensor using low-birefrigence fiber"
[3]: A. Bertholds and R. Dändliker, Journal of Lightwave Technology, 6, 17-20 (1988)
"Determination of the Individual Strain-Optic Coefficients in Single-Mode Optical Fibers"
[4]: A. Bertholds and R. Dändliker, Electronics Letters, 21, 65-67 (1985).
"MICROPROCESSOR-BASED PHASE DETERMINATION FOR HIGH-RESOLUTION OPTICAL SENSORS"
[5]: R. Thalmann, Holografietagung 28./29.6.88, HDT, Essen "Grundlagen zur rechnergestützten Auswertung holografischer Interferogramme"

Claims

1. Verfahren zur faseroptischen Kraftmessung, die auf der spannungsinduzierten Doppelbrechungsänderung eines Mono mode-Lichtwellenleiters (4) beruht, dadurch gekennzeich net, daß zur Erzielung eindeutiger Meßergebnisse, d. h. zur Absolutmessung, zwei Lichtwellen unterschiedlicher Wellen längen (λ₁, λ₂) in ein Ende des Lichtwellenleiters (4) ein gestrahlt und der durch die Krafteinwirkung auf den Licht wellenleiter (4) und die daraus folgende Doppelbrechungsän derung verursachte Phasenunterschied der beiden linearen Mo den der am anderen Ende des Lichtwellenleiters (4) austre tenden Lichtwellen erfaßt und als Maß für die Kraft (N) aus gewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur druckspannungsindu zierten Messung des Absolutwerts der Vorspannung eines auf Druck oder Zug belasteten mechanischen Bauteils, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Lichtwellenleiter (4) über einen Teilbereich (4′) sei ner Länge in einer zur Vorspannkraft über ihre Fläche ver teilende Scheiben (3a, 3b) in eine druckfeste Ummantelung (5) eingebettet wird,
- die beiden Lichtwellen in das eine Ende des Lichtwellen leiters (4) eingekoppelt und die am anderen Ende des Lichtwellenleiters (4) austretenden Lichtwellen über einen polarisierenden Strahlteiler (PST) in die beiden Moden ge trennt, photoelektrisch erfaßt und über eine kalibrierte Auswertelogik mit Zwischenspeicherung der Einzelmeßwerte durch Phasenvergleich die Vorspannkraft (N) bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die beiden Lichtwellen unterschiedlicher Wel lenlänge (λ₁, λ₂) sequentiell abwechselnd in den Lichtwel lenleiter (4) eingestrahlt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die beiden Lichtwellen unterschiedlicher Wel lenlänge (λ₁, λ₂) bei frequenzmäßig unterschiedlicher Inten sitätsmodulation der Lichtquellen (LD₁, LD₂) gleichzeitig in den Lichtwellenleiter (4) eingestrahlt werden.

5. Einrichtung zur faseroptischen Messung des Absolut werts der Vorspannung in einem durch Zug- oder Druckkräfte hochbelasteten mechanischen Bauteil, dadurch gekennzeich net, daß

- der faseroptische Lichtwellenleiter (4) über einen zwi schen seinen freien Enden liegenden Teilbereich (4′) sei ner Länge in eine quer zur Kraftrichtung angeordnete druckübertragende Scheibe (3) eingebettet ist,
- das eine Ende des Lichtwellenleiters (4) gleichzeitig oder sequentiell abwechselnd durch zwei monochromatische Licht quellen (LD₁, LD₂) unterschiedlicher Wellenlänge (λ₁, λ₂) beaufschlagt ist, und daß
- die beiden Lichtwellen unterschiedlicher Wellenlänge (λ₁, λ₂) am anderen Ende des Lichtwellenleiters (4) getrennt erfaßbar sind und als elektrische Signale einer Phasenver gleichsschaltung und Auswertelogik zugeführt werden.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß die beiden Lichtquellen (LD₁, LD₂) über je eine Kollimatoreinrichtung einen Strahlteiler (ST1) beaufschla gen, der so angeordnet ist, daß definiert polarisierte Lichtstrahlen in den Lichtwellenleiter (4) eingekoppelt wer den.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß der Strahlteiler (ST1) so ausgelegt und angeordnet ist, daß die polarisierten Lichtstrahlen unter 45° Verkip pung zur optischen Achse der doppelbrechenden Komponente in den Lichtwellenleiter (4) eingekoppelt werden.

8. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Moden der am anderen Ende des Lichtwellenleiters (4) austretenden Lichtwellen über einen polarisierenden Strahlteiler (PST) getrennt und nach Durchlaufen je einer λ/4-Platte (8, 8′) und eines Polarisators (P₁, P₂) durch je einen zugeordneten Photodetektor (PD₁, PD₂) erfaßt und nach der Quadraturmetho de zur Bestimmung der Phasendifferenz und daraus folgend Er rechnung der Vorspannkraft (N) ausgewertet werden.

9. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Moden der am anderen Ende des Lichtwellenleiters (4) austretenden Lichtwellen über einen polarisierenden Strahlteiler (PST) getrennt und nach Durchlaufen je einer λ/4-Platte an Spie geln (9, 10) eines Michelson-Interferometers reflektiert und nach Durchlaufen eines Polarisators (POL) gemeinsam einen Photodetektor (PD) beaufschlagen, wobei der eine Spiegel (10) zur Änderung der Phasendifferenz zwischen den beiden Lichtstrahlen um definierte Festbeträge (Φ_i) senkrecht zur Spiegelfläche verstellbar ist, so daß nach der Phasenschie bemethode unter Berücksichtigung von Intensitätsunterschie den oder -schwankungen der Lichtquellen (LD₁, LD₂) und Schwankungen des Modulationsgrads aufgrund einer Mehrzahl von erfaßten Meßwerten die Phasendifferenz und daraus fol gend die Vorspannkraft (N) bestimmbar sind.

10. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtquel len (LD₁, LD₂) monomodige Infrarot-Laserdioden sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß die Wellenlängen (λ₁, λ₂) der von den Laserdioden (LD₁, LD₂) abgegebenen Lichtwellen im Bereich von 80 nm lie gen und sich um etwa 5 bis 20 nm, vorzugsweise etwa 10 bis 15 nm, voneinander unterscheiden.

12. Verfahren zur faseroptischen Kraftmessung, die auf der spannungsinduzierten Doppelbrechungsänderung eines Mono mode-Lichtwellenleiters (4) beruht, dadurch gekennzeich net, daß zur Erzielung eindeutiger Meßergebnisse, d. h. zur Absolutmessung, polarisiertes, nichtkohärentes Licht, vor zugsweise Weißlicht, in ein Ende des Lichtwellenleiters (4) eingestrahlt und der durch die Krafteinwirkung auf den Lichtwellenleiter (4) und die daraus folgende Doppelbre chungsänderung verursachte Phasenunterschied der beiden li nearen Moden der am anderen Ende des Lichtwellenleiters (4) austretenden Lichtwellen kompensiert wird, und daß das zur Kompensation erforderliche Steuersignal als Maß für die Kraft ausgewertet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12 zur druckspannungsindu zierten Messung des Absolutwerts der Vorspannung eines auf Druck oder Zug belasteten mechanischen Bauteils, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (4) über einen Teilbereich (4′) seiner Länge in einer zur Vorspannkraft senkrechten Ebene zwischen die Vorspannkraft über ihre Flä che verteilende Scheiben (3a, 3b) in eine druckfeste Umman telung (5) eingebettet wird.

14. Einrichtung zur faseroptischen Messung des Absolut werts der Vorspannung in einem durch Zug- oder Druckkräfte hochbelasteten mechanischen Bauteil gemäß dem Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Pha senkompensation ein mit vorgeschaltetem polarisierendem Strahlteiler (PST) zur Modentrennung und an dessen Ausgängen mit λ/4-Platten (11, 12) versehenes Michelson-Interferometer mit elektronisch verstellbarer Spiegelanordnung (10) einge setzt ist, und daß das die Spiegelverstellung zur Kompensa tion des Phasenunterschieds bewirkende Steuersignal als Maß für die Kraft ausgewertet wird.

15. Einrichtung nach Anspruch 5 bis 11 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbereich (4′) des Lichtwellen leiters (4) zwischen zwei planparallel angeordneten Metall scheiben (3a, 3b) in eine druckfeste Masse (5) eingebettet ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich net, daß der Lichtwellenleiter (4) von einem in die druck feste Masse (5) eingelagerten Abstandshalter (6a, 6b) umge ben ist.

17. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich net, daß die druckfeste Masse (5) schmelzfähig ist mit ei nem unter dem Transformationspunkt des Lichtwellenleiterma terials liegenden Schmelzpunkt.

18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich net, daß die druckfeste Masse (5) ein Glaslot ist.

19. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich net, daß die druckfeste Masse ein Kunststoffmaterial mit hohem Anteil an Füllmaterial, wie Aluminiumoxid, Quarz, Ero sil, Siliciumcarbid, oder dergleichen ist, das entweder kalt oder warm oder durch UV-Strahlen aushärtbar ist.

20. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 5 bis 11 bzw. 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Bauteil ein Schwerlastdübel (D) ist und daß die Scheibe (3), in welche der Teilbereich (4′) des Lichtwellen leiters (4) eingebettet ist, in Form einer druckverteilenden Unterlagscheibe gestaltet ist.