DE8915071U1 - Temperature-insensitive fiber optic strain sensor - Google Patents
Temperature-insensitive fiber optic strain sensorInfo
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Description
Fl 4887 "J.^ .. .. 21.12.89Fl 4887 "J.^ .. .. 21.12.89
Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter &iacgr; sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an optical waveguide sensor according to the preamble of claim 1.
In DS 3o ZQ 966 Al iöt aJ.n LVL-Senecr für Süßkräfte (ein LVL-Dehnuügssensor) beschrieben, bei dem um den LVL mindestens eine Vends! eines Ketallirafetes oder eines Gl«sfadetis geseilt, und darum eine draht förmigs, zugfeste UtöiyüuTig aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) aufgebracht ist. Ausführusgsbeispiel: Primärbeschichteter LVT' mit 0,2 mm Außendurchmesser, Vendel aus Stahldraht von 0,0.3 mm Stärke, Schlaglänge im mm-Bereich, GFK-Umhüllung mit etwa 2 mm Außendurchmesser. Das Zusammenspiel der Parameter LVL-Vendel-ümhüllung ist diffizil und schwer reproduzierbar, so daß die Herstellung eines solchen LVL-Sensors aufwendig ist.DS 30 ZQ 966 describes an LVL sensor for strain gauges (an LVL strain sensor) in which at least one strand of a ketal or glass fiber reinforced plastic (GRP) is wound around the LVL and a wire-shaped, tensile-resistant sheath made of glass fiber reinforced plastic (GRP) is applied around it. Example: Primary coated LVT with 0.2 mm outer diameter, strand made of steel wire with a thickness of 0.03 mm, lay length in the mm range, GRP sheath with an outer diameter of around 2 mm. The interaction of the parameters LVL-strand-sheath is complex and difficult to reproduce, so that the manufacture of such an LVL sensor is complex.
Eine Verbesserung wird bei dom in DE 89 00 090.9 Ul beschriebenen LVL-Sensor für kleine Zug- oder Druckkräfte (LVL-Dehnungssensor) erreicht. Bei ihm 1st wesentlich, daß zwei Vendel&eegr; aus einem Ketal ldraht oder Glasfaden im Kreuzschlag um den primärbeschichteten LVL geseilt sind. Ausführungsbeispiel: Kultimode-LVL SO/125/175 (Kern-ZKanteWPrimarbeschichtung-Durchmesser in &mgr;&eegr;», Stahldraht 0,09 mm stark, Schlaglänge 10 mm, GFK-UmhUllung wie zuvor. Dieser LVL-Sensor 1st immer noch temperaturempfindlich, so daß zu seinem einwandfreien Funktionieren einiger Aufwand erforderlich ist.An improvement is achieved with the LVL sensor for small tensile or compressive forces (LVL strain sensor) described in DE 89 00 090.9 Ul. It is essential that two coils made of a ketal wire or glass thread are wound in a cross lay around the primary coated LVL. Example: Kultimode LVL SO/125/175 (core-edge-primary coating diameter in μη», steel wire 0.09 mm thick, lay length 10 mm, GRP sheath as before. This LVL sensor is still temperature sensitive, so that some effort is required for it to function properly.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen solchen LVL-Sensor so auszubilden, daß er temperatur-unempfindlich ist.Therefore, the object of the invention is to design such an LVL sensor in such a way that it is temperature-insensitive.
Die Lösung dieser Aufgabe ist mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Sie besteht im wesentlichen darin,The solution to this problem is specified by the characterizing features of claim 1. It essentially consists in
Fl 4887 ' ""-&- " " 23.12.89Fl 4887 '""-&-"" 23.12.89
daß um den zentralen LVL anstelle von zwei Stahldrähten oder Glasfäden zwei weitere LWL im Kreuzschlag geseilt sind.that instead of two steel wires or glass threads, two additional optical fibres are laid in a cross lay around the central optical fibre.
g; Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen des er-H fiuaungsgemäßen LWL-Sensors, so die Ansprüche 2 und 3 die LWL, , und 5 die Umhüllung, und 6 den Sensor mit Meßeinrichtung.g; The subclaims relate to advantageous developments of the optical fiber sensor according to the invention, thus claims 2 and 3 the optical fiber, , and 5 the casing, and 6 the sensor with measuring device.
, iiie Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Temperaturempfindlichkeit der vorbekannten LWL-Sensoren von der Verschiedenheit H ihrer baubedingtsn Material- und Verseil parameter >.errüfert. Diese % haben einen großen Einfluß auf die Sensoreigenschaften. Insbeson-, iiiThe invention is based on the knowledge that the temperature sensitivity of the previously known fiber optic sensors depends on the difference H in their construction-related material and stranding parameters. These % have a great influence on the sensor properties. In particular
&xgr; dere sind die Grunddämpfung, die möglichst klein sein sollte, und % die Sensorempfindlichkeit, die möglichst groß sein sollte, von der H Spannung abhängig, mit der die Verseilpartner umeinandergelegt Ü (und ferner die Umhüllung darumgelegt) sind. Wenn mm, wie es auf- £ grund der Elastizitätsverhältnisse zweckmäßig erscheint, um den zentralen LVL ein oder zwei Stahldrähte gesellt sind, so ergeben sich bei Temperaturveränderungen aufgrund der stark unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Quarz und Stahl starke Spannungsein- [- Wirkungen auf den LVL. Sind dagegen um den zentralen LVL zwei k weitere LVL, geseilt, so ist dies ausgeschlossen.In particular, the basic attenuation, which should be as small as possible, and the sensor sensitivity, which should be as high as possible, depend on the tension with which the stranding partners are wrapped around each other (and the sheath is wrapped around them). If, as seems appropriate due to the elasticity, one or two steel wires are wrapped around the central LVL, then changes in temperature will result in strong stress effects on the LVL due to the very different thermal expansion of quartz and steel. If, on the other hand, two further LVLs are wrapped around the central LVL, this is impossible.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß man nun einen tempe- : ratui—unempfindlichen LVL-Dehnungssensor hat. Hinzu kommt, daß man nun zwai zusätzliche LVL zur Verfügung hat, was die Meßmoglichkei ten srheblich erweitert.The advantage of the invention is that you now have a temperature-insensitive LVL strain sensor. In addition, you now have two additional LVLs available, which significantly expands the measurement options.
Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung lsi in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Ee zeigen Jeweils als Prinzipbild:An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below. They show the following as a schematic diagram:
- Fig. 1 einen LVL-Dehnungssensor mit einem zenralen LVL und ?.wei LVL-Kreuzwendeln darum, und- Fig. 1 an LVL strain sensor with a central LVL and ?.two LVL cross coils around it, and
- Flg. 2 die Anschaltung von Lichtsender und Lichtempfängorn an diesen Sensor.- Fig. 2 the connection of the light transmitter and light receiver to this sensor.
VIe Flg. 1 zeigt, sind um den zentralen, primärbeschichteten Lichtwellenleiter (LVL) Ll die beiden Vendeln L2 und L3, die eben-As shown in Fig. 1, the two venules L2 and L3 are arranged around the central, primary coated optical waveguide (LVL) L1, which are also
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Fl 4867 *-«:y- ·' ·' 21.12.69Fl 4867 *-«:y- ·' ·' 21.12.69
falls primärbeschichtete Lichtwellenlelter sind, mit der Schlaglänge S Im Kreuzschlag verseilt. Als Schutzhülle U let wie bekannt ein dem Verseilverband unmittelbar anliegender, drahtförmlger Mantel aus glasfaserverstärktem Polyesterharz vorgesehen.if primary coated optical fibers are used, they are stranded with a lay length S in a cross lay. As a protective cover U, a wire-shaped sheath made of glass fiber reinforced polyester resin is provided, which is directly adjacent to the stranded structure.
Alle drei LWL sind hier MuItlraode-/Gradienten-LWL mit folgenden AuBendurchmessern: Kern 50 &mgr;&igr;&ogr;, Mantel 125 &mgr;&igr;&eegr; und Primärbeschlchtung aus tJV-Acrylat 250 &mgr;&igr;&eegr;. Bs sind aber auch andere LVL-Typen, so j Monomode-LWL, einsetzbar. Ebenso sind verschiedene LVL-Typen für J die verschiedenen LWL Ll, L2 und L3 des Sensors einsetzbar.All three fiber optic cables are multimode/gradient fiber optic cables with the following external diameters: core 50 μm, cladding 125 μm and primary coating made of tJV acrylate 250 μm. However, other LVL types, such as single-mode fiber optic cables, can also be used. Likewise, different LVL types can be used for the different fiber optic cables L1, L2 and L3 of the sensor.
Die Schlaglange S der LWL-Wendeln L2 und L3 und damit die Lage ihrer Kreuzungspunkte K sind beliebig variierbar. Um die Empfindlichkeit des Sensors zu erhöhen paßt man, wie bekannt, die Schlaglänge der LWL-Wendeln an die Pitchlänge (das ist die doppelte Linsenbrennweite der durch einen LWL simulierten Sammellinsenfolge) des zentralen LWL an, indem das Verhältnis beider mit &eegr; : 1 und &eegr; = 3, 4, 5 ... > 10 gewählt wird.The pitch length S of the fiber optic coils L2 and L3 and thus the position of their crossing points K can be varied as desired. To increase the sensitivity of the sensor, as is known, the pitch length of the fiber optic coils is adapted to the pitch length (this is twice the focal length of the converging lens sequence simulated by a fiber optic cable) of the central fiber optic cable by selecting the ratio of both with η : 1 and η = 3, 4, 5 ... > 10.
Bekanntlich kann man einen Gradienten-LWL als Linsenleitung beschreiben. Somit muß Jede Störung des LWL durch an den Wendel-Kreuzungspunkten K punktuell aufgebrachten Druck zu inneren Abbildungsfehlern führen und somit einen deutlichen Lichtverlust durch Dämpfung hervorrufen, insbesondere wenn die Schlaglänge der Wendeln der Pitchlänge des zentralen LWL angepaßt ist. Demnach sind Verseilungen mit Partnern von ungleicher thermischer Längenausdehnung immer gegenüber Verseilungen mit gleichen Partnern im Fachteil,· weil sie starke Druckänderungen als Funktion der Temperatur und damit starke Dämpfungsänderungen bewirken, letztere aber nicht.As is well known, a gradient fiber optic cable can be described as a lens cable. So any disturbance of the fiber optic cable caused by pressure applied at specific points at the spiral crossing points K must lead to internal imaging errors and thus cause a significant loss of light through attenuation, especially if the pitch length of the spirals is adapted to the pitch length of the central fiber optic cable. Accordingly, strandings with partners of unequal thermal length expansion are always in the compartment compared to strandings with the same partners,· because they cause strong pressure changes as a function of temperature and thus strong attenuation changes, but the latter do not.
Mit einem erfindungsgemäßen LWL-Sensor, der aus 3 Quarz-LWL 50/ ; 125/250 aufgebaut ist, kann man eine weitgehende Temparaturinvari- -f anz der Dämpfung erreichen. Messungen ergaben 0,3 dB / 80 0C für eine Gesamtlänge von 20 m.With an inventive fiber optic sensor, which is made up of 3 quartz fiber optic cables 50/; 125/250, a high degree of temperature invariance of the attenuation can be achieved. Measurements showed 0.3 dB / 80 0 C for a total length of 20 m.
Eine weitere Verbesserung deutet sich an, wenn die Schutzhülle UA further improvement is indicated when the protective cover U
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um den Verseilverband der 3 LWL ein Rohr aus Metall, Kunststoff oder GPK ist, das den Verseilverband mit geringem Abstand (mm-Bereich) umgibt und in dem er in regelmäßigen größeren Abständen (10 cra-Bereich> festgelegt ist, dies beispielsweise mittels eines Konstruktionsklebers.around the stranded structure of the 3 LWL is a tube made of metal, plastic or GPK, which surrounds the stranded structure with a small distance (mm range) and in which it is fixed at regular larger distances (10 cra range>), for example by means of a construction adhesive.
Fig. 2 zeigt, wie zur Meßeinrichtung den drei LWL des Sensors gemeinsam eine Lichtsendediode (LED) vorgeschaltet und Jedem LWL o< np T 4 ^Y.+ **-wn-r\-fm-ntraA4 /-.H &OHgr; t &Bgr;/-» + &psgr;-tA &lgr; >->*4f»n &Pgr;&Tgr;11 Me &Tgr;&Ggr;&Ggr;&Pgr; % no nkiuusnl» T 4- &bgr;+·Fig. 2 shows how a light emitting diode (LED) is connected in front of the three optical fibers of the sensor for the measuring device and each optical fiber o< np T 4 ^Y.+ **-wn-r\-fm-ntraA4 /-.H &OHgr; t &Bgr;/-» + &psgr;-tA &lgr; >->*4f»n &Pgr;&Tgr;11 Me &Tgr;&Ggr;&Ggr;&Pgr; % no nkiuusnl» T 4- &bgr;+·
ist. Im Gegensatz zu den vorbekannten LWL-Dehnungasensoren, bei denen nur ein LWL zur Messung der Lichtdämpfung zur Verfügung steht, ist bei dem neuen Sensor die Meßsicherheit verdreifacht, da alle drei LWL zur Lichtmessung herangezogen werden. Selbst beim Bruch eines LWL können die beiden anderen LWL ihre Meßaufgabe welter wahrnehmen. Und dementsprechend ist die Betriebssicherheit durch die Abfrage von mehr als einem LWL je Sensor gestiegen.In contrast to the previously known fiber optic strain sensors, where only one fiber optic cable is available to measure the light attenuation, the measurement reliability of the new sensor is tripled, since all three fiber optic cables are used to measure the light. Even if one fiber optic cable breaks, the other two fiber optic cables can still perform their measuring task. And accordingly, operational reliability has increased by querying more than one fiber optic cable per sensor.
Der neue LWL-Sensor dient hauptächlich als Dehnungssensor für Ingenieurbauwerke. Er ermöglicht zuverlässige Messungen auch bei höheren und stark wechselnden Temperaturen.The new fiber optic sensor is primarily used as a strain sensor for engineering structures. It enables reliable measurements even at higher and rapidly changing temperatures.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE8915071U DE8915071U1 (en) | 1989-12-22 | 1989-12-22 | Temperature-insensitive fiber optic strain sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE8915071U DE8915071U1 (en) | 1989-12-22 | 1989-12-22 | Temperature-insensitive fiber optic strain sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE8915071U1 true DE8915071U1 (en) | 1990-04-19 |
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ID=6845746
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE8915071U Expired - Lifetime DE8915071U1 (en) | 1989-12-22 | 1989-12-22 | Temperature-insensitive fiber optic strain sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE8915071U1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4423104A1 (en) * | 1994-07-01 | 1996-01-04 | Leon Helma Christina | Pressure sensitive sensor system |
| DE19530985C1 (en) * | 1995-07-18 | 1996-10-02 | Felten & Guilleaume Energie | Moisture or steam sensor |
| DE19601968A1 (en) * | 1996-01-20 | 1997-07-24 | Deha Com S A | Length-change determining system using optical fibre for building construction parts |
| DE10360309B4 (en) * | 2003-12-18 | 2015-01-22 | Horst Ahlers | Resistive strain sensor |
-
1989
- 1989-12-22 DE DE8915071U patent/DE8915071U1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4423104A1 (en) * | 1994-07-01 | 1996-01-04 | Leon Helma Christina | Pressure sensitive sensor system |
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