DE3443949A1

DE3443949A1 - Lichtleiter als kraftsensor

Info

Publication number: DE3443949A1
Application number: DE19843443949
Authority: DE
Inventors: Gottfried Prof. Dr.-Ing. 8411 Regensburg Domorazek; Helmut Dipl.-Phys. 5177 Titz Haag; Daljit-Singh Dipl.-Ing. 4300 Essen Parmar
Original assignee: AEG Kabel AG
Current assignee: Kabel Rheydt AG
Priority date: 1984-12-01
Filing date: 1984-12-01
Publication date: 1986-06-05
Also published as: DE3443949C2

Description

Lichtleiter als Kraftsensor
Die Erfindung betrifft einen Lichtleiter als Kraftsensor mit einem Kern und einem Mantel, wobei der Brechungsindex im Mantel niedriger ist als im Kern und der Mantel aus elastischem Kunststoff besteht.
Aus der DE OS 30 15 391 ist es bekannt, mittels eines Lichtleiters eine Uberwachung wichtiger physikalischer Parameter, beispielsweise in Gebäuden oder Kraftfahrzeugen, durchzuführen.
Die DE OS 29 06 841 vermittelt die Lehre, den Straßenverkehr mit Lichtleitfasern als Druckaufnehmer in der Straßendecke zu überwachen. Dazu wird eine in einem elastischen Mantel eingebettete Glasfaser verwendet. Dabei wird davon Gebrauw gemacht, daß mit der Durchbiegung der Faser ihre Lichtleitfähigkeit abnimmt. Es wird in einer bekannten Anordnung die Dämpfung der Faser gemessen, um daraus die gewünschte Information zu gewinnen.
Mechanische Bauelemente, insbesondere Sensoren, die auf Druck bzw. eine Kraft reagieren sollen, haben eine im Vergleich zu elektronischen Bauelementen durchweg viel kürzere Lebensdauer.
Die Auswahl des Meßprinzips und geeigneter Materialien hängen vom Anwendungszweck und Einsatzgebiet entscheidend ab.
Bei den bekannten Lösungen wird die Verwendung der Glasfaser vom stationären in den mobilen Einsatz und Verkehrstechnik übertragen. Dabei geht man davon aus, daß die Glasfaser als Lichtleiter Vorteile hat; sie ist leicht zu beschaffen, hat geringes Gewicht und ihre längenbezogene Dämpfung ist extrem niedrig.
Für eine Anwendung im rauhen Betrieb und einem für die Sicherheit kritischen Bereich, wie beispielsweise im Kraftfahrzeug, hat die Glasfaser jedoch den Nachteil, daß sie leicht bricht und wichtige Kontrollfunktionen ausfallen. Es kommt darauf an, daß die Überwachungseinrichtungen mit einem äußerst geringen Ausfallrisiko behaftet sind. Für diesen Zweck sind Glasfasern ungeeignet. Glas ist sehr bruchempfindlich und bei mechanischen Beanspruchungen nur mit sehr stabilen Schutzmänteln und dann nur bedingt betriebssicher. Auch die Verlegung von Glasfasern mit kleinen Krümmungsradien, beispielsweise in Fahrzeugen, ist problematisch. Dies trifft auch auf Polymethylmethacrylat zu, das als Lichtleiter für Sonderzwecke bereits Bedeutung erlangt hat, jedoch als Faser nicht genügend reißfest ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen als Kraftsensor geeigneten robusten Lichtleiter für Dauerbetrieb und Kern- und Mantelmaterialien anzugeben, die in ihren Eigenschaften aufeinander abgestimmt und mit geringfügigem Ausfallrisiko behaftet sind.
Diese Aufgabe wird bei einem Lichtleiter der eingangs erwähnten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß Kern und Mantel des Lichtleiters aus dehnbarem und elastischem Kunststoff bestehen.
Der Lichtleiter weist vorzugsweise eine Reißdehnung von mindestens 10 % auf. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen 3 bis 21 zu entnehmen.
Die erfindungsgemäßen Kraftsensoren können überall dort eingesetzt werden5 wo es auf die Anzeige oder Überwachung von Kräften im rauhen Betrieb oder bei hohen Sicherheitsanforderungen ankommt.
Anwendungsbeispiele sind Diebstahlsicherung, Zündsperre bei offenen Türen oder Abwesenheit des Fahrers bei Fahrzeugen und Sicherung von automatisch schließenden Türen oder Fenstern, einschließlich der Vermeidung von Verletzungen.
Außerdem kann der Sensor zur Verkehrsüberwachung und Zugmeldung, als optischer Dehnungsmesser und zur Drehrichtungsanzeige eingesetzt werden.
Vorteile gegenüber dem Stand der Technik sind die hohe Betriebssicherheit und der universelle Einsatzbereich der Kraftsensoren. Beschädigungen an Sensoren im Falle allgemeiner Reparaturen sind unwahrscheinlich.
Im Gegensatz dazu ist bereits die Erstinstallation von Glasfasern - beispielsweise im Kraftfahrzeug - sehr aufwendig.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 1 bis 6 erläutert.
Figur 1 zeigt die Ausführungsform der Erfindung.
Figur 2 stellt die Anordnung zur Messung der kraftabhängigen Dämpfung dar.
Figur 3 zeigt mehrere in einen Hohlkörper eingebettete Lichtleiterkerne.
Figur 4 zeigt die Anordnung eines gewendelten Lichtleiterkerns.
Figur 5 stellt einen Lichtleiter mit inhomogenem Mantel dar.
Figur 6 zeigt eine für kleine Kräfte empfindliche Anordnung.
Der in Figur 1 dargestellte Lichtleiter hat die Eigenschaft, sich bei Querdruck auf seine konvexe Oberseite durchzubiegen, so daß in den Kern 2 eingekoppeltes Licht in den Mantel 3 eintreten kann, da der Grenzwinkel der Totalreflexion für einen Teil der Lichtstrahlen bereits überschritten ist. Ein großer Teil der Lichtintensität bleibt in der Kernfaser und wird in einer Anordnung zur Dämpfungsmessung nachgewiesen.
Eine bevorzugte Ausführung einer Meßanordnung nach diesem Prinzip zeigt Figur 2. Das aus der Lichtquelle 6 über die Lichtteilerplatte 8 in den Lichtleiter 1 eingekoppelte Licht wird je nach Durchbiegung des Lichtleiters mehr oder weniger stark gestreut und absorbiert und fehlt in dem im Detektor 7 empfangenen Signal. Die Differenz zu dem ebenfalls über die Lichtleiterplatte 8 im Detektor 9 erzeugten Referenzsignal, stellt die Dämpfung und damit nach Abzug des Untergrundsignals für die Durchbiegung Null - ein Maß für die einwirkende Kraft dar.
Figur 3 stellt einen Hohlkörper als Mantel mit axial angeordneten Kernen 2 dar. Die lichtabsorbierende elastische Hülle 4 umgibt den Mantel und sorgt dafür, daß in den Kern möglichst kein Streulicht gelangen kann. Bei Ausüben eines Drucks, Verbiegen oder Torsion des Hohlkörpers werden die eingelagerten Lichtleiterfasern ebenfalls gebogen und - abhängig vom jeweiligen Krümmungsradius - tritt mehr oder weniger Licht des Ausgangsbündels in den Mantel über und wird durch eine lichtundurchlässige Hüllschicht absorbiert. Die Dämpfung des Lichtes in einer Faser ist bereits ein Maß für die Durchbiegung, den Druck oder die Torsion des Lichtleiters. Zur-Verstãrkung dieses Effekts kann man aber auch alle Fasern hintereinander schalten.
In Figur 4 ist eine gewendelte Kernfaser dargestellt, die man vorteilhaft zur Detektierung von Elongationen oder Zugkräften benutzen kann. Die Steighöhe der Wendel ist dabei etwa 5 bis 20 mal so groß wie der Durchmesser der Wendel, die eine gewisse Länge nicht überschreiten soll, da sonst die Lichtintensität in der gekrümmten Faser zu kleine Werte annimmt. Mit einer derartigen Wendel anordnung läßt sich bequem die Torsions- oder Drehrichtung bestimmen.
Figur 5 zeigt eine Abwandlung des Prinzips mit einem Luftmantel, der den Kern bis auf die Abstützsegmente des Mantels 3 umgibt. Diese Anordnung spricht erst bei relativ großer Durchbiegung an.
In Figur 6 ist eine Variante dargestellt, bei der der Kern normalerweise wie in Figur 5 von einer Luftschicht umgeben ist.
Die Stützen sind aber so dünn, daß bei Durchbiegung die Mantelschicht 3 flächig auf den Kern 1 gedrückt wird. Da der Mantel auf der Innenseite aus dem gleichen Material besteht wie der Kern, tritt das Licht an den Berührungsstellen in den Mantel über und wird in einer außen angebrachten Schicht absorbiert. Die transparenten Kunststoffmaterialien für Kern und Mantel wurden so ausgewählt, daß sich ihr Brechungsindex in der Kombination genügend deutlich unterscheidet, die sonstigen physikalischen Eigenschaften jedoch für jedes Paar möglichst ähnlich sind.
Dies gilt besonders für die thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
Als besonders günstig erweisen sich Kombinationen von Polycarbonat für den Kern und aromatischem Polyamid für den Mantel.
Eine für einen besonders großen Temperaturbereich des Einsatzortes geeignete Kombination besteht aus Ionomeremantel und Polycarbonatkern. Man kann auch Ionomere als Kernmaterial und Celluloseacetobutyrat Typ 413 als Mantelmaterial wählen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen Kern aus Polyäthersulfon und einen Mantel aus Polycarbonat zu verwenden.

Claims

Lichtleiter als Kraftsensor Patentansprüche 1. Lichtleiter als Kraftsensor mit einem Kern und einem Mantel, wobei der Brechungsindex im Mantel niedriger ist als im Kern, und der Mantel aus elastischem Kunststoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß Kern und Mantel des Lichtleiters (1) aus dehnbarem und elastischem Kunststoff bestehen.
2. Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reißdehnung mindestens 10 % beträgt.
3. Lichtleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (2) einen um 0,3-3% größeren Brechungsindex als der Mantel (3) aufweist.
4. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß seine Hülle (4) aus mindestens einem elastischen Material besteht und daß an ihrer Innenseite eine, den Mantel (3) umgebende, lichtabsorbierende Schicht (5) angeordnet ist.
5. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (4) aus Silikongummi besteht.
6. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er derart ausgebildet ist, daß eine auf ihn einwirkende äußere Kraft eine elastische Deformation der Geometrie und des Querschnitts des Lichtleiters hervorruft.
7. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einer angeschlossenen Meßanordnung mit einem Sender (6) und einem Empfänger (7) eine Dämpfungsänderung eines im Lichtleiter geführten Lichtstrahls nachweisbar ist.
8. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern zylindrische Form besitzt und vom Mantel konzentrisch umgeben wird.
9. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus Polycarbonat und der Mantel aus aromatischem Polyamid besteht.
10. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus den Äthylen-Copolymerisaten des Äthylens (Ionomere) besteht, während der Mantel aus Celluloseacetobutyrat Typ 413 besteht.
11. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus Polyäthersulfon und der Mantel aus Polycarbonat besteht.
12. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (4) einen meniskusförmigen Querschnitt aufweist.
13. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß er im Innern eines Hohlzylinders als Hülle axial verlaufend angeordnet ist.
14. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in das Hüllenprofil mehrere axial verlaufende Lichtleiter eingebettet sind.
15. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem Hohlzylinder als Hülle wendelförmig angeordnet ist.
16. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel innen einen größeren Durchmesser als der Kern außen besitzt und sich mit Segmenten auf letzterem abstützt, deren Abstand etwa 5 mal größer ist als der Kerndurchmesser, der größenordnungsmäßig dem größten Abstand der Mantel innenfläche von der Kernaußenfläche entspricht.
17. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus dem gleichen Material besteht wie der Kern, jedoch die an der Innenfläche des Mantels vorgesehenen Stützsegmente aus einem Material mit kleinerem Brechungsindex bestehen als der Kern.
18. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
19. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern einen ovalen Querschnitt besitzt.
20. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel einen rechteckigen Querschnitt mit stark verrundeten Ecken aufweist.
21. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle ein Laser verwendet wird und der Lichleiter ein der numerischen Apertur angenähertes Verhältnis von Kerndurchmesser - in der Biegungsebene gemessen - zur Gesamtlänge des optischen Weges aufweist.