DE60308027T2

DE60308027T2 - Vorrichtung zur befestigung einer starren und spröden faser mit einem mechanisch verformbaren mantel, die mindestens einer mechanischen belastung ausgesetzt werden kann

Info

Publication number: DE60308027T2
Application number: DE60308027T
Authority: DE
Inventors: Bât. A Res. "Les Essarts" Laurent MAURIN
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2002-07-08
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2023-07-05
Also published as: FR2841813A1; EP1519806A2; ATE337876T1; FR2841813B1; US20050232568A1; DE60308027D1; EP1519806B1; US7167626B2; WO2004007127A3; AU2003260657A1; WO2004007127A2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft generell ein System, das eine Befestigungsvorrichtung und eine durch diese Vorrichtung befestigte Faser umfasst, die einen Kern aus einem starren bzw. steifen und spröden Material enthält, umgeben von einem weniger steifen, mechanisch deformierbaren Mantel, wobei die Faser, sobald sie in der Vorrichtung befestigt ist, wenigstens einer mechanischen Belastung ausgesetzt werden kann. Insbesondere betrifft die Erfindung ein System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der auf dem Dokument US-A-5530785 basiert.
Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung betrifft die Befestigung optischer Fasern, wobei diese Fasern vor allem mit einem Kern aus SiO₂ realisiert werden.
Diese Art von Befestigungsvorrichtung findet zum Beispiel eine Anwendung insbesondere auf dem Gebiet der Extensometer, die eine optische Faser umfassen, in der wenigstens ein Bragg-Gitter photoinduziert wird, oder auch auf dem Gebiet der faseroptischen Bragggitter-Sensoren wie etwa den Druck- oder Gasdichtesensoren.
STAND DER TECHNIK
Auf diesem die Befestigung einer Faser in einer speziellen Vorrichtung betreffenden technischen Gebiet – wobei die Faser einen steifen spröden Kern und einen weniger steifen, mechanisch deformierbaren Mantel umfasst -, beziehen sich die bekannten Techniken auf die Befestigung einer optischen Faser. Der Stand der Technik umfasst mehrere Realisierungen.
Eine erste bekannte technische Lösung besteht darin, die optische Faser auf einem mechanischen Träger festzukleben.
Jedoch hat diese Lösung zahlreiche Nachteile und insbesondere den einer stark ermüdenden mechanischen Festigkeit, wenn die Umgebungstemperatur sich 200 °C nähert.
Um dieses Problem der mechanischen Festigkeit zu beseitigen, das die meisten klassischen Klebstoffe betrifft, wurde vorgeschlagen, Hochleistungsklebstoffe zu verwenden, zum Beispiel SiO₂-haltige Klebstoffe oder keramische Klebstoffe. Dieser Klebstofftyp ermöglicht nämlich, die Befestigung der optischen Faser auf dem mechanischen Träger auch bei relativ hohen Temperaturen sicherzustellen.
Jedoch ist die Steifigkeit dieser Hochleistungsklebstoffe dermaßen groß, dass an der Grenze der Klebezone Scherkräfte auftreten, die die Handhabungsmöglichkeiten des geklebten Systems insofern stark einschränken, als dieses letztere sehr zerbrechlich ist und beschädigt werden könnte, wenn es bewegt wird.
Zudem benötigen Hochleistungsklebstoffe und Keramikklebstoffe, vergleichbar mit Zementen, eine Energiezufuhr, die eine Beschädigung des deformierbaren Schutzmantels verursachen kann, der um den Kern der optischen Faser herum vorgesehen ist und typischerweise aus SiO₂ ist. Außerdem, wenn die Energie in Form von Wärme zugeführt wird, ist die erste vorgeschlagene Lösung nicht möglich in Umgebungen, wo Wärme verboten ist, zum Beispiel wegen vorhandener Explosionsgefahr.
Außerdem führt das Altern des Klebstoffs zu einer großen Veränderung seiner Theologischen Eigenschaften, deren Entwicklung im Laufe der Zeit völlig unbestimmt bleibt. So ermöglicht die Veränderung der Eigenschaften, wie etwa des Young-Moduls, über eine relativ lange Periode auf gar keinen Fall die Charakteristika zu kennen, die mit der Haftung und mit der Scherung der Klebstoffe verbunden sind.
Festzustellen ist, dass die optische Faser, wenn sie einer Zugspannung ausgesetzt wird, auf den Klebstoff eine Scherkraft ausübt. Diese Scherung kommt zu der Scherung des mechanisch deformierbaren Mantels der optischen Faser hinzu, was dann einen sehr abträglichen Messfehler verursacht, wenn die optische Faser in einem Extensometer verwendet wird. Man kann in dieser Hinsicht anmerken, dass ein Extensometer ein typisches Beispiel ist, bei dem eine sehr große Befestigungsgenauigkeit der Faser erforderlich ist, um einerseits die metrologische Genauigkeit der Vorrichtung zu gewährleisten und andererseits die Kalibrierungsstreuung zwischen mehreren dieser Vorrichtungen zu reduzieren.
Schließlich sei noch präzisiert, dass wegen fehlender Beherrschung der Strömung der Klebstoffe die angewandte Technik nicht ermöglicht, die Verankerung bzw. Befestigung leicht zu reproduzieren. Zudem kann diese Art der Verbindung der optischen Faser und des mechanischen Trägers nur demontiert werden, indem man die optische Faser beschädigt, was ein Hauptnachteil ist hinsichtlich des relativ hohen Preises einer optischen Bragggitter-Faser.
Eine zweite technische Lösung nach dem Stand der Technik besteht darin, die optische Faser auf einen mechanischen Träger zu schweißen, wobei die Faser vorher oberflächenmetallisiert worden ist.
Das Schweißen kann zum Beispiel erfolgen, indem man lokal einen Tropfen aus einem Material zum Schmelzen bringt, das identisch ist mit dem des Kerns der zu befestigenden optischen Faser.
Jedoch, im Falle einer Anbringung eines metallischen Überzugs der Faser ist die Befestigung insofern schwierig, als die Schweißpunkte auf kleinen Kontaktflächen zu realisieren und folglich extrem genau zu positionieren sind, um die optische Faser nicht zu beschädigen.
Ebenso wie bei den oben beschriebenen Klebemontagen ist die Reproduzierbarkeit auf im Falle einer Schweißung schwierig, so dass das mechanische Verhalten des Systems nicht genau bestimmt werden kann. Außerdem ist festzustellen, dass das mechanische Verhalten des Systems umso schwieriger zu bestimmen ist, da die Schweißung selbst eine metallurgische Transformation verursacht, bei der die mechanischen Charakteristika der Verbindung modifiziert werden.
Zudem – außer der Tatsache, dass dieser Verbindungstyp nicht in Umgebungen realisiert werden kann, wo die Energiezufuhr verboten ist – sind die Kräfte, die die Verbindung zwischen der optischen Faser und dem metallischen Überzug aushält, relativ klein. Die hergestellte Verbindung ist nämlich keine wirkliche physikalische Verbindung und hält daher keine großen Kräfte aus. Außerdem haben durchgeführte Versuche gezeigt, das bei Anwendung von relativ großen Kräften auf die Faser der metallische Überzug sich ablöst bzw. reißt und auf dieser optischen Faser gleitet, da der Schutzmantel im Allgemeinen aus Polymer ist (meistens aus Polyimid oder Polyacrylat).
Schließlich – wie bei der ersten oben dargestellten technischen Lösung – ist die durch Schweißen realisierte Montage eine irreversible Montage, die im ungünstigsten Demontagefall mit einem Reißen oder einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der optischen Faser verbunden ist.
Im Gegensatz zu den oben erwähnten Lösungen schlägt eine dritte technische Lösung nach dem Stand der Technik eine demontierbare Verbindung vor. Es handelt sich dabei um eine rotationsfeste Winde, bzw. Kapstan (cabestan), um die bzw. das herum die Faser mit einer oder mehreren Windungen gewickelt ist.
Jedoch ist dieser Verbindungstyp auch nicht zufriedenstellend in dem Sinne, dass das Gleiten der optischen Faser nicht total verhindert wird, wenn diese einer Zugspannung ausgesetzt wird. Dieser Verbindungstyp, den man insbesondere auf dem Gebiet der Zugprüfmaschinen in der Rheologie antrifft, kann auch parallel angeordnete Gummiklemmbacken umfassen, um ein Gleiten der optischen Faser bestmöglich zu verhindern. Jedoch – trotz des Vorhandenseins dieser verformbaren Klemmbacken – haben Versuche gezeigt, dass bei der Benutzung einer solchen Befestigungseinrichtung für optische Fasern das Gleiten anscheinend nicht verhindert werden kann, sobald die Zugkraft den Wert 5 N überschreitet, wobei dieser Wert einer Verlängerung von 5 % bei einer optischen Standardfaser mit einem Durchmesser von 125 μm ohne bzw. mit (hors) Schutzmantel, wie in der Telekommunikation weit verbreitet, entspricht.
Außerdem ist festgestellt worden, dass das Umwickeln der Winde bzw. des Kapstans (cabestan) optische Verluste verursacht, im Wesentlichen verbunden mit Makrokrümmungen der Faser, was für die einwandfreie Übertragung eines Signals durch dieser Faser sehr abträglich ist. Präzisiert sei, dass – um vernachlässigbare Verluste zu bekommen – der Krümmungsradius einer auf eine Winde bzw. ein Kapstan (cabestan) gewickelten Faser deutlich erhöht werden müsste, zum Beispiel bis auf einen Wert von mehr als einem Zentimeter für klassische Monomodefasern. In einem solchen Fall würde die Befestigungsvorrichtung oft zu groß für einen faseroptischen Bragggitter-Sensor.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung hat folglich die Aufgabe, ein System vorzuschlagen, das eine Befestigungsvorrichtung und eine durch die Vorrichtung festgemachte Faser umfasst, die einen starren bzw. steifen und spröden Kern enthält, umgeben von einem mechanisch deformierbaren Mantel, wobei die genannte Faser wenigstens einer mechanischen Belastung ausgesetzt werden kann und das System dabei die oben genannten Nachteile bezüglich der Realisierungen nach dem Stand der Technik wenigstens teilweise beseitigt.
Noch genauer besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein System zu präsentieren, das eine Montage und Demontage der steifen und spröden Faser ermöglicht, ohne diese zu beschädigen oder sie Makrokrümmungen auszusetzen, wobei es fähig ist, die Faser festzuhalten, so dass diese bei Anwendung einer mechanischen Belastung, wie etwa einer hohen Zugkraft, nicht gleitet. In dem speziellen Fall, wo diese Faser eine optische Standardfaser des Typs ist, der auf dem Gebiet der Telekommunikationen verwendet wird, kann diese Zugkraft zum Beispiel 50 N erreichen.
Außerdem hat die Erfindung die Aufgabe, ein System vorzuschlagen, das Umgebungstemperaturen von mehr als 200 °C aushält, und das ausreichend klein ist, um sich als Bauteil für einen faseroptischen Extensometer oder einen faseroptischen Bragggitter-Sensor zu eignen.
Zu diesem Zweck hat die Erfindung ein in Anspruch 1 definiertes System zum Gegenstand.
Die Befestigungseinrichtung umfasst eine Vielzahl von Klemmbacken, die um eine Hauptachse der Vorrichtung herum verteilt sind, wobei jede Klemmbacke eine Innenoberfläche umfasst, gebildet durch einen Mittelabschnitt und zwei Endabschnitte, und die Endabschnitte so realisiert sind, dass sie den Mittelabschnitt verlängern, indem sie sich progressiv von der Hauptachse der Vorrichtung entfernen, wobei jede wenigstens einen Teil umfasst, der den mechanisch deformierbaren Mantel der Faser berührt, wenn die Klemmbacke sich in einer Klemmposition befindet. Diese progressive Verlängerung wird vorzugsweise in Form eine Fläche realisiert, welche in dem Punkt, wo sie in den Mittelabschnitt übergeht, dieselbe Tangente wie dieser aufweist.
Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung so konzipiert, dass die Klemmbacken in ihrer maximalen konzentrischen Klemmposition in der Achse des Spannfutters eine Öffnung offen lassen, die so groß ist, dass der steife Kern sie ohne Deformierung passieren kann. Derart ist bei der Klemmung des Spannfutters nur der mechanisch verformbare Mantel den Deformierungen ausgesetzt. Dies ermöglicht wiederholte Montagen und Demontagen der Faser, ohne dass diese bricht oder beschädigt wird.
Man kann eben diese Charakteristik auch noch folgendermaßen definieren: wenn die Klemmbacken sich in jeder zur Spannfutterachse senkrechten Ebene in ihrer maximalen Klemmposition befinden, lassen sie um diese Achse herum ein Loch offen, dessen kleinster Radius wenigstens gleich dem Außenradius des steifen und spröden Kerns der Faser ist.
Im Falle der Anwendung des erfindungsgemäßen Systems zum Einspannen einer optischen Faser, erfolgt deren durch das Schließen der Klemmbacken erzeugte Deformierung ausschließlich in dem mechanisch verformbaren Mantel, der im Allgemeinen aus Polymer ist, und nicht in dem Siliciumdioxidkern der Faser, der die optische Übertragung gewährleistet. Dies erklärt sich insbesondere durch die Tatsache, dass der Mantel, vorzugsweise aus Polyimid, einen Young-Modul aufweist, der ungefähr 30-mal niedriger ist als der des Siliciumdioxids, aus dem die optische Faser normalerweise ist. Übrigens kann dieser Faktor noch wesentlich größer sein, wenn der Mantel aus Polyacrylat ist.
Es ist also relativ einfach, die Konzeption der Vorrichtung anzupassen, um eine sehr wiederstandfähige demontierbare Verankerung zu erhalten, bei der der Kern der Faser weder mechanisch noch optisch verschlechtert wird, so dass es weder zu einer mechanischen Schwächung noch zu optischen Verlusten kommt. Zum Beispiel haben Versuche gezeigt, dass die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung fähig ist, bei einer Klemmbackenlänge von ungefähr 10 mm und einer optischen Standardfaser mit einem Kerndurchmesser von 125 μm und einer Länge von 100 mm, diese Faser bei Zugkräften bis zu 50 N zu befestigen, ohne dass sie gleitet oder reißt bzw. bricht, wohingegen die Lösungen nach dem Stand der Technik nur Zugkräften von ungefähr 5 N ausgesetzt werden dürfen, um ein Gleiten oder Reißen bzw. Brechen zu vermeiden.
Die erfindungsgemäße Lösung wurde insbesondere gewählt, weil eine Faser mit einem steifen und spröden Kern, wie etwa eine optische Faser, sehr große radiale Druckkräfte aushält, sich also zur Klemmung durch konzentrische Klemmbacken eignet. Jedoch wurden im Stand der Technik niemals konzentrische Klemmbacken benutzt, um Befestigungsvorrichtungen für diesen Fasertyp zu realisieren. Dies beruht vor allem auf dem technischen Vorurteil, darin bestehend, dass Klemmbacken sich nur zum Klemmen von unspröden Materialien bzw. Werkstücken eignen, bei denen die elastische Zone direkt mit einer verformbaren Zone verbunden ist, was vermeiden hilft, dass das Material bzw. Werkstück plötzlich bricht, wenn ein bestimmtes Belastungsniveau erreicht wird.
Zudem, nachdem weitere Analysen durchgeführt worden sind, die zu dem Schluss geführt haben, dass das Reißen einer optischen Faser, festgehalten durch Klemmbacken, durch lokale Scherkräfte an den Enden der Klemmbacken verursacht wurden und nicht die Druckkräfte, die der Kern der Siliciumdioxidfaser leicht aushält, wurde die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung konzipiert, um die Scherung der Faser minimal zu halten. Die Konzeption der Vorrichtung ermöglich außerdem, die Scherung der optischen Faser in den Abschnitten zu begrenzen, wo diese einer maximalen Kräftekonzentration ausgesetzt ist, nämlich in Abschnitten des Kontakts mit den Enden jedes Klemmbackens. Mit der Erfindung wurde also ein auf dem betreffenden Gebiet vorhandenes technisches Vorurteil überwunden, indem eine Befestigungsvorrichtung konzipiert wurde, die Klemmbacken umfasst, von denen jeder eine Innenoberfläche aufweist, deren Enden sich progressiv von der Hauptachse der Vorrichtung entfernen, um den durch die Klemmkraft verursachten Belastungsgradienten zu verringern und so die Intensität der Scherungen abzuschwächen, denen die geklemmten Fasern ausgesetzt sind.
Wenn also die Faser eine optische Faser mit wenigstens einem Bragggitter ist und dazu dient, extensometrische Messungen durchzuführen, ermöglicht die Verringerung der Scherungen, die aus dem direkten Kontakt der Klemmbacken mit dem Mantel resultieren, den Messfehler beträchtlich zu reduzieren, insbesondere in Bezug auf die Techniken, die darin bestehen, zwischen der Faser und dem Befestigungsträger ein zusätzliches, verformbares Material wie etwa einen Klebstoff zu verwenden. Zum Beispiel ist für eine Zugkraft von 10 N festgestellt worden, dass der eingeschleppte Fehler bei der Verformungsmessung durch das Bragggitter ungefähr 10^–7 betrug, das heißt kleiner war als die intrinsische Auflösung eines Standard-Bragggitters.
Außerdem bietet die sehr einfache Konzeption der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Möglichkeit, die Deformierung der Faser noch mehr zu reduzieren, indem man zum Beispiel die Länge der Klemmbacken zu dem Zweck erhöht, die Klemmkraft auf eine größere Kontaktfläche zu verteilen, um die radialen Klemmkräfte proportional zu reduzieren. Wir stellen fest, dass diese Zunahme der Länge der Klemmbacken auch dazu beitragen kann, den auf die Montage zurückzuführenden Messfehler kleiner als die intrinsische Auflösung eines Standard-Bragggitters zu halten.
Die vorgeschlagene Befestigungsvorrichtung ermöglicht außerdem eine ausschließlich mechanische Befestigung der optischen Faser, so dass sie in Umgebungen verwendet werden kann, wo die Energiezufuhr durch Heizen verboten ist.
Schließlich sei präzisiert, dass die Bestandteile der Befestigungsvorrichtung der Erfindung – wobei diese auf jedes Element des Typs optische Faser mit einem steifen und spröden Kern, umgeben von einem mechanisch deformierbaren Mantel, angewendet werden kann – leicht mit so kleinen Abmessungen realisierbar sind, dass sie in jeden faseroptische Sensor – insbesondere mit faseroptischem Bragggitter – integriert werden können, dessen Prinzip darin besteht, eine physikalische Größe aufgrund der Längenänderung der Faser zu messen.
Vorzugsweise sind die Endabschnitte jedes Klemmbackens Flächen, deren Querschnitt gemäß irgendeiner durch die Hauptachse verlaufenden Ebene ein Geradensegment oder eine gekrümmte Linie ist. Vorteilhafterweise können die Übergänge zwischen dem Mittelabschnitt und den Endabschnitten poliert werden, so dass die Innenoberfläche keinen spitzen Winkel aufweist, wobei diese spezifische Charakteristik eine zusätzliche Reduzierung der Scherspannung bewirkt, der die optische Faser ausgesetzt ist.
Vorzugsweise ist die Innenoberfläche jedes Klemmbackens eine Fläche ohne jeden spitzen Winkel. Mit anderen Worten sind die Endabschnitte und der Mittelabschnitt jeder Innenfläche jedes Klemmbackens Flächen, die tangential ineinander übergehen, so dass ihre Durchschneidung mit irgend einer durch die Hauptachse der Vorrichtung verlaufenden Ebene eine kontinuierlich gekrümmte Linie ohne einen Winkelpunkt ist.
Vorzugsweise ist die Innenoberfläche jedes Klemmbackens eine Fläche, deren Querschnitt gemäß einer beliebigen zur Hauptachse der Vorrichtung senkrechten Ebene einen Kreisbogen mit einem größeren Radius als der nominale Außenradius des mechanisch deformierbaren Mantels ist. Somit verfügt jeder der Klemmbacken über eine Innenform, die sich beim Schließen der Backen auf der optischen Faser besonders gut eignet, eine progressive und gleichmäßige Verformung des Mantels zu erzielen.
Eine andere Lösung könnte auch darin bestehen, dass jeder Backen eine Innenoberfläche aufweist, deren Querschnitt gemäß einer beliebigen zur Hauptachse der Vorrichtung senkrechten Ebene ein Geradensegment ist, so dass wenigstens der Mittelabschnitt der Innenoberfläche eine ebene Fläche ist, die maschinell leicht realisierbar ist.
Vorzugsweise, wenn die Klemmbacken ihre Klemmposition einnehmen, ist ein Querschnitt der Innenoberflächen gemäß irgend einer zur Hauptachse der Vorrichtung senkrechten Ebene eine geschlossene Linie. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine quasi gleichmäßige Verformung des Mantels zu erhalten und ein unerwünschtes Zusammendrücken des steifen und spröden Kerns der Faser zu vermeiden, wobei dieser Mantel auch noch schwächer auf Scherung beansprucht wird, als wenn nur ein Teil der Endabschnitte jedes Klemmbackens mit diesem mechanisch verformbaren Mantel Kontakt hätte.
Vorzugsweise sind die Klemmbacken der Vorrichtung nichtoxidierbare metallische Klemmbacken, die Umgebungstemperaturen von mindestens 200 °C aushalten. Wenn nämlich alle Elemente metallisch und nichtoxidierbar sind, kann keines sich aufgrund der Wärme verschlechtern und für den extensometrischen Messfehler, verursacht durch die Wärmeausdehnung der Klemmbacken, ist ein Wert ermittelt worden, der niedriger ist als die intrinsische Auflösung eines in einer Siliciumdioxidfaser photoinduzierten Standard-Bragggitters, deren Mantel aus Polyimid ist und eine Standarddicke von 10 μm aufweist, wenn die Länge der Klemmbacken 10 mm nicht überschreitet.
Schließlich kann man vorsehen, dass jede Klemmbacke eine Außenoberfläche mit der Form eines konischen Teilstücks umfasst, wobei jede Außenoberfläche mit einer komplementären konischen Innenoberfläche kooperieren kann, die in einem Klemmbackenträger vorgesehen ist. Indem man zum Beispiel eine komplementäre konische Fläche konzipiert, deren in einer Ebene gemessener Konuswinkel ihre Symmetrieachse unter ungefähr 7° schneidet, genügt eine einfaches Klemmen mit der Hand, damit die Befestigungsvorrichtung Zugkräften von ungefähr 20 N standhält. Zudem, wie weiter oben angegeben, sind durch ein stärkeres Klemmen mit Hilfe eines angepassten Werkzeugs Zugkräfte bis ungefähr 50 N möglich, ohne dass der Kern der optischen Faser beschädigt wird, wenn die Geometrie der Klemmbacken so konzipiert ist, dass sie bei maximaler Schließung eine Öffnung freilassen, deren Durchmesser wenigstens gleich dem des Kerns der Faser ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden detaillierten, nicht einschränkenden Beschreibung hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1 ist eine Schnittansicht einer Befestigungsvorrichtung zur Realisierung der vorliegenden Erfindung.
Die 2 ist eine partielle Draufsicht der in der 1 dargestellten Befestigungsvorrichtung, wenn die Backen der Vorrichtung eine Klemmposition einnehmen.
Die 3 ist eine Schnittansicht gemäß der Linie III-III der 2, die die Kooperation zwischen den Klemmbacken und der in sie eingespannten optischen Faser darstellt.
Die 4 ist eine partielle Draufsicht eines Befestigungssystems nach einer bevorzugten Realisierungsart der Erfindung, wenn die Backen der Vorrichtung eine Klemmposition einnehmen.
Die 5 ist eine Schnittansicht gemäß der Linie V-V der 4, die die Kooperation zwischen den Klemmbacken und der in sie eingespannten optischen Faser darstellt.
DETAILLIERTE DARSTELLUNG BEVORZUGTER REALISIERUNGSARTEN
In 1 sieht man eine Befestigungsvorrichtung 1 einer Faser 2 nach einer bevorzugten Realisierungsart. In der gesamten Beschreibung wird der Begriff "optische Faser" verwendet, aber es ist selbstverständlich möglich, diese Erfindung auf jedes Element des Faserntyps anzuwenden, das einen steifen und spröden Kern umfasst, der von einem mechanisch verformbaren Mantel umgeben ist.
Dieser Typ einer Vorrichtung 1 kann in unterschiedlichen Systemen verwendet werden und noch spezifischer in Systemen, wo die optische Faser 2 wenigstens einer mechanischen Beanspruchung wie etwa einer Zugkraft ausgesetzt ist.
Die Befestigungsvorrichtung 1 kann zum Beispiel in einen Extensometer mit wenigstens einem Bragggitter integriert werden, zum Beispiel zur Überwachung von Kunstwerken, oder in faseroptische Bragggitter-Sensoren des Typs Druck- oder Gasdichtesensor. Die Vorrichtung 1 kann auch in mechanischen Rheologie-Prüfmaschinen verwendet werden, um die optische Faser einzuspannen, deren technische Charakteristika, zum Beispiel die Zugfestigkeit, zu bestimmen sind. Bei der Mehrheit der Systeme, wo die Befestigungsvorrichtung 1 verwendet wird, sind generell zwei dieser Vorrichtungen notwendig, um jedes der beiden Enden der optischen Faser 2 einzuspannen.
Die Befestigungsvorrichtung 1 umfasst mehrere Klemmbacken 4, verteilt um eine Hauptachse 6 der Vorrichtung 1 herum, die zusammenfällt mit der Längsachse der Faser 2, wenn diese in die Vorrichtung 1 eingespannt ist. Die Klemmbacken 4 sitzen in einen Backenträger 8, wobei dieser letztere in irgend einen mechanischen Träger montiert sein kann (nicht dargestellt, zum Beispiel durch Verschraubung mittels eines Gewindes auf seiner Außenoberfläche 9. Jeder der Klemmbacken 4 hat eine Außenoberfläche 10 mit der Form eines konischen Teilstücks, die mit einer komplementären konischen Innenoberfläche 12 kooperiert, die bei dem Backenträger 8 vorgesehen ist. Die Aktivierung eines Klemmsystems (nicht dargestellt) der Vorrichtung 1 ermöglicht also, die Backen 4 auf der komplementären konischen Innenoberfläche 12 nach oben gleiten zu lassen und folglich eine radiale Klemmung der optischen Faser 2 zu bewirken, die sich zwischen den Backen 4 befindet. Vorzugweise umfasst die eingeklemmte optische Faser 2 außerhalb des in Kontakt mit der Vorrichtung 1 befindlichen Teils wenigstens ein Bragggitter (nicht dargestellt). Anzumerken ist, dass die Befestigungsvorrichtung 1 selbstklemmend konzipiert werden kann, so dass die Radialkompression der durch die Vorrichtung 1 und die Faser 2 gebildeten Einheit durch einen einfachen Zug an dieser letzteren möglich ist, und dies aufgrund der Nichtnullreibung zwischen den Backen 4 und der Außenoberfläche des Mantels der optischen Faser 2. Zudem ist die Befestigung der optischen Faser 2 in der Vorrichtung 1 an jedem Punkt dieser Faser möglich, da ihre Befestigung in der Vorrichtung 1 nur eine einfache mechanische Klemmung ist.
Präzisiert sei, dass bei einem Konuswinkel A von ungefähr 7° und einer Länge L des Backenträgers 8 von ungefähr 14 mm bei einem Außendurchmesser D von ungefähr 10 mm die manuelle Aktivierung des Klemmsystems der Vorrichtung 1 ermöglicht, eine optische Faser einzuspannen, deren Mantelaußendurchmesser 150 μm beträgt, ohne Gleiten oder Reißen bei Zugkräften, die 20 N erreichen können. Außerdem ermöglicht die Aktivierung des Klemmsystems mit Hilfe eines entsprechenden Werkzeugs, die Zugkraft bis auf einen Wert von 50 N zu erhöhen.
Die 2 und 3 illustrieren die Klemmbacken 4 der Klemmvorrichtung 1 der 1 noch genauer, wenn sie in einer Klemmposition sind und wenn sie mit einer optischen Faser 2 kooperieren. Aus Gründen der Klarheit ist in der 2 nur der Kern 24 der optischen Faser 2 in Kooperation mit den Klemmbacken 4 dargestellt worden.
Die beschriebene bevorzugte Realisierungsart der Befestigungsvorrichtung 1 umfasst 3 Klemmbacken. Natürlich könnte die Anzahl der vorgesehenen Klemmbacken 4 größer sein, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Um die optische Faser 2 in der Vorrichtung 1 festzumachen, hat jede der Klemmbacken 4 eine Innenfläche 14, die sich aus einem Mittelabschnitt 16 und zwei Endabschnitte 18 und 20 zusammensetzt, die sich beiderseits des Mittelabschnitts 16 befinden.
Wie die 2 deutlich zeigt, berühren sich die Klemmbacken in der Klemmposition gegenseitig, so dass sie einen relativ gleichmäßigen Druck auf die Faser 2 ausüben. Mit anderen Worten ist ein Querschnitt der Innenoberflächen 14 gemäß irgendeiner zu der Hauptachse 6 der Vorrichtung 1 senkrechten Ebene eine geschlossene Linie, wenn die Backen 4 maximal geschlossen sind.
Die verwendeten Backen 4, die vorzugsweise eine Länge l von ungefähr 12 mm aufweisen, ermöglichen also, die Faser 2 einzuspannen. Die Vorrichtung 1 ist dann so konzipiert, dass die Klemmung der Faser 2 nur den mechanisch deformierbaren Mantel 22 verformt, der zum Schutz des Kerns 22 der Faser 2 vorgesehen ist. Es werden also durch diese Klemmung weder die Charakteristik der optischen Übertragung der Faser 2 noch ihre mechanischen Eigenschaften verändert, und dies dank des mechanisch deformierbaren Mantels 22 aus Polymer, während der Kern 24 dieser Faser üblicherweise aus Siliciumdioxid ist. Der optimale Einspanndruck der Faser 2, der eine Deformierung des Mantels 22 verursacht, ohne den Kern 24 zu deformieren, beträgt ungefähr 10⁸ Pa für einen Mantel 22 aus Polyimid mit ungefähr 10 μm nominaler Dicke, was seiner mittleren Dicke entspricht, wenn er noch nicht komprimiert worden ist.
Die Klemmbacken 4 werden vorzugsweise aus einem ausreichend steifen Material hergestellt, um bei dem Kontakt mit dem Mantel 22 der Faser 2 nicht deformiert zu werden, wenn sie sich in der Klemmposition befinden. Um der Verformung des mechanisch deformierbaren Mantels 22 standzuhalten, ohne selbst deformiert zu werden, sind die Klemmbacken 4 vorzugsweise aus Metall.
Wie in der 3 zu sehen, entfernen sich die den Mittelabschnitt 16 verlängernden Endabschnitte 18 und 20 progressiv von der Achse 6 der Vorrichtung 1. Diese spezifische Charakteristik hat den Zweck, die Scherung des mechanisch verformbaren Mantels 22 dort zu verringern, wo die erzeugte Scherspannung theoretisch am höchsten ist, nämlich am Ende der Klemmbacken 4. Auf diese Weise wird der mechanisch verformbare Mantel 22 progressiv längs wenigstens eines Teils jedes Endabschnitts 18 und 20 deformiert und komprimiert und ermöglicht folglich der optischen Faser 2, große Zugkräfte auszuhalten ohne zu reißen oder mechanisch beschädigt zu werden.
Die "weiche" Geometrie der Innenoberflächen 14 der Backen 4 ermöglicht auch die Zugbeanspruchung der Faser 2 gemäß einer Achse, die sich von der Hauptachse 6 der Vorrichtung 1 um einen Winkel von einigen Grad entfernt, ohne ein Reißen dieser Faser bei ihrer Handhabung zu verursachen.
Vorzugsweise sind die Klemmbacken 4 so konzipiert, dass, wenn sie ihre Klemmposition einnehmen, nur ein Teil von jedem Endabschnitt 18 und 20 jedes Backens mit dem verformbaren Mantel 22 der Faser 2 Kontakt hat. Man kann zum Beispiel vorsehen, dass der Teil jedes der Abschnitte 18 und 20, der mit der Faser 2 Kontakt hat, in Bezug auf seine Fläche einem Drittel der Gesamtfläche des betreffenden Endabschnitts 18, 20 entspricht. Also wird an dem Übergang zwischen irgend einem der Endabschnitte 18, 20 und dem Mittelabschnitt 16 der Innenoberfläche 14 der mechanisch verformbare Mantel 22 maximal komprimiert, ohne dass das den Mantel 22 bildende Material exzessiv deformiert wird, und dies weit unterhalb des Beschädigungsschwellenwerts des Kerns 24 der Faser 2, während die Druckbeanspruchung progressiv abnimmt, bis der verformbare Mantel 22 den Kontakt mit dem Endabschnitt 18, 20 verliert und zu seinem nominalen Außendurchmesser zurückkehrt.
Bei der beschriebenen bevorzugten Realisierungsart der Befestigungsvorrichtung 1 nach der Erfindung sind die Endabschnitte 18 und 20 jedes Klemmbackens 4 Flächen, deren Querschnitt gemäß irgendeiner durch die Hauptachse 6 der Vorrichtung 1 verlaufenden Ebene eine gekrümmte Linie ist. Diese Lösung erleichtert die progressive Verformung des mechanisch deformierbaren Mantels 22 sowie die Verringerung der auf diese optische Faser 2 wirkenden Scherung sehr.
Vorzugsweise kann man vorsehen, dass die gekrümmte Linie die Form eines Kreisbogens hat, der sich über eine Länge bzw. Höhe l₁ erstreckt, die ungefähr 1/6 der Gesamtlänge l des Klemmbackens 4 längs derselben Achse entspricht.
Die 2 und 3 zeigen auch, dass bei jedem Klemmbacken 4 die Innenoberfläche 14 eine Fläche ist, deren Querschnitt gemäß irgend einer zur Hauptachse der Vorrichtung senkrechten Ebene ein Kreisbogen mit einem größeren Durchmesser als der Außendurchmesser des mechanisch verformbaren Mantels 22 ist. Festzustellen ist, dass dieser Kreisbogen über den gesamten Mittelabschnitt 16 konstant ist. Wenn sich aber diese zu der Achse senkrechte Ebene von dem Mittelstück 16 entfernt und einen der beiden Endabschnitte 18 oder 20 schneidet, nimmt der Radius dieses Kreises zu. Beispielsweise, wie zu sehen in der 2, wird die dem Querschnitt der Innenoberflächen 14 entsprechende geschlossene Linie auf Höhe der Mittelabschnitte 16 durch drei identische Kreisbögen gebildet, deren Enden paarweise verbunden sind.
Man sieht außerdem, dass die Innenoberflächen 14 so konzipiert sind, dass, wenn die Backen 4 sich in ihrer Klemmposition befinden, die Mittelabschnitte 16 einen seitlich abgeschlossenen Raum definieren, der so dimensioniert ist, dass er ausreichend groß ist, um eine optische Faser 2 ohne mechanisch verformbaren Mantel aufzunehmen zu können. Mit anderen Worten: wenn die Klemmbacken 4 maximal geschlossen sind, wie dargestellt in der 2, bilden diese Backen 4 in jeder zur Hauptachse 6 senkrechten Ebene eine geschlossene, auf die Achse 6 zentrierte Linie, deren kleinster Abstand von dieser Achse wenigstens gleich dem Außenradius des steifen und spröden Kerns 24 der Faser 2 ist. Bei einer solchen Konzeption wird der Kern 24 der Faser 2 also nicht deformiert beim Schließen der Backen 4, im Gegensatz zum mechanisch verformbaren Mantel 22 aus Polymer, dessen Young-Modul im Falle eine Standardfaser mit Polyimidmantel ungefähr 30 Mal niedriger ist als der des Siliciumdioxidkerns 24.
Um die schädlichen Auswirkungen der Scherung auf die Faser 2 weiter zu verringern, können die Übergänge zwischen dem Mittelabschnitt 16 und den Endabschnitten 18 und 20 poliert werden, um die Konzentration der Scherungskräfte auf Höhe dieser Übergänge zu minimieren. Es ist dann möglich, mit den üblichen Mitteln eine mikrometrische Politur der Oberflächen durchzuführen, die dazu bestimmt sind, mit einer optischen Faser in Kontakt zu kommen.
Eine bevorzugte Realisierungsart der vorliegenden Erfindung, dargestellt in den 4 und 5, unterscheidet sich nur durch die Geometrie der Innenoberfläche 114 der Backen 4 und die Anzahl dieser Backen 4 von der oben beschriebenen Realisierung.
Tatsächlich sind die Klemmbacken 4 identisch, vier an der Zahl und haben immer Kontakt miteinander, wenn sie ihre Klemmposition zum Einspannen der Faser 2 einnehmen. Selbstverständlich könnte die Anzahl höher sein als dieser Wert 4, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Wie vorhergehend umfasst jeder Klemmbacken 4 der Vorrichtung 1 eine Innenoberfläche 114 mit einem Mittelabschnitt 116, verlängert durch zwei Endabschnitte 118 und 120, die sich progressiv von der Hauptachse 6 der Vorrichtung 1 entfernen. Zudem weisen diese Abschnitte 116, 118 und 120 der Innenoberfläche 114 ähnliche Dimensionen wie die Abschnitte 16, 18 und 20 der vorhergehenden Realisierung auf.
Die 5, in der die Kooperation zwischen den Backen 4 und der optischen Faser 2 dargestellt ist (wobei in der 4 die optische Faser aus Gründen der Klarheit nicht dargestellt ist), zeigt insbesondere, dass die Endabschnitte 118 und 120 Flächen sind, deren Querschnitt gemäß irgend einer durch die Hauptachse 6 der Vorrichtung 1 verlaufenden Ebene ein Geradensegment ist. Außerdem ist die Innenoberfläche 114 eine Fläche, deren Querschnitt gemäß irgend einer zu der Hauptachse 6 der Vorrichtung 1 senkrechten Ebene ein Geradensegment ist.
Mit anderen Worten kann man vorsehen, dass der Mittelabschnitt 116 der Innenoberfläche 114 eine ebene Fläche ist, und dass die Endabschnitte 118 und 120 ebenfalls ebene Flächen des Fasentyps sind. Jedenfalls, wenn die Backen 4 ihre Klemmposition einnehmen, ist ein Querschnitt der Innenoberflächen 114 gemäß irgend einer zu der Hauptachse 6 der Vorrichtung 1 senkrechten Ebene eine geschlossene Linie des Typs, der ein Quadrat bildet. Wenn der Querschnitt der Innenoberflächen 114 auf einem beliebigen Niveau der Mittelabschnitte 116 genommen wird, ist dieser Querschnitt immer identisch und die Länge der Seite dieses Quadrats ist strikt größer als der Durchmesser des Kerns 24 der optischen Faser 2. Hingegen nimmt der quadratische Querschnitt auf Höhe der Endabschnitte 118 und 120 aufgrund des Vorhandenseins der Fasentyp-Flächen in dem Maße zu, wie er sich von dem Mittelabschnitt 116 entfernt.
Bei der Herstellung solcher Klemmbacken 4, die aufgrund der Planeität der Oberflächen durch maschinelle Bearbeitung oder Politur besonders leicht zu realisieren sind, müssen die Übergänge zwischen dem Mittelabschnitt 116 und den Endabschnitten 118 und 120 besonders sorgfältig poliert werden, zum Beispiel mikrometrisch. Auf diese Weise und so wie oben in Verbindung mit der vorhergehenden Realisierungsart beschrieben, weist die Innenoberfläche 114 keinen spitzen Winkel auf, was zu einer Reduzierung der Konzentration der Scherkräfte bei der eingespannten Faser 2 führt. Mit anderen Worten gehen die Endabschnitte 118 und 120 und der Mittelabschnitt 116 jeder Innenoberfläche 114 tangential ineinander über, so dass ihre Durchschneidung mit irgend einer durch die Hauptachse der Vorrichtung verlaufenden Ebene eine kontinuierlich gekrümmte Linie ohne einen Winkelpunkt ist.
Da die plane Geometrie der Mittelabschnitte 116 an eine gleichmäßige Komprimierung des Mantels 22 weniger angepasst ist als die gekrümmte Geometrie der vorhergehenden Realisierungsart, müssen die Mittelabschnitte 116 folglich einen sehr guten Oberflächenzustand aufweisen, um lokale Überdrücke zu vermeiden. Die Überdrücke können dann vermieden werden, indem man bei der Realisierung der Mittelabschnitte 116 Bearbeitungstoleranzen der Größenordnung +0 und –0,005 vorsieht.
Ebenso wie bei der vorhergehenden Realisierungsart wird der mechanisch verformbare Polymermantel 22 der optischen Faser 2 progressiv längs der Endabschnitte 118 und 120 verformt, bis er den Kontakt mit diesen Abschnitten verliert und seinen nominalen Außendurchmesser wiederfindet. Zudem ist das Verhältnis zwischen der Oberfläche der Teile der Endabschnitte 118 und 120 in Kontakt mit dem Mantel 22 und der Gesamtfläche dieser Oberflächen ähnlich wie das in Verbindung mit der oben beschriebenen bevorzugten Realisierungsart angegebene.
Versuche haben gezeigt, dass bei einer Länge l der Backen 4 von ungefähr 12 mm die Befestigungsvorrichtung 1 fähig ist, eine optische Faser 2 bei einer Zugkraft von ungefähr 50 N ohne Gleiten oder Reißen festzuhalten. Diese Versuche sind mit einer optischen Faser 2 durchgeführt worden, die – mit einem Standardpolyimidmantel – einen nominalen Außendurchmesser von 150 μm hatte, aber die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung 1 kann selbstverständlich optische oder andere Fasern mit größeren Durchmesser festhalten.
Außerdem ist die oben in zwei bevorzugten Realisierungsarten präsentierte Befestigungsvorrichtung besonders gut an hohe Temperaturen von etwa 200 °C angepasst, wenn die Elemente der Vorrichtung 1 aus Metall und vorzugsweise nichtoxidierbar sind. Bei Klemmbacken 4 mit einer Länge l von ungefähr 10 mm ist die Wärmedehnung extrem klein und wirkt sich nicht auf die durchgeführten extensometrischen Messungen aus. Wenn sich die Klemmbacken jedoch über eine deutlich größere Länge erstrecken, zum Beispiel über 100 mm, wird die Wärmedehnung der Klemmbacken vorteilhafterweise neutralisiert, damit die zwischen diesen Backen 4 durchgeführten Messungen nicht fehlerhaft sind. Um diesem Problem zu begegnen, ist es möglich, die Klemmbacken 4 aus metallischen Werkstoffen mit geringer Wärmedehnung zu machen oder eine mechanische Kompensationsmontage vorzusehen.
Außerdem ist die Geometrie der Innenoberflächen 14 und 114 natürlich nicht auf diejenigen beschränkt, die in den beiden oben beschriebenen bevorzugten Realisierungsarten beschriebenen werden. Zum Beispiel könnte die Geometrie der Innenoberflächen aus einer Kombination der beiden präsentierten Geometrien resultieren, um einen gekrümmten Mittelabschnitt und plane Endabschnitte zu erhalten oder umgekehrt.
Selbstverständlich kann der Fachmann an den oben nur beispielhaft und keinesfalls einschränkend beschriebenen Befestigungsvorrichtungen 1 für optische Fasern 2 diverse Modifikationen vornehmen.
Schließlich, wie oben erwähnt, kann diese Befestigungsvorrichtung 1 in den Aufbau jedes Sensortyps integriert werden, der zur Ermittlung einer Größe bestimmt ist, die mittels der Längenänderung eines Drahts, eines Rohrs oder einer spröden Faser mit einem mechanisch deformierbaren Mantel, also insbesondere einer optischen Faser, gemessen wird. Bei diesen faseroptischen Sensoren eignet sie sich besonders gut für die Bragggitter-Sensoren, die sehr kleine Längenänderungen zwischen zwei Befestigungspunkten einer Faser detektieren, die eines oder mehrere dieser Gitter aufweist.

Claims

System, eine Befestigungsvorrichtung (1) und eine durch die Vorrichtung (1) festgehaltene Faser (2) umfassend, die einen starren und spröden Kern (24) enthält, umgeben von einem mechanisch verformbaren Mantel (22), wobei die genannte Faser (2) wenigstens einer mechanischen Belastung ausgesetzt werden kann und die mechanische Vorrichtung (1) eine Vielzahl von Klemmbacken (4) umfasst, die um eine Hauptachse (6) der Vorrichtung (1) herum verteilt sind und eine Klemmstellung einnehmen, wobei jede Klemmbacke (4) eine Innenoberfläche (14, 114) umfasst, gebildet durch einen Mittelabschnitt (16, 116) und zwei Endabschnitte (18, 20, 118, 120), und die Endabschnitte (18, 20, 118, 120) so realisiert sind, dass sie den Mittelabschnitt (16, 116) verlängern indem sie sich progressiv von der Hauptachse (6) der Vorrichtung (1) entfernen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt der Innenoberflächen (14, 114) gemäß irgend einer zu der Hauptachse (6) der Vorrichtung (1) senkrechten Ebene eine geschlossene Linie ist, und dadurch, dass nur ein Teil von jedem der Endabschnitte (18, 20, 118, 120) den mechanisch verformbaren Mantel (22) der Faser (2) berührt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endabschnitte (118, 120) jeder Klemmbacke (4) Oberflächen sind, von denen ein Querschnitt gemäß irgend einer durch die Hauptachse (6) der Vorrichtung (1) verlaufende Ebene ein Geradensegment bzw. ein Segment einer Geraden ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endabschnitte (18, 20) jeder Klemmbacke (4) Oberflächen sind, von denen ein Querschnitt gemäß irgend einer durch die Hauptachse (6) der Vorrichtung (1) verlaufenden Ebene eine gekrümmte Linie ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche (14, 114) jeder Klemmbacke (4) eine Oberfläche ohne scharfen Winkel ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche (14) jeder Klemmbacke (4) eine Oberfläche ist, von der ein Querschnitt gemäß irgend einer zu der Hauptachse (6) der Vorrichtung (1) senkrechten Ebene ein Kreisbogen ist, dessen Radius größer ist als der nominale Außendurchmesser des mechanisch verformbaren Mantels (22).
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche (114) jeder Klemmbacke (4) eine Oberfläche ist, von der ein Querschnitt gemäß irgend einer zu der Hauptachse (6) der Vorrichtung (1) senkrechten Ebene ein Geradensegment ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmbacken (4) der genannten Vorrichtung (1) metallische Klemmbacken sind.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Klemmbacke (4) auch eine Außenoberfläche (10) mit der Form eines konischen Teilstücks umfasst, wobei jede Außenoberfläche (10) mit einer komplementären konischen Innenoberfläche (12) eines Klemmbackenträgers (8) der genannten Vorrichtung (1) kooperieren kann.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser eine optische Faser ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Extensometer und/oder einem Bragg-Gitter-Glasfasersensor verwendet werden kann.