NO157434B - Avfoelingsanordning for mekanisk spenning. - Google Patents

Description

En avfølingsanordning for mekanisk spenning omfattende

midler som reagerer under spenningspåvirkning og innbefatter en optisk fiber som kari plasseres der en spenning skal måles, og den optiske fiber er utstyrt med et antall kjerner som er atskilt fra hverandre i et omsluttende ytterlag, hvorved det oppstår en kobling av lys mellom kjernene,

en kilde for avgivelse av lys som ledes inn i den ene av kjernene og overføres, ved kobling, til tilgrensende kjerner på en måte som har forbindelse med spenningen som påvirker den optiske fiber,

samt detektorer innrettet for mottakelse av lysenergien og avgivelse av et elektrisk signal som avhenger av intensiteten av nevnte lys.

Optiske bølgeledere har vært kjent i flere år, og med inn-føringen av lavtapsglass er anordninger som er utstyrt med optiske bølgeledere, kommet til anvendelse i stadig økende antall på mange forskjellige områder, f.eks. som kommunikasjons- og overvåkingsinnretninger. En karakteristisk, optisk bølgeleder består av en dielektrisk kjerne som er fremstilt av et glassmateriale eller lignende med en bestemt brytningsindeks, og som omslutter av et andre materiale, vanligvis også et glassmateriale, med en lavere brytningsindeks. Dette omgivende materiale betegnes generelt som ytterbelegget. En lysstråle ledes gjennom denne sammensatte konstruksjon så lenge at brytningsindeksen for materialet i kjernen overstiger brytningsindeksen for materialet i ytterbelegget. En lysstråle i kjernen ledes stort sett langs kjerneaksen ved refleksjon fra grensesonen mellom kjernen og ytterbelegget.

Det har vært foreslått en rekke forskjellige utforminger av optiske bølgeledere med innbefatning av flermodus-indeksprofilen (the multimode step index profile), enkeltmodusprofilen (the single mode profile) og den graderte flermodus-indeksprofil (the multimode graded index profile). Den optiske enkeltmodus-bølge-leder kommer til anvendelse dersom det ønskes en eneste virke-måte. I en slik bølgeleder er kjernediameteren fortrinnsvis mindre enn 10 nm, mens differansen mellom kjernenes og ytterbeleggets brytningsindeks er av størrelsesorden 10 _3. Dette med-fører at bare modusen av den laveste orden vil opprettholdes i en slik bølgeleder.

Det er videre blitt fremstilt optiske kabler med flere kjerner som er anordnet i mange forskjellige mønstre og anbrakt i et felles ytterbelegg. Systemet er kjent fra US-patentskrift 4.148.560. Det dreier seg i dette tilfelle om en anordning i form av et antall fibrer som er innleiret i et innkapslingsmateriale. Det er i nevnte patentskrift omtalt en optisk bunt som er anordnet mellom to armeringsstrenger og innleiret i et be-skyttelseslag av plastmateriale.

Et fenomen, kjent som "krysstale" mellom kjernene i et felles ytterlag, oppstår når lysenergien som forplantes langs en kjerne, overføres til en tilgrensende kjerne. Dette skyldes, som kjent at lysenergien ikke er fullstendig avgrenset til skillet mellom kjernen og ytterbelegget, men i realiteten trenger et kort stykke inn i ytterbelegget.

Det er konstatert at krysstalefenomenet i en bølgeleder med minst to kjerner vil variere i en viss grad som en funksjon av temperaturen. I en avhandling av N. S. Kapany og J. J. Burke, Optical Waveguides, utgitt i 1972, er det eksempelvis fastslått at det i to tettliggende glassfiberkjerner i et ytterbelegg opp-sto et optisk svevningsfenomen. I fortsettelsen fra side 255 er det beskrevet et eksperiment hvori det optiske svevningsfenomen i den nevnte, optiske bølgeleder varierte i avhengighet av om-givelsestemperaturen .

En temperaturavfølingsanordning, basert på anvendelse av en optisk bølgeleder, er beskrevet i US-patentskrift 4.151.747. En temperaturavfølingsanordning omfatter en optisk bølgeleder. En lyskilde er plassert i den ene ende av bølgelederen, og en detektor er anbrakt i den annen ende. Temperaturforandringer kan deretter spores gjennom variasjoner i det mottatte lys ved detektoren. En annen versjon omfatter to optiske fibrer som er anbrakt side om side i et felles ytterlag. Innfallende lys som ledes langs den ene fiber, trenger ut av fiberveggen i en ut-strekning som varierer med fiberens temperatur. Den andre fiber befinner seg tilstrekkelig nær den første fiber, til å oppfange i hvert fall noe av det uttrengende lys fra den første fiber. Ved overvåking av det mottatte lys i den andre fiber, vil graden av temperaturvariasjon kunne bestemmes.

Av interesse er også kjent en fiber som kan innleires i en kabel og anvendes for sporing av varme punkter. Et antall kjerner i det felles ytterlag er spesielt utformet og anordnet atskilt fra hverandre, slik at krysstalen innledningsvis inntreffer i det punkt hvor temperaturen overstiger et forutfastlagt nivå. Bølge-lengden av lyset som forplantes langs fiberen, kan endres, slik at det varme punkts nøyaktige beliggenhet i kabelens lengderetning kan bestemmes.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe en avfølingsanordning som i særlig grad er egnet for måling av forandringer i hydrostatisk trykk eller spenning. Ved at følsom-heten overfor variasjoner i spenning eller hydrostatisk trykk optimaliseres.

Dette er oppnådd ved at detektorene er anordnet for å motta lys som utgår fra hver av kjernene, og ved at ytterlaget og hver enkelt av kjernene er slik dimensjonert og fremstilt av slike materialer at det bare vil opprettholdes en overføringsmodus av laveste orden, og at både dimensjonene av brytningsindeksene for kjernene og ytterlaget vil forandres p.g.a. den mekaniske spenning, slik at en forandring i intensiteten til det utgående lys fra kjernene forårsaket av modalinterferens mellom modiene til lysenergien som forplantes innenfor kjernene er avhengig av spenningen som påvirker den optiske fiber.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et forstørret, skjematisk riss av et trykk-målersystem som innbefatter en optisk fiber ifølge oppfinnelsen, som er optimalisert for avføling av variasjoner i hydrostatisk trykk. Fig. 2 viser et enderiss av den optiske fiber ifølge fig. Fig. 3A-3D viser skjematiske riss som omfatter mulige virkemåter i den optiske fiber ifølge fig. 1. Fig. 4 viser et enderiss av en annen versjon av den optiske fiber ifølge oppfinnelsen, som innbefatter et andre ytterbelegg. Fig. 5 viser et enderiss av en tredje versjon av den optiske fiber ifølge oppfinnelsen, som innbefatter et andre og et tredje ytterbelegg. Fig. 6 viser en fjerde versjon av den optiske fiber ifølge oppfinnelsen, som innbefatter et flertall kjerner for frem-bringelse av en utvetydig reaksjon over et vidstrakt område for hydrostatiske trykk. , Fig. 7 viser et diagram som angir den relative lysintensitet som en funksjon av svevningsfasen i lysenergien som forplantes langs en femkjerne-fiber. Fig. 8 viser en spenningsføler, innbefattende en optisk fiber ifølge oppfinnelsen, som er fastgjort til et utbøybart sub-strat, for måling av substratets deformasjon. Fig. 9 viser et tverrsnitt av den optiske fiber ifølge fig. 8.

Det henvises innledningsvis til fig. 1 som viser en optisk bølgeleder 10 som er optimalisert for å reagere overfor forandringer i mekanisk spenning eller hydrostatisk trykk i lederens lengderetning, uavhengig av eventuelle temperaturendringer. Den optiske fiber innbefatter minst to kjerner 12 og 14 som ideelt er plassert i en rekke langs diameteren og som strekker seg langs den fulle lengde av den optiske kabel 10. Det er anordnet et ytterbelegg 16 som fullstendig omslutter hver av kjernene 12 og 14 i full lengde av kabelen. Begge kjerner 12 og 14 samt ytterbelegget 16 er fortrinnsvis fremstilt av et glassmateriale eller liknende, og valget av det spesielle materiale for tilvirkning av kjerne og ytterbelegg, kjernedimensjonen, den nøyaktige avstand mellom kjernene, osv. er faktorer som er vesentlig for oppfinnelsen, slik det fremgår av det etterfølgende.

Den optiske bølgeleder er optimalisert for å reagere overfor spenning eller hydrostatisk trykk, og er derfor særlig egnet for å fungere i et system for måling av mekanisk spenning eller hydrostatisk trykk i et fjerntliggende punkt. Et slikt system vil innfatte en kilde 18 som er slik plassert at den overfører en stråle av lysenergi inn i den ene av de to kjerner, kjernen 12. Den optiske fiber 10 strekker seg fra plasseringsstedet for lyskilden 18 til en andre sone, eksempelvis i en beholder 20, hvor det skal måles en fysisk parameter, f.eks. et hydrostatisk trykk. Den optiske fiber strekker seg fra denne andre sone til en ytterligere sone, hvor det utgående lys fra de to kjerner 12 og 14 sammenholdes med intensiteten av den innfallende lysenergi.

Av fig. 2 i tilknytning til fig. 1 fremgår det, slik som kjent, at så lenge brytningsindeksen for ytterbelegget 16 er mindre enn brytningsindeksen for hver av kjernene 12 og 14,

vil den innstrømmende lysenergi i hver kjerne stort-sett.over-føres gjennom den optiske fiber 10. Det eksisterende antall av individuelle modi i kjernene 12 og 14 er en funksjon av kjerne-materialets og ytterlagsmaterialets brytningsindekser, de enkelte kjernedimensjoner og bølgelengden av lys som forplantes gjennom bølgelederen. For et sirkelformet kjernetverrsnitt blir det mulige antall modi bestemt av den V-parameter som er gitt av

forholdet:

hvor a er kjerneradien, X er lysbølgelengden, n^ er kjernens brytningsindeks og ^ er ytterbeleggets brytningsindeks. For det foretrukne, elliptiske tverrsnitt ifølge oppfinnelsen kan V-parameteren bestemmes ved hjelp av ligning (1), idet verdien av a er gitt av den geometriske middelverdi for kjernetverr-snittets store og lille halvakse. Hvis V er mindre enn 2.405 (den første null i Bessel-funksjonen JQ) vil bare en modus av laveste orden, den såkalte HE^-modus, kunne opprettes. Hvis V antar verdier som er meget større enn 2.405, slik det forekommer når middeldiameteren 2a av .hver kjerne 12 er meget større, eller differansen mellom brytningsindeksen for kjernen og for ytterbelegget er større, vil det kunne opprettes mange modi i bølge-lederen.

Som tidligere omtalt i korthet, er det et viktig trekk ved oppfinnelsen at krysstalen mellom de enkelte kjerner i en fler-kjerners bølgeleder foregår i avhengighet av spenning eller hydrostatisk trykk og i uavhengighet av temperaturen, og dette sær-trekk gjør det mulig å måle spenning eller hydrostatisk trykk i fiberens lengderetning. Materialene for fremstilling av kjernen og ytterbelegget i en slik bølgeleder er omhyggelig utvalgt, méd brytningsindekser henholdsvis n^ og n~ for kjernene og ytterbelegget. Den innbyrdes avstand mellom kjernene er liten mens den utvendige diameter av ytterbelegget er stor, slik at opp-tredende vekselvirkninger i grenseflaten som dannes av beleggets yttervegg, ikke innvirker på lysfordelingen i kjernene. Det er videre nødvendig at lyset forplantes i samsvar med modusen av laveste orden, HE^-modusen, som angitt ved den foregående ligning (1) .

Det henvises fortsatt til fig. 1 og 2, og det fremgår, som nevnt, at lyskilden 18 avgir en lysenergistråle som bare faller inn mot den ene av de to kjerner, kjernen 12, i rekken. Lyset er fortrinnsvis polarisert i samme retning som den korte akse i den elliptiske kjerne. Mens lyset forplantes gjennom fiberen vil det, som en funksjon av hydrostatisk trykk eller spenning, foregå krysstale til kjernen 14. Lysfordelingen 1^ og I2 fra fiberens utgangsflater er således en funksjon av spenningen eller det hydrostatiske trykk som påvirker fiberen. Detektorer 22 er utstyrt med polarisasjons-analysatorer, og reagerer derfor bare overfor samme polarisasjon som i det innfallende lys mot kjernen 12. Det har vist seg, at i visse tilfeller vil elliptiske kjerner som er anordnet innbyrdes parallelt og rettvinklet mot forbindelseslinjen mellom kjernesentrene, gi en sterkere koplingseffekt mellom kjernene enn den som oppnås, for samme kjerneareal og samme senteravstand, ved kjerner av sirkelformet tverrsnitt.

Et viktig trekk ved den foreliggende oppfinnelse har forbindelse med forandringen i fordelingen av lysenergi mellom kjernene 12 og 14 som en funksjon av en endring i spenningen eller det hydrostatiske trykk mot den optiske fiber 10. Dette fenomen er forklart i det etterfølgende. De fire normale modi som kan styres, er enkeltpolarisert med de transversale E-felt innrettet parallelt med eller rettvinklet mot en forbindelseslinje mellom kjernesentrene. Som det fremgår av fig. 3, kan de fire modi omfatte to ortogonalt polariserte par, et symmetrisk par, fig. 3A og 3B, og et anti-symmetrisk par, fig. 3C og 3D. Da det bare er kjernen 12 som ekssiteres av lysenergi fra kilden, med polari-seringen rettet parallelt med forbindelseslinjen mellom kjernesentrene, vil den symmetriske, kombinerte modus ifølge fig. 3B og den anti-symmetriske, kombinerte modus ifølge fig. 3D forløpe med samme intensitet. Det oppstår krysstale mens lysenergien forplantes gjennom kjernen, og de nevnte modi har et slikt fase-forhold at lysenergien overføres mellom innbyrdes tilgrensende kjerner. Mens lyset forplantes langs bølgelederen vil det, som følge av et svevningsfenomen forårsaket av modalinterferens, oppstå en romlig interferens som kan analyseres som en energi-strøm mellom innbyrdes tilgrensende kjerner. Som tidligere nevnt er tvillingkjernefiberens normale modi lineære kombinasjoner av den laveste orden HE^ enkeltkjerneekssiteringer. En normal modus er en feltfordeling som forplantes langs fiberaksen uten forandring i sitt tverrsnittsintensitetsmønster. Avhengighetsforholdet for z (fiberaksen) og tiden i en normal modus fremkommer av en enkel, harmonisk funksjon Re [exp {i(cut - 6iz)J , hvor Re [\ . :j betegner den Te elle' ";e del av VførrélseW* i hakeparentestegn, mens overføringskonstanten 3^ innbefatter indeksen i for å angi de forskjellige og mulige HE^-kombinasjoner som vist i fig. 3A-3D. Fire distinkte feltfordelinger utgjør de mulige, normale modi for. tvillingkjernefiberen. De består av to ortogonalt polariserte, symmetriske og anti-symmetriske par (se fig. 3). ;La iJj^, i = 1, 2, 3, 4,betegne amplitydene for de fire normale, modi. Belysing av en enkelt kjerne er ekvivalent med ekssitering av et par modi, nemlig en symmetrisk og anti-symmetrisk kombina-sjon med samme polarisasjon. Med 32 0<3 ^4 som overføringskons-tanter for den symmetriske modus ifølge fig. 3B og den anti-symmetriske modus ifølge fig. 3D, vil energifordelingen mellom de to kjerner være en funksjon av differansen 2Ag = $ 2~^ 4 °^ avstanden langs fiberen. I en avstand z^ = 17/(2Af3) viser de to kombinerte modi ifølge fig. 3B og fig. 3D en faseforskyvning av nøyaktig 180°, og alt lys befinner seg i den høyre kjerne. Ved en avstand mindre enn z-^ vil noe av lyset befinne seg i hver av kjernene, og det samme gjelder for større avstander hvor fase-differansen mellom disse modi fortsetter å øke. I en avstand Z£ -<*>2z^ er de kombinerte modi nøyaktig i fase, slik de var ved inngangsenden, og lyset returnerer til den venstre kjerne. Under lysoverføringen langs tvillingkjernefiberen vil et svevningsfenomen som skyldes modalinterferens, forårsake en romlig interferens som kan sammenliknes med en energivekselvirkning mellom kjernene. Svevningsbølgelengden X, er likTiyAB. For to sirkulære kjerner med radius a og en avstand d mellom kjernesentrene er svevningsbølgélengden uttrykt ved hvor

K0°^ Kl er ^e m°difiserte Hankel-funksjoner av orden henholdsvis null og én, og d er avstanden mellom kjernesentrene.

En forandring i hydrostatisk trykk eller spenning vil generelt forårsake en forandring i A, og en forlengelse eller en forkortelse av fiberlengden L. Nettovirkningen fremkommer som en motsvarende variasjon i svevningsf asen <j)=A3"L ved enden av fiberen av den opprinnelige lengde L. Med henblikk på fullstendig krysstale, dvs. total éffektoverføring fra den første til den andre kjerne, er det nødvendig at fasehastighetene under forplantingen i de to kjerner viser samme størrelse og brytningsindeks. Det kan imidlertid også benyttes to kjerner av forskjellige glassmåterialer med ulike brytningsindekser og motsvarende forskjellige dimensjoner, med de samme fasehastig-heter for fiberens driftsbølgelengde. For to sirkulære kjerner i et felles ytterbelegg er forandringen av svevningsfasen i avhengighet av temperaturen bestemt av:

hvor a og £ betegner henholdsvis koeffisienten for den lineære varmeutvidelse og for brytningsvinkelen (n^dn/dT) så vel for kjernen som for ytterbelegget, dvs. at nevnte materialegenskaper er antatt å være de samme for kjernen og ytterbelegget i dette eksempel av oppfinnelsen. En forandring i temperaturen vil medføre en endring i fiberens dimensjoner og i brytningsindeksen for kjernene og for ytterbelegget. I alminnelighet vil så vel varmeutvidelseskoeffisientene som varmekoeffisientene både for kjernematerialet og ytterlagsmaterialet være innbyrdes ulike, men for å forenkle beskrivelsen er det antatt at kjernen

og ytterbelegget har de samme, termiske materialegenskaper.

Under antakelse av at materialparametrene a og t, er de samme for kjernematerialet og ytterlagsmaterialet, er vilkåret for at svevningsf asen <j> skal være uavhengig av temperaturen bestemt av:

Samme betingelse gjelder for at svevningsfasen skal være uavhengig av ensartet, hydrostatisk trykk. Følgelig vil en temperaturuavhengig trykkmåling basert på observasjon av forandring i krysstale ikke kunne gjennomføres med en fiber hvori kjernene og ytterbelegget er fremstilt av materialer med identiske verdier for a og x,. Hvis a og r, er forskjellige for kjernene og ytterbelegget, er det mulig å gjøre cf> uavhengig av temperaturen men fremdeles avhengig av det uforandrete, hydrostatiske trykk. Alternativt kan a og £ være de samme for kjernene og ytter-.belegget, men et andre ytterlag er i så fall påsveiset fiberens yttervegg, som beskrevet i det etterfølgende. Ved riktig valg av materiale og tykkelse for det andre ytterlag og av materialer for kjernene og det første ytterbelegg, og utformingen av disse, kan svevningsfasen for krysstalen mellom kjernene gjøres tem-pera turuavhengig men samtidig avhengig av ensartet, hydrostatisk trykk. I tilfelle av strekkspenning langs fiberaksen kan kjernene med bare ett ytterbelegg, hvor a og ? er de samme for kjerner og ytterbelegg, være slik anordnet at svevningsfasen blir avhengig av størrelsen av den langsgående strekkspenning men uavhengig av så vel temperatur som ensartet, hydrostatisk trykk.

På liknende måte kan ensrettet spenning som virker på tvers av fiberaksen, fremkalle en forandring i svevningsfasen for lyset som forlater fiberen som består av kjerner og et enkelt ytterbelegg, hvor a- og t;-verdiene for materialen hvorav nevnte deler er fremstilt, er de samme, og hvor V-verdien og forholdet d/a er slik valgt at svevningsfasen blir uavhengig av temperatur og ensartet, hydrostatisk trykk.

Enkeltytterlags-versjonen ifølge fig. 1 og 2 omfatter to identiske kjerner med middelradius a og senteravstand d i et enkelt og ensartet ytterbelegg. Kjernenes materialparametre er n^, a og og ytterbeleggets parametre er = ot og é^/ dvs. at bare temperaturkoeffisientene for brytningsindeksene er forskjellige for kjerne og ytterbelegget. Betingelsen for svevningsf asens temperaturuavhengighet er således:

i

hvor den vertikale linje med indeksen null angir temperaturuavhengighet. I avhengighet av en sylindrisk, elastisk deformasjon med f raks jonsforandring i fase A <}>/({> for lys som utgår fra enden av fiberen, er:

hvor ez og e betegner ;de langsgående og radiale spenninger som ved ensartet, hydrostatisk trykk og for kjerne og ytterbeleggs-materialer hvis Youngs-moduler er E ] = E2 = E og Poisson's forhold er = v2 = v, er gitt av

Under innvirkning av en elastisk deformasjon vil brytningsindeksene forandres. Generelt vil brytningsindeksen for en gitt polarisasjonstilstand være en lineær funksjon av de tre hovedspenninger. Det antas at den spennings-optiske koeffisient for spenningen parallelt med polarisasjonen er gitt av p^ og at koeffisienten for spenningen perpendikulært mot polarisasjonen er gitt av P-^- <!>Selv om brytningsindeksene for kjernematerialet og for ytterlagsmaterialet viser forskjellig., temperaturavhengighet, dvs. C^?2' er ^e sPennin9s-°Ptiske effekter i kjernematerialet og ytterlagsmaterialet antatt å være like, for å forenkle beskrivelsen. Forandringene i brytningsindeksene i avhengighet av det ensartede, hydrostatiske trykk er således gitt av:

Ved å erstatte ligning (10) og (11) med ligning (9) blir forandringen i svevningsfasen:

Hvis svevningsfasen gjøres temperaturuavhengig, velges materialer og utforming slik at (V/F) (dF/dV) bestemmes av den høyre side av ligningen (8), og det endelige resultat for den temperatur-uavhengige svevningsfase som imidlertid er avhengig av ensartet, hydrostatisk trykk, fremkommer av:

Uavhengig av hvorvidt verdiene for a og r, er de samme for kjerne-og ytterlagsmaterialer, kan svevningsfasen gjøres avhengig av ensartet, hydrostatisk trykk men uavhengig av temperaturen på en annen måte. Fig. 4 viser et andre belegg av tykkelse t, som er påsveiset det første ytterbelegg. Det første belegg har radien g og det andre belegg har radien h. Selv om kjernene og det første belegg kan ha forskjellig varmeutvidelseskoeffisient, vil det for beskrivelsen være tilstrekkelig å anta at = c^, men at det andre beleggs varmeutvidelseskoeffisient a 3 er forskjellig fra o^- Både Youngs-modulen E og Poissons-forholdet v antas å være de samme for samtlige tre soner. Betingelsen for svevningsfasens temperaturuavhengighet er følgelig:

Dette uttrykk kan utledes ved innføring av de grensebetingelser for spenningene som er et resultat av dobbeltbeleggs-utformingen.

Forandringen i svevningsfasen grunnet ensartet, hydrostatisk trykk er gitt av ligning (9): og

men med (VF ^ dF/ dV) gitt åv ligning (14). Det andre belegg 96 kan bestå av hvilket som helst materiale med en varmeutvidelseskoeffisient som er forskjellig fra utvidelseskoeffisienten for det første belegg 94.'På grunn av sin stabilitet er glass det foretrukne materiale, men det kan også benyttes et metall-eller plastmateriale, idet nøkkelbetingelsen er at det andre belegg 96 har en annen varmeutvidelseskoeffisient enn det første belegg 94. Hvis det andre belegg 96 består av glass,

kan det være fordelaktig å tilføye et ytterligere eller tredje belegg. De glasstyper som er vanlig anvendt for lavtaps-fibrer for telekommunikasjoner og detektorer, inneholder ofte meget store prosentdeler av smeltet silisiumoksyd. - Dette materiale har lav utvidelseskoeffisient og det vil derfor, for å anordne et andre belegg med en avvikende utvidelseskoeffisient, være nødvendig å anvende et materiale med høyere varmeutvidelses-koef f isient. Dette er uønsket, fordi ytterflaten i den ferdige fiber derved påføres en strekkspenning med derav følgende mulig-het for fremtidig fiberbrudd. For å unngå at ytterflaten påføres slik strekkspenning, kan det tilføyes et ytterligere belegg med en utvidelseskoeffisient ot^ som er mindre enn utvidelseskoeffisienten a., for det andre belegg. I forhold til radien av det første belegg må tykkelsen av de to øvrige belegg justeres for å gi den nødvendige nulltemperatur-uavhengighet under samtidig oppnåelse av den ønskete avhengighet av ensartet, hydrostatisk trykk eller av ensrettet, langsgående eller tversgående spenning.

Fig. 5 viser en versjon av oppfinnelsen, hvor de to kjerner 100 og 102 er omgitt av et første ytterlag 104, et andre ytterlag 106 og et tredje ytterlag 108.

Ved strekkspenning langs fiberaksen kan konstruksjonen

med et ytterlag og med samme verdier av a og £ for kjernen og

for ytterlagsmaterialet gi en temperaturuavhengig spenningsmåling. I et slikt tilfelle gjelder-ligning (9), men med An,/n, = An^/n-,

hvor T betegner den aksialt strekkraft. Dette gir:

Fig. 6 viser en annen versjon av den optiske fiber ifølge foreliggende oppfinnelse, som er velegnet for funksjon i et system for måling av spenning eller hydrostatisk trykk i en sone i fiberens lengderetning. Versjonen innbefatter en rekke kjerner og er spesielt egnet for måling av spenning eller hydrostatisk trykk i de tilfeller hvor det kreves entydige regist-reringer over et vidt område. Den viste, optiske fiber 50 innbefatter en rekke kjerner 52 som fortrinnsvis er ellipseformet på samme måte som tidligere beskrevet i forbindelse med dobbelt-kjerne-versjonen. Hver av kjernene 52 omsluttes fullstendig av et første ytterlag 54 i full lengde av den optiske fiber 50.

Et andre ytterlag 56 er anordnet utenpå det første ytterlag 54 langs den fulle lengde av den optiske fiber.

Den optiske fiber 50 strekker seg gjennom den sone hvori det hydrostatiske trykk, eksempelvis i en beholder 58, skal måles. Fra en kilde 6 0 ved den optiske fibers inngangsende ledes en lysenergistråle mot endeflaten av en av kjernene 52, for å overføres til denne vilkårlige og ledes langs aksen av denne. Ved fiberens utgangsende vil den utstrålende lysenergi fra hver av kjernene ledes til en detektor såsom detektorene 62, 64 og 66 og frembringe en serie av elektriske signaler som varierer med fordelingen av den utstrålende lysenergi fra den optiske fibers utgangsflate, på samme måte som tidligere beskrevet. Inngangs-lysenergien blir fortrinnsvis polarisert der hvor den primære akse av interesse er langs ellipsens korte akse, og detektorene 62, 64 og 66 innbefatter polariserings-filtre, eller tilsvarende, slik at de elektriske signaler som representerer fordelingen av utgående lysenergi fra fiberen, primært tilknyttes lysenergien langs samme akse.

Som tidligere omtalt er det et viktig trekk ved den foreliggende oppfinnelse at den optiske fiber 50 kan fremstilles slik at den vil reagere overfor spenning og hydrostatisk trykk, og samtidig være upåvirkelig av temperatur, som følge av valget av materiale for kjernene 52 samt ytterlagene 54 og 56, dimen-sjoneringen av kjernene 52, avstanden mellom nærmestliggende kjerner osv. Dette resulterer i krysstale eller tverroverføring til tilgrensende kjerner av lysenergien som forplantes gjennom en av kjernene, som en funksjon av det hydrostatiske trykk i en forutvalgt sone i fiberens lengderetning. Denne spesielle fler-kjerneversjon vil blant annet gi entydige måleresultater ved-rørende hydrostatisk trykk over et videre område enn det som kan oppnås ved anvendelse av bare to kjerner.

Den ovenstående beskrivelse av forholdene i dobbeltkjerne-tilfellet kan utvides til å omfatte flerkjernesystemet ved betraktning av vekselvirkningene mellom innbyrdes tilgrensende kjerner. Det vil innses at anvendelsen av et økende antall kjerner 52 øker det nyttige målingsområde uten å minske følsom-heten hos den optiske fiber 50 overfor variasjoner i spenning eller hydrostatiske trykk. I en antatt, lineær rekke av jevnt fordelte kjerner 52 mottar den ene kjerne lys av intensiteten IQ. Lysintensiteten I (M,R) som utgår fra den M'te kjerne, for belysning av bare den R'te kjerne i en fiber av lengde L, er bestemt av:

hvor u = 2 cos [qir/ (N+lj]

og M, R = 1, 2, ..., N.

Hvis det er anordnet fem identiske kjerner hvorav den ene er belyst, kan lysfordelingen som en funksjon av L fremstilles som vist i fig. 7. Forholdet mellom fordelingen av den utgående lysenergi fra den optiske fiber 52, som en funksjon av spenning eller hydrostatisk trykk, kan iakttas i fig. 7. Det bør bemerkes at abscissen L/X^ motsvarer J^f ganger svevningsfasen <j>. Fordelingen av lysenergien som utgår fra kjerneendene som en funksjon av trykk eller spenning, kan fremstilles under hensyntaking til at svevningsfasen 4> er en lineær funksjon av hydrostatisk trykk eller spenning, slik at abscissen er ekvivalent med trykket. F.eks. ved et trykk P-^ er lysfordelingen fra kjernene 52 vist ved linjen P^ i fig. 7. Ved et trykk P 2 er lysfordelingen vist ved en linje P2, og trykkene mellom P^ og P2 gir motsvarende lysenergifordeling, som vist mellom linjene P^ og Pj.

Tallrike versjoner av et system for måling av en spenning eller et hydrostatisk trykk under anvendelse av en av de beskrevne utførelsesformer av en optisk fiber er tenkelige.

Det er eksempelvis i fig. 8 vist en versjon av oppfinnelsen

som er særlig egnet for registrering av en bøyespenning. En optisk fiber 70 er, ved hjelp av sement eller annet, jevnfør-

bart festemiddel, forankret til et bæreelement 72. Bæreelementet 72 fastholdes ubevegelig i den ene ende (den nedre ende i figuren), mens den annen ende fritt kan svinge eller bøyes i forutvalgt grad (vist ved strekete linjer) under innvirkning av en over-

ført kraft H. Bæreelementets 72 dimensjon L2 er stor i forhold til dimensjonen Li, for å øke følsomheten overfor kraften H.

En lysenergikilde 74 er slik plassert ved fiberens inngangs-

ende, at lyset ledes inn i en av kjernene. En detektor 76 som er plassert ved utgangsenden av fiberen 70, foretar måling av den utgående lysmengde fra hver av kjernene, og avgir et utgangs-signal proporsjonalt med lysmengden. Variasjon i bøyningen av bæreelementet 72 fremkaller motsvarende forandringer i spenningen som påvirker den optiske fiber 70. Som tidligere beskrevet vil denne spenningsvariasjon i sin tur medføre forandring i krysstalen mellom innbyrdes tilgrensende kjerner, i tilknytning til forandringen i intensiteten av lyset som utgår fra den optiske fiber 70.

Den ovenstående beskrivelse med tilhørende tegninger omfatter en foretrukket versjon av oppfinnelsen, og det vil være åpenbart for den fagkyndige at ulike forandringer vil kunne foretas innenfor rammen av de etterfølgende patentkrav.

Claims (11)

1. Avfølingsanordning for mekanisk spenning omfattende midler som reagerer under spenningspåvirkning og innbefatter en optisk fiber (10) som kan plasseres der en spenning skal måles, og den optiske fiber (10) er utstyrt med et antall kjerner (12,14) som er atskilt fra hverandre i et omsluttende ytterlag, hvorved det oppstår en kobling av lys mellom kjernene, en kilde (18) for avgivelse av lys som ledes inn i den ene av kjernene og overføres, ved kobling, til tilgrensende kjerner på en måte som har forbindelse med spenningen som påvirker den optiske fiber, samt detektorer (22,24) innrettet for mottakelse av lysenergien og for avgivelse av et elektrisk signal som avhenger av intensiteten av nevnte lys, karakterisert ved at detektorene (22,24) er anordnet for å motta lys som utgår fra hver av kjernene, og ved at ytterlaget og hver enkelt av kjernene er slik dimensjonert og fremstilt av slike materialer at det bare vil opprettholdes en overføringsmodus av laveste orden, og at både dimensjonene og brytningsindeksene for kjernene og ytterlaget vil forandres p.g.a. den mekaniske spenning, slik at en forandring i intensiteten til det utgående lys fra kjernene forårsaket av modalinterferens mellom modiene til lysenergien som forplantes innenfor kjernene er avhengig av spenningen som påvirker den optiske fiber.

2. Avfølingsanordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den optiske .fiber (10) omfatter et første ytterlag (16) som omslutter kjernene, og at temperatur koeffisienten for kjernenes og det første ytterlags brytningsindekser er forskjellige fra hverandre, slik at modalinterferensens svevningsfase blir avhengig av spenningen men uavhengig av temperaturvariasjoner.

3. Avfølingsanordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den optiske fiber (10) omfatter et første ytterlag (94) som omslutter kjernene (90,92) og et andre ytterlag (96) som omslutter det første ytterlag (94), og at det andre ytterlags lineære varmeutvidelseskoeffisient er forskjellig fra det første ytterlags, og at det første ytterlag og det andre ytterlag har slike tykkelser at modalinterferensens svevningsfase for kobling av lys mellom kjernene varierer som en funksjon av spenningen, men eruavhengig av temperaturforandringer.

4. Avfølingsanordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den optiske fiber (10) omfatter et første ytterlag (104) som omslutter kjernene (100, 102), et andre ytterlag (106) som omslutter det første ytterlag (104) og et tredje ytterlag (108) som omslutter det andre ytterlag (106), og at det tredje ytterlag har en mindre, lineær varmeutvidelseskoeffisient enn det andre ytterlag, mens det andre ytterlag har en annen, lineær varmeutvidelseskoeffisient enn det første ytterlag, og at det andre ytterlag og det tredje ytterlag har slike tykkelser, at modalinterferensens svevningsfase i overføringen er en funksjon av spenningen, men er uavhengig av temperaturforandringer.

5. Avfølingsanordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den optiske fiber (50) omfatter et antall kjerner (52) som er fordelt langs ytterlagets (54) diameter, hvor hver av kjernene er slik dimensjonert og fremstilt av slikt materiale, at bare overføringsmodusen av laveste orden kan opprettholdes, og at intensiteten av det utgående lys fra fiberen bare har tilknytning til spenningen som påvirker fiberen.

6. Avfølingsanordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at avstanden mellom rekken av kjerner (52) og ytterlaget, kjernedimensjonen og materialparametrene for den optiske fiber (50) er slik valgt at modalinterferensens svevningsfase er uavhengig av temperaturen.

7. Avfølingsanordning i samsvar med krav 6, karakterisert ved at den optiske fiber (50) er innrettet til å reagere under spenningspåvirkning av en langsgående strekkraft.

8. Avfølingsanordning i samsvar med krav 6, karakterisert ved, at den optiske fiber (50) er innrettet til å reagere under spenningspåvirkning av en ensrettet tverrkraft.

9. Avfølingsanordning i samsvar med krav 6, karakterisert ved midler som reagerer under spenningspåvirkning av et ensartet, hydrostatisk trykk.

10. Avfølingsanordning i samsvar med krav 1, karakterisert vedat hver av kjernene (52) i den optiske fiber (50) har elliptisk tverrsnittform med en stor og en liten akse, og at kjernene er plassert ved siden av hverandre i ytterlaget (54) med de små akser i innbyrdes flukt, hvorved koblingen av lys mellom kjernene begunstiges.

11. Avfølingsanordning i samsvar med krav 10, karakterisert ved at lyset som utgår fra kilden (60) til en av kjernene (52) i rekken, polariseres i samme retning som retningen for de små akser i kjernenes tverrsnittsflater, og at detektorene (62,64,66) innbefatter polarisasjonsorganer og derved reagerer primært ovenfor lys som er polarisert i samme retning som retningen for de små akser i de elliptiske kjernetverrsnitts-flater.