DE19829501A1 - Lichtleiter mit elastischem, flüssigem oder viskosem Lichtleitmedium zur Erfassung mechanischer Belastungen - Google Patents

Abstract

Konventionelle Lichtleiter sind vordergründig für die Datenübertragung oder für Beleuchtungszwecke konzipiert und nicht für eine mechanische Beeinflussung der Übertragungscharakteristik ausgelegt. Der neue Lichtleiter soll bruchfest und kostengünstig sein, auf Standardmaterialien zurückgreifen, einen größeren Konstruktiosspielraum bieten und vordergründig eine Erfassung der auf ihm wirkenden mechanischen Belastungen einfach und sicher ermöglichen. DOLLAR A Der Lichtleiter besteht aus einem transparenten und elastischen, flüssigen oder viskosen Medium und befindet sich in einer hinreichend flexiblen, vorzugsweise zylindrischen Ummantelung, wie z. B. einem Schlauch, so daß mechanische Belastungen auf optischem Wege ausgewertet werden können. Bei Verwendung eines flüssigen oder viskosen Mediums entfallen Spleißvorgänge, und irreversible Beschädigungen der Ummantelung können durch Auslaufen des Mediums erkannt werden. DOLLAR A Der beschriebene Lichtleiter kann eingesetzt werden z. B. als Kollisions-, Klemm-, Ramm- und Quetschschutzvorrichtung, wie automatische Fensterheber, Garagentore, Aufzugstüren, Hubtische, Hubbühnen, Flurförderfahrzeuge, Kabelüberwachungsvorrichtungen, und andere Sicherheits-, Schalt-, Schutz- oder Zählanwendungen. Bei geeigneter Auslegung ist zudem auch ein Einsatz als Sensor möglich.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lichtleiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist üblich, für Datenübertragungszwecke Lichtleiter (dann bezeichnet als Lichtwellenleiter oder LWL) aus transparenten, harten Lichtleitmaterialien wie Kunststoff oder Glas zu verwenden. Niedrige Kosten bei hohen Datenübertragungsraten und -strecken stehen hier meist im Vordergrund.

Andere Anwendungsbereiche von Lichtleitern beschränken sich meist auf mehr oder minder spezialisierte Beleuchtungszwecke, wie US 5 746 493 (Tastatur/Anzei­ gebeleuchtung), US 5 739 879 (LCD-Hintergrundbeleuchtung), oder US 5 743 848 (Endoskopie-Beleuchtung). US 4 379 613 beschreibt eine spezielle Lichtübertragung für eine Anwendung in Solarkollektoren.

Für medizinische Anwendungen werden flexiblere Lichtleiter benötigt, die meist auch eine erhebliche Lichtmenge transportieren müssen, wie z. B. in US 5 165 773 (Endoskopie-Be­ leuchtung) beschrieben. US 5 333 227 zeigt einen optischen Lichtwellenleiter-Schlauch als Lichtübertragungsbauteil. Andere Patente beschäftigen sich mit speziellen chemischen Stoffen und Zusammenstellungen als Ausgangsbasis für Lichtleiter, wie z. B. US 3 814 497, dabei wird stets erzielt, daß der innere Brechungsindex des Lichtleiters größer ist als der Brechungsindex der äußeren Hülle.

US 460 003 beschreibt einen Hitzedetektor, in dem der optische Übertragungsweg eine Abhängigkeit aufweist, und zwar von der Temperatur.

Allen obigen Anwendungen gemeinsam ist, daß ein mechanischer Einfluß auf das optische System nicht erwünscht und ausgeprägt ist, und die Lichtleitfähigkeit unter allen Bedingungen aufrechterhalten werden soll.

US 5 015 842 handelt von einem konventionellen Lichtleitersystem für Raumfahrtzwecke, welches bei Zerstörung einzelner Lichtwellenleiter Beschädigungen am Raumfahrzeug anzeigen soll. Prinzipiell stellt dies aber eine Reißdrahtüberwachung dar. Lichtleiter zur Auswertung mechanischer Belastungen wurden dagegen bisher nicht angewandt.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln einen bruchfesten Lichtleiter zu schaffen, der kostengünstig ist, auf Standardmaterialien zurückgreift, einen größeren Konstruktionsspielraum bietet, vordergründig zur Auswertung der auf ihm wirkenden mechanischen Belastungen dient und so neue Einsatzgebiete erschließt.

Diese Probleme werden durch den im Patentanspruch 1. beschriebenen Lichtleiter gelöst. Der Lichtleiter besteht aus einem transparenten und elastischen, flüssigen, oder viskosen Lichtleitmedium und befindet sich in einer vorzugsweise zylindrischen Ummantelung, wie z. B. einem flexiblen Schlauch, wobei mechanische Belastungen den Verlauf und die Kontur der Ummantelung und damit auch des Mediums verändern sollen, und somit zu einer reversiblen Veränderung des optischen Übertragungsweges des Lichtleiters führen. Das Lichtleitmedium weist auch hier einen höheren Brechungsindex auf als die Ummantelung, so daß im Inneren des Leiters unter normalen Bedingungen Totalreflexion auftritt und die Funktion als Lichtleiter gewährleistet ist. Wasser als Medium ist meist ungeeignet, da der Brechungsindex von ca. 1.33 wesentlich niedriger liegt als die gängigsten Materialien für die Hülle. Letztere können beispielsweise auf Polyurethan-Basis sein, Materialien wie PTFE (Teflon) haben mit ca. 1.35 zwar niedrigere Brechungsindizes, sind allerdings auch relativ hart und brüchig. Die Verwendung flexiblerer Hüllenmaterialien gestattet eine ausreichende Ausdehnung, so daß durch Verformungen oder Temperaturschwankungen verdrängte oder fehlende Flüssigkeit zu keiner nennenswerten Variation des Innendrucks führt, und daher der Lichtleiter hermetisch dicht ausgeführt werden kann.

Ein geeignetes und ungiftiges Medium ist z. B. Glyzerin, falls ein Hüllenmaterial mit niedrigem Brechungsindex wie PTFE gewählt werden kann. Für die Verwendung in Polyurethan-Ummantelungen sind Medien mit höherem Brechungsindex erforderlich. In Verbindung mit einer gegenüber ätherischen Ölen undurchlässigen Ummantelung ist z. B. Cassiaöl (Oleum Cinnamomi Cassiae) geeignet, dieses weist einen Brechungsindex von über 1.6 auf. Weitere, spezielle Medien mit hohem Brechungsindex lassen sich zudem je nach Einsatzzweck auswählen oder konzipieren, wie Nitrobenzol, Rizinusöl, Tetrachlorethylen, u. a., siehe auch obengenannte und weitere Patente. Flüssige oder viskose Medien haben den Vorteil, daß sich optisch nachteilige Spleißstellen erübrigen. Die mechanischen Belastungen rufen Formänderungen der Ummantelung hervor, die auch auf die Form und den Verlauf des Mediums Einfluß haben. Verengungen des Querschnitts, partieller oder vollständiger Verlust von Totalreflexion durch Verformungen oder auch durch zu kleine Biegeradien führen zu einer Gesamtänderung der optischen Übertragungscharakteristik des Lichtleiters.

Diese Gesamtänderung kann mit Hilfe des Anspruchs 2. mittels kostengünstiger optischer Bauelemente, wie z. B. Leuchtdioden oder Glühlampen, in Verbindung mit Fotodioden, Fototransistoren, Fotodetektoren, Solarzellen u. a. in einfacher Weise gemessen werden oder auch für ein Schaltereignis benutzt werden. Diese Bauteile können direkt in die Enden der Hülle eingesteckt werden, oder auch über ein Zwischenstück.

Ein Schaltereignis kann beispielsweise ausgelöst werden, wenn die zulässige Dämpfung des optischen Übertragungsweges überschritten wird, oder vom korrekten Wert abweicht. Durch mechanische Belastung wird aber weiterhin nicht nur die Dämpfung des Übertragungsweges beeinflußt, sondern auch die Helligkeitsverteilung an der stirnseitigen Lichtaustrittsöffnung, der Apertur des Lichtleiters. Mit Hilfe von mehreren Detektoren, die in einer Zeile oder auch einem Array angeordnet sind, lassen sich in komplexeren, aber dann empfindlicheren Systemen auch spezifische Helligkeitsverteilungen zur Auswertung heranziehen. Selbst die Position einer durch mechanische Belastung hervorgerufenen Störstelle kann mit gewissem Aufwand gemessen werden, beispielsweise durch Messung der Signallaufzeit zwischen einem Sendesignal und einer reflektierten, rückläufigen Welle. Diese Art der Störstellen-Loka­ lisation wird bei Prüfvorrichtungen für Glasfaserkabel bereits praktiziert. Statt im Zeitbereich sind Störstellenmessungen auch im Frequenzspektrum möglich. Sofern die durch die Störstellen verursachten Einschnürungen des Mediums nicht zu groß werden, können mit diesem Prinzip auch mehrere Störstellen erkannt werden, da jede eine eigene rückläufige Welle erzeugt. Die Distanzen der einzelnen Störstellen sind proportional zur jeweiligen Echolaufzeit.

Mittels Anspruch 3. können vorhandene Konstruktionselemente, wie z. B. Dichtungen oder Kabel für die gleichzeitige oder zusätzliche Funktion als Ummantelung des Lichtleiters ausgenutzt werden, sofern rohrförmige Verläufe in den Konstruktionselementen bereits enthalten sind. Falls dies nicht der Fall sein sollte, kann eine Lichtleiter-Ummantelung in vielen Fällen durch geringfügige Modifikation an den Herstellwerkzeugen dieser Konstruktionselemente (z. B. an den Extrudierdüsen) integriert werden. Evtl. kann der beschriebene, komplette Lichtleiter auch bestehenden Anordnungen hinzugefügt werden, wie z. B. einem Elektrokabel.

Unzulässige Belastungen auf derartige Konstruktionselemente können dadurch sehr leicht ausgewertet werden. Beispiele hierfür sind z. B. Dichtungen, die auf Beschädigung reagieren, Abschaltmechanismen, die auf Hindernisse z. B. zwischen einem elektrischen Fensterheber und der hierzu geeignet ausgeführten Fensterdichtung reagieren, oder an unzugänglichen Stellen verlegte Kabel, die mittels des beschriebenen Lichtleiters Knick- und Quetschstellen melden können. Bei geeigneter Auslegung ist auch ein Einsatz als Sensor möglich, wobei das Konstruktionselement hin zu einer möglichst kraftproportionalen Dämpfung des optischen Übertragungsweges ausgelegt wird. Mögliche Anwendungen sind hier z. B. "intelligente" Schwingungsdämpfer oder kraftempfindliche Handgriffe, in die ein oder mehrere derartige Lichtleiter integriert sind, so daß zusätzlich zur bloßen Überwachung des Bauteils eine meßtechnische Kraft- und Schwingungserfassung ermöglicht wird.

Da durch Auslaufen von flüssigen Medien die Lichtleitfähigkeit vollständig verlorengeht, können mit Hilfe von Anspruch 4 auf einfache Weise eigensichere Anordnungen geschaffen werden.

Eine Reparatur der Ummantelung und Wiederauffüllen des Mediums stellt die Funktionsfähigkeit ohne großen Aufwand wieder her.

Durch Anspruch 5. ist die Ausprägung der Empfindlichkeit in Richtung bestimmter mechanischer Belastungsrichtungen möglich. Statt einem runden Querschnitt des Mediums ist z. B. durch andersartige Formung der Rohrinnenkontur auch ein ovaler oder rechteckiger Querschnitt denkbar.

Anhand einiger Zeichnungen soll die Funktionsweise des Lichtleiters erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 prinzipieller Aufbau eines Lichtleiters,

Fig. 2 exemplarische Verhältnisse an einem Lichtleiter nach dem Hauptanspruch, an einer Knick- und einer Druckstelle,

Fig. 3 beispielhafte Ausführung an einer höhenverstellbaren Liege.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Lichtleiters unter normalen Betriebsbedingungen. Die Ummantelung bzw. Hülle 1 enthält das Lichtleitmedium 2, zur Verdeutlichung mit eingezeichneten Strahlverläufen 3.

Fig. 2 zeigt den Lichtleiter nach dem Hauptanspruch, zum einen dargestellt mit einer Knickstelle 4, in der durch Unterschreiten des Grenzwinkels keine Totalreflexion mehr stattfindet, d. h. der Strahl geht über in die Ummantelung und wird darin normalerweise absorbiert. Zum zweiten ist eine Druckstelle 5 dargestellt, die durch Verengung direkt zu einer optischen Dämpfung führt.

Fig. 3 zeigt den Lichtleiter in einer Sicherheitsabschaltvorrichtung für eine motorisch höhenverstellbare Liege. Der Lichtleiter 8 ist an der Unterseite der Liege 6 montiert, deckt nahezu dessen gesamten Randbereich ab und verhindert dadurch Quetschungen an oder Kollisionen mit darunter befindlichen Gliedmaßen bzw. Gegenständen. Die sich abwärts bewegende Liege gerät hier mit seiner Unterseite, d. h. mit dem Lichtleiter, in Kontakt mit einem Hindernis 10. Der Lichtleiter wird an der Quetschstelle 11 zusammengedrückt, die optische Verbindung wird dadurch unterbrochen oder beeinflußt. Die Auswertung 9 detektiert diese Veränderung und die Hubvorrichtung 7 bleibt stehen oder fährt zuvor geringfügig zurück nach oben.

Claims (5)

1. Lichtleiter mit elastischem, flüssigem oder viskosem Lichtleitmedium zur Erfassung mechanischer Belastungen, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein transparentes und elastisches, flüssiges, oder viskoses Lichtleitmedium in einer flexiblen, vorzugsweise zylindrischen Ummantelung befindet, das Medium einen höheren Brechungsindex aufweist als die Ummantelung, und daß mechanische Belastungen den Verlauf und die Kontur der Ummantelung und damit auch des Mediums verändern, und somit zu einer reversiblen Veränderung des optischen Übertragungsweges des Lichtleiters führen.

2. Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderungen des optischen Übertragungsweges mittels optischer Bauelemente in Amplitude, Helligkeitsverteilung, oder Signallaufzeiten gemessen oder als Schaltereignis ausgewertet werden.

3. Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorhandene Konstruktionselemente entweder direkt als Ummantelung ausgenutzt oder um eine Ummantelung konstruktiv ergänzt werden.

4. Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines flüssigen oder viskosen Lichtleitmediums irreversible Beschädigungen der Ummantelung durch Auslaufen des Mediums erkannt werden.

5. Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung eine spezielle Formgebung aufweist, um die Empfindlichkeit des Lichtleiters gegenüber spezifischen Belastungsarten wunschgemäß zu beeinflussen.