专利名称：用于测量机械力的布拉格光栅装置和该装置的工作应用及方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量机械力的布拉格光栅装置和该装置的工作应用及方法。
DE196 48 403曾公开过一种用于测量机械力的布拉格光栅装置。该装置具有-至少一个光纤，用于在传播方向上传导光辐射，-集成在所述纤维之内的布拉格光栅，具有光栅特有的布拉格波长，且该波长按照所述纤维在所述传播方向上的伸展和/或收缩而进行变化，以及-一个伸展体，该伸展体在所述的纤维上被固定在两个紧固点处，而所述两个紧固点在传播方向上是以包含所述光栅的间隔而相互布置的，并且所述的伸展体可以在传播方向上伸展。
该装置被用来测定与所述纤维的长度方向相一致的传播方向中的压力或拉力，其中所述的伸展体并不是作用为所述需测量的压力或拉力的“放大器”。
所述包含布拉格光栅的纤维譬如可以利用有弹性的弹簧而在传播方向上施加以预应拉力。
该装置的一种实施形式是具有温度补偿的方案，它具有一个无负荷的附加参考纤维，且该参考纤维具有一个集成的参考布拉格光栅，由该参考布拉格光栅来测量引起布拉格波长偏移的温度影响，并通过合适的分析来将其消除。
从US专利号5 682 445中可以查取一种布拉格光栅装置，它具有-至少一个光纤，用于在传播方向上传导光辐射，-构造在所述纤维之内的布拉格光栅，具有光栅特有的布拉格波长，且该波长按照所述纤维在所述传播方向上的伸展和/或收缩而进行变化，以及-一个无旋转轴的杠杆转换器，它在所述的纤维上被固定在两个紧固点处，而所述两个紧固点在传播方向上是以包含所述光栅的间隔而相互布置的。
所述无旋转轴的杠杆转换器的作用在于，在传播方向上给位于所述紧固点之间的纤维和光栅提供一个应力。
为此，所述无旋转轴的杠杆转换器至少具有两个在传播方向上纵向延伸的部分，该两部分均具有一个前侧端，且这些前侧端彼此固定地相连。所述两个部分中的每一个均具有一个位于该部分的所述前侧端对面的另一前侧端。一部分的所述另一端在两个紧固点之一处被固定地连接在所述的纤维上，而另一部分的所述另一端则在另一紧固点处被固定地连接在所述的纤维上。
通过改变在所述前侧端之间的传播方向上测量的所述两个部分的长度，可以在纤维内相对地产生在传播方向上起作用的应力。
本发明所基于的任务是，提供一种用于测量机械力的布拉格光栅装置，相对于已知类型的布拉格光栅装置而言，它可以实现更宽的应用。
该任务由权利要求1的特征部分来实现。
根据该解决方案，本发明用于测量机械力的布拉格光栅装置具有-至少一个由弹性材料组成的光导体，用于在传播方向上传导光辐射，-至少一个构造在所述导体内的、具有布拉格波长的布拉格光栅，所述的布拉格波长根据所述导体在传播方向上的伸展和/或收缩而发生变化，以及-力传递装置，由它把所述需测量的力转换成一个在所述传播方向上伸展和/或收缩所述导体的力。
通过如下方式可以实现更宽的应用，即所述的力传递装置在所述需测量的力和被转换的力之间具有一个不等于1的转换比。
原则上，各种传动装置都适合作为力传递装置，譬如齿轮传动装置等等。本发明装置的一种优选而又有利的改进方案是如此进行构造的，使得所述的力传递装置具有至少一个杠杆，所述杠杆可以围绕相对于所述导体为基本固定的旋转轴进行旋转，而且该杠杆还被固定在所述的导体上，所述杠杆上被施加了所述需测量的力。该改进方案在实现时结构非常简单。
在该情形下，可以通过选择位于所述需测量的力在杠杆上的作用点与所述杠杆的旋转轴之间的间隔，以及通过选择位于该旋转轴与所述杠杆在导体上的紧固点之间的间隔来调整力传递装置的转换比，该转换比通过所述第一个间隔与所述第二间隔的比值来给定。
如果所述的力传递装置具有一个杠杆，其中位于固定旋转轴和所述杠杆在导体上的紧固点之间的间隔大于位于所述固定旋转轴和所述需测量的力在杠杆上的作用点之间间隔，则尤其可以放大由所述需测量的力所引起的偏转，而且，如果所述的力传递装置具有一个杠杆，其中位于旋转轴和所述杠杆在导体上的紧固点之间的间隔小于位于所述旋转轴和所述需测量的力在杠杆上的作用点之间间隔，则可以放大力。
该改进方案可以具有一个杠杆，其中所述的旋转轴位于所述的导体和所述需测量的力在杠杆上的作用点之间，以及/或者具有一个杠杆，其中所述需测量的力在杠杆上的作用点位于所述的导体和旋转轴之间，以及/或者具有一个杠杆，其中所述的导体位于所述的旋转轴和所述需测量的力在杠杆上的作用点之间。
在该改进方案的一种优选实施形式中，所述的导体被固定在一个相对于杠杆的旋转轴为基本固定的点上，所述的点在光辐射的传播方向上以一个距杠杆的紧固点为包含有所述光栅的间隔而被布置在所述的导体上。
该实施形式可优选而又有利地具有一种载体，所述的杠杆在该载体上可绕着所述的旋转轴进行旋转，而且所述的导体被固定在所述的固定点上。该载体譬如可以优选地进行整体构造，并尤其由单一的材料组成。因此该实施方式在结构上比较简单，并且制造成本合适，避免了由多个部分组成的复杂而又昂贵的载体结构，这是有利的。
优选地，给所述的导体在传播方向上施加一个预应力。在由该预应力所确定的区域内，这既可以实现布拉格光栅的伸展，又可以实现它的收缩。
原则上，可采用各种透明弹性材料体来作为在传播方向上传导光辐射的光导体。优选地，所述的导体具有一种其内构造有所述布拉格光栅的光纤。
在本发明装置的一种优选改进方案中具有一种力产生装置，用于生成由所述力传递装置进行转换的需测量的机械力，它尤其可以如此构造，使得能随时并譬如可选择或可控地产生所述需测量的力。
在该改进方案的一种优选而又有利的扩展中，所述的力产生装置具有一种变换装置，用于把不同于所述需测量的机械力的物理量变换成所述的力，优选地，所述的物理量不同于机械力，根据所述的变换装置，该物理量譬如可以是温度、电场强度和/或磁场强度、加速度、振动等等。
如果所述的物理量譬如为电场强度或电压，则所述的变换装置可以具有一种压电材料体，它可以根据所述的场强或电压进行延伸和/或收缩，其中利用该性能来生成所述需测量的力。
如果所述的物理量譬如为加速度和/或减速度，尤其是振动，则所述的变换装置可具有运动的质量，其上作用有加速和/或减速，其中利用所述质量的惯性来产生所述需测量的力。
本发明装置的改进方案不仅具有可对取决于尤其不同于机械力的物理量的机械力进行测量的优点，而且还具有如下优点，即它自己可以被用作测量物理量的传感装置，譬如作为温度传感器、电压传感器、加速传感器或振动传感器，等等。
本发明的装置通常可以如此地工作，即把导体内的光辐射导入构造在所述导体之内的布拉格光栅，而且测量由所述布拉格光栅根据所述输入的光辐射所产生的布拉格波长，并将其作为所述需测量的力的量度。
为了补偿取决于温度的效应，可以装设一种无伸展力和无收缩力的参考光导体，其中构造了一个参考布拉格光栅，通过该参考布拉格光栅来测量引起所述布拉格波长产生偏移的温度影响，并可通过合适的分析来消除该影响。优选地，所述参考导体和用于测量力的导体为相同的类型。同样，所述的参考布拉格光栅和用于测量力的布拉格光栅也可以是相同的。
在下面的说明中，借助附图来示例地详细阐述本发明。
图1示出了本发明装置的实施例，其中放大了偏转，图2示出了图1所示实施例的实现，图3示出了本发明装置的实施例，其中放大了力，以及图4示出了图3所示实施例的实现。
上述附图是示意地、没有按比例画出的。
在附图示出的实施例中，用1标示的光导体譬如由诸如玻璃纤维光波导体等光纤组成。该纤维1在一个传播方向上传导耦合输入的光辐射P，所述传播方向与平行于图平面的、所述纤维1的长度方向10相一致。
在所述的纤维1中构造了具有光栅特有的布拉格波长λ1的布拉格光栅11，所述布拉格波长按照纤维1的伸展和/或收缩而在其长度方向10上进行变化。
通常用2标示的力传递装置把需测量的力转换成一个沿长度方向10作用于纤维1上的力，该力使所述的纤维1在长度方向10上伸展和/或收缩。
所述的力传递装置2具有一个杠杆20，其一方面可以围绕相对于纤维1为基本固定的旋转轴21旋转，另一方面又固定在所述的纤维1上，而且所述需测量的力作用在该杠杆上。
在附图中，所述旋转轴21的方向被调准为垂直于图平面，使得所述的杠杆20可以在平行于图平面的方向上旋转。
杠杆20在紧固点22处被固定在所述的纤维1上。纤维1本身在相对于杠杆20的旋转轴21为固定的点32处被固定，所述的点32位于纤维1上，它在长度方向10上离杠杆20的紧固点22有一个测量间隔a。在该间隔a之内包含有所述的光栅11。
如果在一个与旋转轴21不重合的作用点23处对杠杆20施加一个需测量的力K，而该力将使所述的杠杆20以反时针方向C绕着旋转轴21旋转，那么便会在紧固点22处产生一个从固定点32指向紧固点22的力K1，该力使得纤维1和光栅11在长度方向10上弹性地伸展。
当减轻力K时，纤维1和光栅11的伸展便减小，直到最后在力K足够小的情况下又达到纤维1和光栅11的不伸展的原始状态。
为了还能够测量使所述杠杆20以顺时针方向c绕着旋转轴21旋转的力K’，在长度方向10上给所述的纤维1施加一个确定的从固定点32指向紧固点22的预应力B，该预应力B反作用于所述力K’在紧固点22上所产生的力K1’。只要K1’≤B，则可以测量出该力K’。
在所有的附图中，为简单起见而不失一般性，需测量的力的作用点23被假定布置在杠杆轴200上，所述的杠杆轴200把位于纤维1上的、杠杆20的紧固点22同所述的旋转轴21相互连接起来，而且还平行于相应的图平面和垂直于地同旋转轴21相交。
在图1所示的实施例中，位于旋转轴21和杠杆20在纤维1上的紧固点22之间的间隔d1要大于位于固定旋转轴21和需测量的力K或K’在杠杆20上的作用点23之间的间隔d2。
该实施例适用于如下情况，其中从纤维1传递到光栅11的伸展和/或收缩非常小，以便能测量出由此产生的、光栅特有的布拉格波长λ1的偏移。
利用所述的杠杆20可以在紧固点22处实现伸展和/或收缩，该伸展和/或收缩以因数k＝d1/d2＞1大于无杠杆20时的伸展和/或收缩。
图2示出了图1所示实施例的特殊实现。在该实现当中有一个载体3，杠杆20可以在该载体上绕着固定旋转轴21进行旋转，且所述的纤维1被固定在固定点32处。
纤维1在所述载体3上的另一固定点34处如此地被紧固，使得杠杆20的紧固点22和所述的光栅11被布置在固定点32和另一固定点34之间。
纤维1在所述两个固定点32和34之间被施加了预应力B。
载体3是整体构造的，而且譬如由石英玻璃或其它玻璃制成。它优选且有利地具有一个空腔30。
该空腔30譬如为一个在所述载体3的表面部分内形成的孔洞。在图2中，该表面部分是用俯视图画出的，并用31标示。所述的空腔30在表面部分31内形成了一个由该表面部分31的内边沿301进行限制的孔径310，并垂直于图2的图平面从表面部分31延伸了一个深度。
由纤维1给空腔30的孔径310加上过应力，该纤维在所述孔径310的两侧、并在固定点32和34处被固定在譬如呈平面的表面部分31上。
在所述的空腔30内安装了杠杆20。杠杆20基本平行于图2的图平面进行延伸，然后从下面抓住纤维1并在紧固点22处固定在该纤维1上。
如图2所示的一样，所述的杠杆轴200优选地基本垂直于纤维1的纵轴10，但也可以与该纵轴呈倾斜地布置。
杠杆20的旋转轴21可以是把杠杆20活动联接到载体3上的活动接头320的旋转轴，这样，所述的杠杆20便可以相对于载体3绕着固定旋转轴21进行旋转。
杠杆20譬如通过活动接头320而活动联接到载体3上，该活动接头布置在所述的载体3和杠杆20之间，并将它们相互联接起来。
这种活动接头320譬如可以通过位于杠杆20和载体3之间的可变形联接来实现。
在图2所示的实施例中，这种可变形的联接320被布置在孔径310的边沿301和杠杆20朝向该边沿301的端子201之间。所述的联接320譬如具有一个可弯曲的联接轴321，该轴在垂直于图2平面的方向上是刚性的，而在平行于所述图平面并垂直于杠杆轴200的方向上是可以弯曲的。
这种联接320定义了一个旋转轴21，该旋转轴相对于载体3以及由此相对于纤维1不是完全固定的，而是在某种允许的极限内可以移位。也就是说，所述的旋转轴21是基本固定的。
与图1不同的是，在图2中需测量的力K或K’的作用点23是位于旋转轴21和紧固点22之间，而在图1中所述的旋转轴21是位于作用点23和紧固点22之间。
在图2所示的实现中，需测量的力K或K’譬如通过压电作用器4或其它压电材料制成体来产生，该压电作用器固定地连接在载体3和杠杆20上，并可以按照施加的电压U而沿着作用器轴400伸展，以及/或者平行于图2平面进行收缩，而且它还在作用点23处垂直或倾斜地与杠杆轴200相交。由此，能伸展和/或收缩的压电作用器4在所述的杠杆20上施加一个需测量的力K或K’，该力指向所述的作用点23，并可被视为施加在那儿的力。
所述与载体3和杠杆20固定相连的压电作用器4构成了一个力产生装置，以便产生由力传递装置2进行转换的需测量的机械力K或K’。所述的压电作用器4本身也构成了一种变换装置，以便把不同于所述需测量的机械力K或K’的物理量(此处为电压U)变换成所述的力K和K’。
由压电作用器4或其它压电材料制成体产生的力非常大，而这种制成体的伸展和/或收缩则非常小。图1和2所示的实施例主要适用于放大所述伸展和/或收缩的情况，其中大大地增加了所述布拉格波长λ1的分辨率，并由此增加了测试灵敏度。总的来说，该实施例比较适合用作电压传感器。
如果为产生所述需测量的力而采用了一种譬如根据温度或磁场强度进行伸展和/或收缩的材料体，而不是压电作用器，那么利用图1和2所示的实施例可以实现较大测量灵敏度的温度传感器或磁传感器。
与图1和2的实施例不同的是，在图3所示的实施例中，位于旋转轴21和杠杆20在导体1上的紧固点22之间的间隔d1要小于位于所述旋转轴21和需测量的力K和K’在杠杆20上的作用点23之间的间隔d2。
该实施例适用于如下情况，其中由纤维1传递到光栅11上的伸展和/或收缩非常小，以便能测量出由此产生的、光栅特有的布拉格波长λ1的偏移，因为影响该伸展和/或收缩的力K1或K1’比较小。
在该实施例中，利用所述的杠杆20可以在紧固点22处实现力K1或K1’，该力以因数1/k＝d2/d1＞1大于杠杆作用点23上需测量的力K或K’。
图4示出了图3所示实施例的特殊实现。除了不同于图2实施例中的杠杆情况之外，该实现的不同之处只在于产生需测量的力K或K’的方式不一样。此外，图4所示的实现是以与图2的实施例相同的方式进行构造的，并且相应的部分是用相同的参考符号来表示的。
与图1、2的实施例和图3的实施例不同的是，在图4所示的实现中，杠杆20的紧固点22被布置在杠杆20的旋转轴21和所述需测量的力K或K’的作用点23之间。
在该情形下，所述需测量的力K或K’譬如为一种惯性力，在杠杆20加速运动时该惯性力将杠杆20的惯性质量M施加到杠杆20上。在该情形下，所述力K或K’的作用点23与质量M的重心重合。
在这种情况下，在载体3上可绕着旋转轴21旋转的、质量为M的杠杆20构成了力产生装置，以便生成由所述力传递装置2进行转换的需测量的机械力K、K’。具有旋转轴21和质量M的杠杆20本身构成了一种变换装置，以便把不同于所述需测量的机械力K或K’的物理量(此处为加速度)变换成所述的力K和K’。
当加速度较小时，即便在质量M较大的情况下也只会产生极小的惯性力，该力不能或只能较少地在长度方向10上伸展所述的布拉格光栅11。利用图4所示的实现，可以将这种小的惯性力K或K’转换成足以旋转所述光栅11的大惯性力K1或K1’，其中同时可以获得足够的偏转。
利用图3和4所示的实施例，可以实现较大测量灵敏度的加速传感器和/或振动传感器。
附图中所示的每个装置通常可以如此地进行工作，使得光辐射P耦合输入到纤维1中，并在所述的纤维1中被导往布拉格光栅11，然后测量由该光栅11反射的布拉格波长λ1。所述测量的波长λ1或其偏移为需测量的力或物理量的量度。
在图2中示出了参考纤维5，它具有用于补偿取决于温度的效应的参考布拉格光栅51。该参考纤维5在布置时平行于纤维1，并无应力地跨过空腔30和杠杆20，而且，该参考纤维在表面部分31的点52和54处被如此地固定在载体3上，使得载体3取决于温度的伸展不会在参考纤维5内产生可以测量的机械应力。所述的参考纤维5和纤维1可以采取同样的纤维。同样，参考布拉格光栅51和布拉格光栅11的构造相同。
权利要求
1.用于测量机械力(K，K’)的布拉格光栅装置，具有-至少一个由弹性材料组成的光导体(1)，用于在传播方向(10)上传导光辐射(P)，-至少一个构造在所述导体(1)内的、具有布拉格波长(λ1)的布拉格光栅(11)，所述的布拉格波长根据所述导体(1)在传播方向(10)上的伸展和/或收缩而发生变化，以及-力传递装置(2)，由它把所述需测量的力(K，K’)转换成一个在所述传播方向(10)上伸展和/或收缩所述导体(1)的力(K1，K1’)。
2.如权利要求1或2所述的装置，其中所述的力传递装置(2)具有至少一个杠杆，-所述杠杆可以绕着相对于所述导体(1)为基本固定的旋转轴(21)进行旋转，-所述杠杆被固定在所述的导体(1)上，以及-在所述杠杆上作用了所述需测量的力(K，K’)。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述的力传递装置(2)具有一个杠杆(20)，而且，位于所述旋转轴(21)和所述杠杆(20)在所述导体(1)上的紧固点(22)之间的间隔(d1)大于位于所述旋转轴(21)和所述需测量的力(K，K’)在所述杠杆(20)上的作用点(23)之间的间隔(d2)。
4.如权利要求2或3所述的装置，其中所述的力传递装置(2)具有一个杠杆(20)，而且，位于所述旋转轴(21)和所述杠杆(20)在所述导体(1)上的紧固点(22)之间的间隔(d1)小于位于所述旋转轴(d2)和所述需测量的力(K，K’)在所述杠杆(20)上的作用点(23)之间的间隔(d2)。
5.如权利要求2～4之一所述的装置，其中所述的导体(1)被固定在一个相对于杠杆(20)的旋转轴(21)为基本固定的点(23)上，所述的点在传播方向(10)上以一个距杠杆(20)的紧固点为包含有所述光栅(11)的间隔(a)而被布置在所述的导体(1)上。
6.如权利要求5所述的装置，具有一种载体(3)，所述的杠杆(20)在该载体上可绕着所述的旋转轴(21)进行旋转，而且所述的导体(1)被安装在所述的固定点(23)上。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述的载体(3)是整体地构造的。
8.如前述权利要求之一所述的装置，其中所述的导体(1)在传播方向(10)上具有一个预应力(B)。
9.如前述权利要求之一所述的装置，其中所述的导体(1)具有一种光纤。
10.如前述权利要求之一所述的装置，具有一种力产生装置(3，20，4；3，20，21，M)，用于生成由所述力传递装置(2)进行转换的需测量的机械力(K，K’)。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述的力产生装置(3，20，4；3，20，21，M)具有一种变换装置(4；20，21，M)，用于把不同于所述需测量的机械力(K，K’)的物理量(U)变换成所述的力(K，K’)。
12.如权利要求11所述的装置，其中所述的变换装置(4)具有一种压电材料体。
13.如权利要求11或12所述的装置，其中所述的变换装置(20，21，M)具有运动的质量(M)。
14.应用权利要求10～13之一所述的装置来测量物理量(U)。
15.权利要求1～14之一所述装置的工作方法，具有步骤-将导体(1)内的光辐射(P)导入构造在所述导体(1)之内的布拉格光栅(11)，而且-测量由所述布拉格光栅(11)根据所述输入的光辐射(P)所产生的布拉格波长(λ1)，并将其作为所述需测量的力(K，K’)的量度。
全文摘要
用于测量机械力(K,K’)的布拉格光栅装置,它具有光纤(1)、构造在所述纤维内的布拉格光栅(11)、以及力传递装置(2),由所述的力传递装置把需测量的力转换成一个伸展和/或收缩所述纤维(1)的力(K1,K1’)。所述的装置(2)可以实现较高的测量灵敏度,而且还能实现具有较高测量灵敏度的用于测量诸如电压、温度、加速度、振动等其它物理量的传感器。
文档编号G01L1/24GK1341208SQ00804271
公开日2002年3月20日 申请日期2000年2月2日 优先权日1999年2月24日
发明者M·维尔施 申请人:西门子公司