光学应变计.pdf

一种光学应变计，其包含至少一个光波导(5)，所述光波导(5)被固定在薄的底层(1)上。在此，所述光波导(5)含有至少一个带有用于获取应变的光纤布拉格光栅(6)的区段(10)。本发明的特征在于，所述光波导(5)在光纤布拉格光栅区段(10)以外在该光纤布拉格光栅区段(10)两侧通过两个固定元件(3，4)覆盖。因此，所述光波导(5)在光纤布拉格光栅区段(10)以外力锁合地固定在其底层(1)上。在这两个侧面的固定元件(3，4)之间，相对软的弹性的稳固元件(2)包围所述光波导(5)，所述稳固元件(2)至少将布拉格光栅区段(10)形状锁合地固定在其底层(1)上。

1.  一种光学应变计，其包含至少一个光波导(5)，所述光波导(5)被固定在薄的底层(1)上并且所述光波导(5)具有至少一个带有用于获取应变的光纤布拉格光栅(6)的区段(10)，其特征在于，所述光波导(5)在光纤布拉格光栅区段(10)以外在该光纤布拉格光栅区段(10)两侧通过两个固定元件(3，4)覆盖，所述光波导(5)通过所述固定元件(3，4)力锁合地固定在其底层(1)上，并且，所述光波导(5)在侧面的固定元件(3，4)之间被相对软的弹性的稳固元件(2)包围，所述稳固元件(2)至少将布拉格光栅区段(10)形状锁合地固定在其底层(1)上。

2.  根据权利要求1所述的光学应变计，其特征在于，所述光学应变计构造为矩形的薄膜状的物体，该物体具有作为底层(1)的扁平的薄层和作为覆盖层(7)的扁平的薄层，所述光波导(5)在纵向上线性地设置在这些薄层之间。

3.  根据权利要求1或2所述的光学应变计，其特征在于，所述底层(1)在所述光纤布拉格光栅(6)的区域中由扁平的薄的稳固层(2)组成，在纵向上在该稳固层(2)两侧各设置有一个扁平的薄的下固定带(11)，所述光波导(5)以其光纤布拉格光栅(6)通过粘接连接固定在所述下固定带(11)上。

4.  根据权利要求3所述的光学应变计，其特征在于，在其上固定有光波导(5)的底层(1)上粘贴有作为覆盖层(7)的扁平的薄层，其中，具有光纤布拉格光栅(6)的所述光波导(5)通过粘接连接至少形状锁合地固定在底层(1)和覆盖层(7)之间。

5.  根据上述权利要求中任一项所述的光学应变计，其特征在于，所述固定元件(3，4)各包含至少两个固定带(11)，所述固定带(11)相互间并且与所述光波导(5)的端部在光纤布拉格光栅区段(10)以外形状锁合地且力锁合地粘接，其中，所述固定元件(3，4)由相对硬的附着性好的塑料组成。

6.  根据权利要求5所述的光学应变计，其特征在于，所述固定元件(3，4)由浸透酚醛树脂的玻璃纤维塑料组成。

7.  根据上述权利要求中任一项所述的光学应变计，其特征在于，所述稳固元件(2)包含至少两个薄的稳固层(2)，所述光波导(5)至少以其光纤布拉格光栅区段(10)形状锁合地固定在这些稳固层(2)之间。

8.  根据权利要求7所述的光学应变计，其特征在于，所述稳固元件(2)由相对软的弹性的附着性好的塑料材料组成。

9.  根据权利要求8所述的光学应变计，其特征在于，所述相对软的弹性的塑料材料由一个或多个薄膜状的含丙烯酸酯的粘接层组成。

10.  根据上述权利要求中任一项所述的光学应变计，其特征在于，一个扁平的薄膜状的护层(8)固定在所述覆盖层(7)上，所述护层(8)由至少一个附着性好的含丙烯酸酯的粘接层组成。

11.  一种用于制造根据权利要求1至10中任一项所述的光学应变计的方法，在该方法中，在一个底层(1)和一个覆盖层(7)之间粘接一个具有光纤布拉格光栅区段(10)的光波导(5)，其特征在于，在两个可被加热的压板之间首先放入一个扁平的稳固层(2)，该稳固层(2)在纵向上带有两个贴靠的固定带(11)，在所述固定带(11)上纵向地放置一个光波导(5)，其中，以同类型的覆盖层(7)覆盖所述底层(1)，然后在预给定的压力下整体地加热和固化这些层。

12.  根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在覆盖层(7)上还放置一个由薄膜状的丙烯酸酯粘接剂制成的护层(8)，该护层(8)与底层(1)和覆盖层(7)在预给定的压力下被加热和固化。

光学应变计
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的光学应变计，以及一种根据权利要求11前序部分所述的用于制造该光学应变计的方法。
背景技术
光学应变计以各种形式为人所知并且主要由薄膜状的载体层组成或者注塑在这样的载体层中。这些载体层包括底层，光波导固定在该底层上，该光波导包含具有光纤布拉格光栅的区段。馈送到光波导中的、具有一定波长的相干光束通过这样的光纤布拉格光栅反射并且能够作为反射峰被检测到。如果这样的光学应变计被应用在变形体上，则反射峰的波长由于应变而与该应变成比例地变化。因此，这样的光学应变计可以与具有电阻栅的电学应变计类似地被应用并且能够用于检测不同的物理量。
在实践中发现，这样的反射峰由于正交于光纤方向的机械应力或者由于横向指向的应变场而具有多个反射峰值或者一个在宽度上显著增大的峰值，该峰值在常见的分析计算装置中不能精确地用一个单一的波长进行解算。
这样的用于测量机械应力的光学应变计在EP 1 129 327 B1中公开。在此涉及一种光学应变计，该光学应变计构造为光纤瓣状体。该光学应变计在此由构造为刚性平板的载体材料制成，在该载体材料上粘贴有一个光波导，该光波导具有三个各具有一个光纤布拉格光栅的区段，该光波导通过一个另外的粘贴的平板覆盖。在一种另外的实施形式中，所述光波导包封在由固化的环氧树脂制成的硬的载体材料中。为了测量应变，光学应变计以其片状的或者由环氧树脂层组成的底层粘贴到变形体或者应变体上，该变形体或者应变体的应变需要检测。为了进行粘贴，光学应变计必须以其底层牢固地压合到变形体或者应变体上，由此已经在刚性的环氧树脂层或者板中引入强烈的横向力。由于与光纤布拉格光栅刚性地连接，所以会在光纤布拉格光栅中留下持久的残余应力，所述残余应力通常导致反射峰的强烈加宽。但是，这样的光学应变计也能够以其包封在环氧树脂中的光纤布拉格光栅或者粘接在两块硬的板之间的光纤布拉格光栅牢固地插入到碳素纤维强化的复合材料或者水泥材料中来获取应变，由此也会在固化过程中在光纤布拉格光栅中局部地引入持久的横向力。这通常在光纤布拉格光栅中引起干扰，所述干扰导致具有一个或多个峰值的反射峰强烈地加宽，从而很难以足够的精度来检测这些反射峰的反射波长。
但是，DE 196 48 403 C1公开了一种用于检测测量的、具有集成的光纤布拉格光栅的光学传感器，在该传感器的光纤布拉格光栅中不会引入能够使反射峰加宽的横向力。这种传感器指的是一种力传感器，通过该力传感器不仅可检测拉伸力而且可检测压缩力。因此，光波导以其光纤布拉格光栅设置在两个间隔开的夹紧元件之间，这些夹紧元件通过一个压力弹簧和一个应变体相对于彼此在拉伸方向预张紧。在此，光波导以其光纤布拉格光栅区段设置在管状的应变体中并且仅仅力锁合地固定在夹紧元件上。在光纤布拉格光栅的区域中，在应变体和具有光纤布拉格光栅的光波导区段之间的中空室中显然设置有软的填充材料。为了力的测量，力在这两个夹紧元件中变成拉伸力和压缩力，由此能够使具有光纤布拉格光栅的光波导膨胀和压缩，进而与引入的力成比例地在两个方向上改变光波导的反射波长。由于光纤布拉格光栅区段的安装受到保护，反射峰保持得相对窄，从而能够精确地检测到波长的变化。但是，这样的管状传感元件具有为此设置的用于引入力的矩形夹紧元件，其在体积上非常大并且在制造上非常费劲。此外，这样的传感元件也很难固定在待检测的可膨胀的表面上。此外，由于预应力而已经在拉伸方向上失去了一部分应变测量范围，因而不再能够检测较大的应变作用。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种光学应变计，该光学应变计具有紧凑的扁平的结构并且通过该光学应变计能够无预应力地且精确地检测待获取的应变。
该目的通过在权利要求1和11中给出的发明解决。本发明的改进方案和有利的实施例在从属权利要求中给出。
本发明具有以下优点：通过两个在光纤布拉格光栅区段以外的扁平的固定元件在该光纤布拉格光栅中均匀地引入纵向上的张力。在此，通过这些力锁合的固定元件排除了在布拉格光栅区段中引入其他的力，从而反射波长产生单一的反射峰，该反射峰使得对反射波长的精确检测成为可能，由此也使得精确的应变检测成为可能。
本发明同时具有以下优点：通过光纤布拉格光栅区段的相对软的弹性包覆不但在纵向上而且在横向上固定了该光纤布拉格光栅，但是使残余的材料应力或者横向力保持远离用于测量应变的光纤布拉格光栅区段。由此同时保护光波导的测量区域免受机械损坏和残余变形。此外，光纤布拉格光栅区段的具有相对软的弹性塑料的包覆具有以下优点：通过无预应力的固定因而也能测量压缩，而无须将光波导固定在硬质的侧面导向件上。
本发明还具有以下优点：这样的具有无预应力地固定的光纤布拉格光栅区段的光学应变计可以用于应变测量的整个拉伸测量范围，该拉伸测量范围显著地大于常规的电学应变计的拉伸测量范围，另外没有拉伸测量损失并且也能够检测压缩。
本发明的另一个优点在于：由于光波导与两种不同的塑料材料粘接，故光学应变计的制造简单，与光波导完全与力锁合的稳固层粘接或者包覆相比，光波导与两种不同的塑料材料粘接并不是显著更费劲。
附图说明
本发明借助在附图中示出的实施例详细阐述。附图为：
图1以示意性剖视图示出光学应变计的侧视图；和
图2以示意性剖视图示出光学应变计的正视图。
具体实施方式
在附图的图1中以侧视图示意性地示出一种光学应变计，该光学应变计主要由底层1和覆盖层7组成，一个带有光纤布拉格光栅6的光波导5粘接在该底层1和覆盖层7之间，其中，底层1和覆盖层7包含两个由相对硬的且附着性好的塑料制成的扁平的固定元件3、4，这两个固定元件侧向地设置在光纤布拉格光栅区段10旁边，并且在这两个固定元件之间设有相对软的弹性的稳固元件2。
所述光学应变计涉及一种传感元件，该传感元件优选应用在对应变敏感的变形体9上，该变形体的应变应当被检测。在此可以涉及例如力传感器的变形体9(该变形体优选由铝制成)或者涉及例如飞机机身的对应力敏感的部分，这部分的应变应当被直接获得。因此，在这里指定一种由铝制成的变形体9，光学应变计被应用在该变形体9上。但是，由其他材料制成的变形体9或对应变敏感的构件也是可想到的，尤其可以想到将这样的光学应变计集成在光纤复合材料中或者应用在光纤复合材料上。
在指定的由铝制成的变形体9中，光学应变计借助未示出的塑料粘接剂直接粘贴，该塑料粘接剂也应用在电学应变计中。光波导5被构造为线性的，被设置在底层1上，并且通过专门的制造工艺使光波导5约一半进入到该底层1中。该底层1在此包括两个位于侧面的扁平的下固定带11，这些下固定带设置在布拉格光栅区段10的左侧旁和右侧旁。在所述下固定带11之间设置有作为底层1的一部分的下稳固层2，该下稳固层2至少朝向底层1填充光波导5的光纤布拉格光栅区段10。所述固定带11指的是载体薄膜，正如其在电学应变计中常见的那样，这些载体薄膜在此优选由一叠例如四个浸透酚醛树脂的单个玻璃纤维板组成，这些玻璃纤维板构成用于光波导5的固定元件3、4。固定元件3、4指的是相对硬的经同化的塑料，所述塑料通过以下方式产生：在压力下将浸透酚醛树脂的玻璃纤维板加热到约165°，由此使这些玻璃纤维板相互粘接并且在接下来的冷却过程中固化。在此，在压力下的加热应当保持适当的时间以便形成交联，优选保持三个小时。
而底层1的设置在这些固定元件3、4之间的扁平的稳固层2由相对软的弹性塑料组成，所述弹性塑料同样通过在压力作用下的加热来发挥其粘接力。优选地，为此使用薄膜状的丙烯酸酯粘接带，所述丙烯酸酯粘接带也以杜邦公司的商标的名义销售。通过两个固定元件3、4之间的粘接带，在固化后形成光波导5及其光纤布拉格光栅区段10在变形体9上的形状锁合的固定，该形状锁合的固定不会在光纤布拉格光栅6中引入横向力和机械应力。由这两个侧面的固定带11和设置在这些固定带之间的稳固层2组成的底层1在各处具有约0.2至0.25mm的相同高度并且优选长30至40mm。在此，光波导5也有一半在约90μm的高度上被稳固层2包围并且与该稳固层牢固地粘接。
从附图的图2可看到光波导5在底层1和覆盖层7之间的布置的细节。在此，该光学应变计例如具有优选约5-10mm的总宽度，该总宽度足够很好地包围约180μm厚的光波导5并且同时保证在变形体9上的牢固应用。
附加地，在底层1的上方且在光波导5上面还设置有覆盖层7的扁平层，该覆盖层7同样在右侧和左侧具有由固定带制成的硬的、附着性好的层，这些层与下固定带11和光波导5形成力锁合的连接并且分别构成一个固定元件3、4。在此，这两个上固定带11也优选由浸透酚醛树脂的玻璃纤维带构造，这些上固定带11力锁合地包围除光纤布拉格光栅区段10之外的光波导5的一半。通过这样构造的固定元件3、4仅仅沿着光纤纵向将应变力引入到光波导5或者说光波导5的光纤布拉格光栅6中。为了与光波导5固定，两个浸透酚醛树脂的玻璃纤维带11在压力下被短时间地加热到165°并且缓慢冷却以便固化。由此形成与光波导5的硬的力锁合的连接，该连接仅仅具有非常小的蠕变特性。
在覆盖层7上面也有一个上稳固层2设置在两个侧面的上固定带11之间，该上稳固层2由软的弹性的塑料粘接剂、优选由丙烯酸酯粘接剂制成，该上固定层同样覆盖光波导5的一半，尤其是也覆盖带有光纤布拉格光栅6的区段10的一半，并且由此与下稳固层3完全围合。在此，覆盖层7和底层1的两个稳固层2同样通过在压力作用下的加热与光波导5粘接。因为光学应变计的由两个稳固层组成的中间部分作为稳固元件2是相对软的且是弹性的，所以该中间部分仅仅使具有光纤布拉格光栅6的光波导区段10在其纵向上和横向上固定，其中，该中间部分是这么软的和弹性的，使得不会将横向力和纵向力持久地引入到光纤布拉格光栅6中。因此，尤其是防止了在装配过程中或者在应变过程期间持久地引入横向力，通过该横向力可能改变反射峰的峰值的宽度。
与底层1类似，覆盖层7的扁平的层以优选0.2-0.25mm的高度设置，通过该覆盖层也能在中间区域中形状锁合地嵌合约180μm厚的光波导5。因为固定带11和稳固层2在纵向上仅仅彼此齐平地相邻，所以在覆盖层7上总体还施加一个护层8，该护层8优选也由软的弹性的丙烯酸酯粘接剂粘接层组成。
为了制造该光学应变计，首先将底层1的固定元件3、4的各个片状的带11和稳固元件2在纵向上相邻地且在高度上重叠地放置在可加热的压板上。然后在这上面对称地设置线性的光波导5，并且以同样的方式在这上面放置覆盖层7的片状的带和层。为了纵向连接，随后将共同的护层8设置在应变计的整个层结构上面。该整个层结构随后被设置在两个可加热的压板之间且被加热到约165°的温度，并且允许该层结构在一定的压力下完全缓慢地冷却。由此形成在光波导5的端部区域上的牢固的力锁合的连接以及形成在中间区域和光纤布拉格光栅区段10中的软的弹性连接。在此，通过该相对软的弹性的稳固元件2已经防止：在制造过程中就有大的横向力被引入到布拉格光栅区域10中，该大的横向力可能会导致光纤布拉格光栅结构发生持久的变化。因为通过光纤布拉格光栅6在稳固元件2内部的这种布置，应变力只能通过固定元件3、4沿纵向引入到光纤布拉格光栅6中，所以如在对光纤布拉格光栅6预紧时的那样形成一个具有清晰峰值的、单一的窄反射峰，该反射峰的波长可被精确地检测到。于是，首先由于在光纤布拉格光栅的波长变化时的精确可检测性，可获得对变形体的应变特性的精确的测量信号。
但是，根据本发明的光学应变计不一定要逐层地构造，底层区域和覆盖层区域也可以作为统一的塑料层制造，光波导5被所述塑料层包覆注塑。在此，仅仅需要使固定元件3、4由附着性好的相对硬的材料制成，该材料力锁合地与两个光波导端部连接，这两个光波导端部与光纤布拉格光栅区段10相接。在所述固定元件之间在中间部分中设置稳固元件2，该稳固元件2也可以一体地注塑并且只需起固定该光纤布拉格光栅区段10的作用。为此优选的是还设置有弹性的软的塑料材料。