具有光纤布拉格光栅的光学应变仪

摘要

本发明涉及光学应变仪，其使用带有布拉格光栅（2）的玻璃纤维（1）作为应变传感器。该玻璃纤维（1）覆有护套（3），所述护套（3）具有下面的组成：聚醚醚酮和混入的至少10重量%且最大40重量%无机填料的混合物，该无机填料的粒度是0.08μm-12μm。该护套（3）的外径是0.2mm-1.2mm。该护套（3）的外径D与玻璃纤维（1）的直径d之间的比率D/d是2-6。该护套（3）在该玻璃纤维（1）上的压力是这样的，即，基本上不会发生该玻璃纤维（1）与护套（3）之间的相对移动。

说明书

本发明涉及光学应变仪（optisch Dehnungsmessvorrichtung），其使用具有光纤布拉格光栅（Faser-Bragg-Gitter）的玻璃纤维作为应变传感器。为了测量材料应变而利用材料光学性能的变化是由现有技术充分已知的，在理论方面尤其如此。一种这类配置例如示出在文件DE 100 04 384 C2中。

各个这类应变仪由至少一个带有含至少一个光纤布拉格光栅的玻璃纤维的传感器和同样含玻璃纤维的信号线(Signalleitung)组成。

玻璃纤维应变传感器如此设计：使得其尽可能无误地感知待测的应变。原则上存在两类这样的传感器。第一类情况下，有待用于测量的玻璃纤维设置在健壮的壳体中。这种壳体固定（例如拧紧）到测量位置上，例如记载在文件DE 100 31 412 C2, DE 39 02 997 C1, US 4,761,073或DE 297 11 958 U1中。该实施方案的优点在于，这种装在壳体中的传感器易于操作，并且能够容易地将其固定在测量对象上。在固定之前或之后，将设置在该壳体中的应变测量纤维与玻璃纤维信号线相连，其中由现有技术已知不同的连接构造，例如插塞连接。这类传感器和具有其连接器的所属的信号线是大体积的，因此仅能用于其上存在足够空间的测量位置。

另一应用问题在于，必须将光纤布拉格光栅施加到预定的测量位置。因此要求精确知道光纤布拉格光栅的位置。在上文所述的装在壳体中的传感器的情况下，产生在壳体外边缘和光纤布拉格光栅的几何形状组合。这样，在测量位置上方设置和精确对准传感器才不会出现问题。

但是，还存在许多的测量任务，其中要测量在空间上难于到达的位置的应变。在此不能使用具有大体积壳体的传感器。对于这些应用情况使用例如嵌入到柔性膜中的传感器，例如在文件DE 10 2007 008 464 A1或US 6,720,553 B2中所述。这些传感器具有更小的体积，并因此能够应用于其上没有用于具有牢固的、大体积外壳的传感器的空间的位置。然而，在狭窄的空间条件下，这种传感器也难于应用，因为在所述空间狭窄的条件下为此所需的把手难于最优地实施。特别麻烦的是将光纤布拉格光栅对准到测量位置，这是因为在空间受限制的情况下，在该膜上施加的标识和定位标记尤其难于辨识。

除了在测量位置的空间受限制之外，由于腐蚀性的环境影响还导致又一变得困难的条件，使得必须保护传感器和信号线免受上面环境影响的侵害。特别地，在传感器和信号线之间的连接位置必须加以特别好的保护，这要求费用增多。

因此，本发明的目标在于提供一种测量技术，藉此即使在空间受限制的情况下也能以低的费用进行应变测量。特别地，该应变传感器应当能够简单地固定和能够精确地将光纤布拉格光栅分配到测量位置。此外信号线和应变传感器应当是机械健壮的，并且对水和腐蚀性物质基本不敏感。本发明的另一目标在于提供制造这类测量技术的方法。

这些目标是通过权利要求1的光学应变仪和权利要求10的方法来解决的。

根据权利要求1，该光学应变仪包含带有布拉格光栅和护套(Mantel)的玻璃纤维，其中该护套具有下面的组成：聚醚醚酮和混入的至少10重量%且最大40重量%无机填料的混合物，该无机填料的粒度是0.08 μm-12 μm。该护套的外径是0.2mm-1.2mm。该护套的外径D与玻璃纤维的直径d之间的比率D/d是2-6。该护套在该玻璃纤维上的压力是这样，即，基本上不会发生该玻璃纤维与护套之间的相对移动。该护套的压力使得填料颗粒戳入玻璃纤维，由此达到该效果。

借助本发明的光学应变仪成功地满足了各式各样的要求。本发明的光学应变仪的优点在于传感器和信号线单元导致极其健壮的光学应变仪，其能够极其精确地将光纤布拉格光栅分配到测量位置，即使在空间受限制的情况也是如此。所要求保护的几何形状连同所要求保护的覆层或护套的组成使得能够借助硬质机械物体例如螺丝刀非常精确地定位光纤布拉格光栅。为此，使该物体以预定的压力在该护套上方移动。该护套材料由此略微变形，并由此使得光纤布拉格光栅也变形。通过光纤布拉格光栅变形产生的光纤布拉格光栅的光学性能变化借助分析技术检测。这使得能够在本发明的光学应变仪的长度方向上极其精确地定位光纤布拉格光栅，由此该应变仪即使在狭窄的应用条件下提供仍然精确的测量结果。

本发明的光学应变仪除了简单和精确地定位光纤布拉格光栅的能力之外，还具有由优化的信号线预期的性能。特别要强调的是足够的塑性和健壮性，这使得能够用手使引导段预先变形，以使得随后能够将其穿入到空间狭窄的测量位置并粘着或者以其它方式将其固定。如果本发明的光学应变仪过于弹性，那么不能进行该预先变形。有待固定的纤维区段会由于其弹性的回弹力不能很好地粘着，而是需要另外的固定辅助方式。但是，在狭窄的空间条件下，通常不能够在测量位置上使用这类固定辅助方式。如果本发明的光学应变仪还是刚性的，那么不能预先变形，或者其会折叠，由此会使得玻璃纤维断裂。

此外，所选择的供护套用的组成具有对许多化学品的高抗性，使得本发明的光学应变仪还能够用于恶劣的工业环境，而无需昂贵的保护措施。

本发明的光学应变仪的另一优点在于用裸眼已经能在至少2m察觉玻璃纤维的断裂，具体取决于环境的亮度。为此，将激光光源连接到该纤维末端。光从纤维断裂位置离开，并通过透明护套的特定组成很好地散射，并由此易于看见。该优点是有吸引力的，因为在具有许多测量线的大规模应用中快速发现该缺陷。

根据权利要求2，该护套在该玻璃纤维上的压力至少是120 N/mm2。在这样的压力情况下，在玻璃纤维和护套之间基本上不会相对移动，和由此能够进行精确的应变测量。

根据权利要求3，该玻璃纤维包含具有ORMOCER^?涂层的玻璃芯。该ORMOCER^?涂层具有对于在该光学应变仪制造中将护套挤出到玻璃纤维上的工艺足够的化学稳定性。由在其它情况下通常使用的丙烯酸酯或者聚酰亚胺制成的涂层并不能具有这样的化学稳定性。

根据权利要求4，该无机填料是硅酸盐；根据权利要求5，该无机填料是层状硅酸盐，和根据权利要求6，该无机填料是滑石，白垩，碳酸钙，硫酸钡，氮化硼，二氧化硅或者膨润土。上述填料使得本发明的光学应变仪的上文所述性能成为可能。

根据权利要求7，混入的无机填料为至少25重量%且最大40重量%。由此，能够实现进一步改进的塑性性能。

根据权利要求8，混入的无机填料为至少27重量%且最大33重量%。由此，能够实现仍然进一步改进的塑性性能。

根据权利要求9，粒度是至少0.1 μm且最大10 μm。这样的粒度能够在护套和玻璃纤维之间获得良好的结合。

根据权利要求10，一种制造光学应变仪的方法包含下面的步骤：提供带有布拉格光栅的玻璃纤维和将护套挤出到该玻璃纤维上。其中该护套具有下面组成：聚醚醚酮和混入至少10重量%且最大40重量%无机填料的混合物，该无机填料的粒度是0.08 μm-12 μm。该护套的外径是0.2mm-1.2mm。该护套的外径D与玻璃纤维的直径d之间的比率D/d是2-6。在所述方法结束之后，该护套在该玻璃纤维上的压力是这样的，即，基本上不会发生该玻璃纤维与护套之间的相对移动。该护套的压力使得填料颗粒戳入玻璃纤维中，由此达到该效果。

用根据本发明的方法制得的光学应变仪具有上文所述的有益性能。

根据权利要求11，对挤出参数进行选择，以使得在所述方法结束之后，护套在该玻璃纤维上的压力是至少120 N/mm2。在这样的压力情况下，基本上不会发生该玻璃纤维与护套之间的相对移动，和能够进行精确的应变测量。

根据权利要求12，该提供玻璃纤维的步骤包含：提供玻璃芯的步骤和用ORMOCER^?涂层涂覆该玻璃芯的步骤。该ORMOCER^?涂层具有对于制造光学应变仪中将护套挤出到玻璃纤维上的工艺足够的化学稳定性。由在其它情况下通常使用的丙烯酸酯或者聚酰亚胺涂层并不能具有这样的化学稳定性。

根据权利要求13，该无机填料是硅酸盐；根据权利要求14，该无机填料是层状硅酸盐，和根据权利要求15，该无机填料是滑石，白垩，碳酸钙，硫酸钡，氮化硼，二氧化硅或者膨润土。上述填料使得本发明的光学应变仪的上文所述的性能成为可能。

下面，本发明将依靠工作实施例以及示意性附图详细说明。

图1示出了根据该工作实施例的光学应变仪的纵截面图，其是放大图。

图2示出了根据该工作实施例的光学应变仪的横截面图，其是放大图。

图3示出了流程图，该流程图阐述了制造根据该工作实施例的光学应变仪的方法的基本步骤。

图1示出了根据工作实施例的光学应变仪的纵截面图，其是放大图。用附图标记1表示玻璃纤维，用附图标记2表示布拉格光栅和用附图标记3表示包套或护套。箭头4表示护套3在玻璃纤维1上的压力。

图2示出了根据该工作实施例的光学应变仪的横截面图，其为放大图。玻璃纤维1在包套或者护套3中是共轴设置的。

护套3可以具有下面组成：聚醚醚酮和混入的至少10重量%且最大40重量%无机填料的混合物，所述无机填料的粒度例如是0.08 μm-12 μm。下文中，聚醚醚酮被称作PEEK，而PEEK和无机填料的混合物称作PEEKF。

该无机填料可以例如是滑石(水合硅酸镁，Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂)，白垩，碳酸钙(CaCO₃)，硫酸钡(BaSO₄)，氮化硼(BN)，二氧化硅(SiO₂)，膨润土(主成分(60-80%)是蒙脱石(层状硅酸铝，Al₂[(OH)₂/Si₄O₁₀]_nH₂O))，石英(SiO₂)，氧化铝(Al₂O₃)，碳化硅(SiC)，中空玻璃珠，沉淀硅石，硫化锌(ZnS)或者二氧化钛(TiO₂)。

玻璃纤维1可以包含带有布拉格光栅2的玻璃芯5和涂层6。涂层6的材料可以例如是ORMOCER^?，即，无机-有机杂聚物。

护套3的外径D可以例如是0.2mm-1.2mm。护套3的外径D和玻璃纤维1的直径d之间的比率D/d可以例如是2-6。在该工作实施例中，该玻璃纤维1的直径d是0.185mm和护套3的外径D是0.6mm。护套3由混入了30重量％的具有0.1微米-10微米的粒度的滑石作为填料的PEEKF制成。通过挤出法将护套3施加到玻璃纤维1上，并用预定的压力包封玻璃纤维1，该预定的压力大于0。同心的压力分布用箭头4表示。

护套3在玻璃纤维1上的压力可以是这样的，即，玻璃纤维1和护套3之间基本上不发生相对移动，并能够进行精确的应变测量。护套3在玻璃纤维1上的压力可以例如是120 N/mm2-216 N/mm2。

在光学应变仪的制造中，该护套3(无机填料分布在其中)是通过挤出法施加到玻璃纤维1上的。挤出工艺是在高温进行的，因为PEEKF的熔点大于370℃。在缓慢冷却过程中和从温度极限开始(在该温度时PEEKF开始凝固)，冷却中的每度产生了一定的压力，这归因于玻璃纤维1和护套3材料膨胀的差异。例如，玻璃的膨胀系数可以是0.5ppm/K，PEEKF的膨胀系数可以是25ppm/K，由此产生了24.5ppm/K的差值。该温度极限(在该温度时PEEKF开始凝固))可以是例如大约170℃。例如当从大约170℃冷却到大约20℃时，例如计算为150 K x 24.5ppm/K。

因此，玻璃纤维1和护套3的材料不同的膨胀性导致发生了收缩过程，结果在护套3和玻璃纤维1之间形成了收缩连接。由此，护套3完全紧密握紧玻璃纤维1。这是通过挤出的特定参数和通过护套材料PEEFK的特定组成实现的。

图3示出了流程图，该流程图阐述了根据该工作实施例的制造光学应变仪的方法的基本步骤。在步骤S1中提供了带有布拉格光栅2的玻璃芯5。在步骤S2中将涂层6涂覆到玻璃芯5上。步骤S1和S2一起形成了提供玻璃纤维1的步骤。在步骤S3中，将护套3挤出到玻璃纤维1上。

步骤S1提供带有布拉格光栅2的玻璃芯5可以具有提供玻璃芯5的步骤和向该玻璃芯5提供布拉格光栅2的步骤。

在根据该工作实施例的制造光学应变仪的方法情况下，可以对挤出参数进行选择，以使得在所述方法结束后，护套3在玻璃纤维1上的压力是这样，即，在玻璃纤维1和护套3之间基本上不会发生相对移动，并能够进行精确的应变测量。护套3在玻璃纤维1上的压力可以是例如120 N/mm2-216 N/mm2。