WO2015106732A1 - Magnetostrictive sensor for measuring distance and position - Google Patents

Magnetostrictive sensor for measuring distance and position Download PDF

Info

Publication number
WO2015106732A1
WO2015106732A1 PCT/DE2014/000011 DE2014000011W WO2015106732A1 WO 2015106732 A1 WO2015106732 A1 WO 2015106732A1 DE 2014000011 W DE2014000011 W DE 2014000011W WO 2015106732 A1 WO2015106732 A1 WO 2015106732A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fiber
magnetostrictive
measuring
sensor according
optical fiber
Prior art date
Application number
PCT/DE2014/000011
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Heiko Mahr
Josef ALBANO
Michael Warber
Original Assignee
Balluff Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Balluff Gmbh filed Critical Balluff Gmbh
Priority to DE112014006216.2T priority Critical patent/DE112014006216B4/en
Priority to PCT/DE2014/000011 priority patent/WO2015106732A1/en
Publication of WO2015106732A1 publication Critical patent/WO2015106732A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/48Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using wave or particle radiation means
    • G01D5/485Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using wave or particle radiation means using magnetostrictive devices
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35303Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using a reference fibre, e.g. interferometric devices
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/3537Optical fibre sensor using a particular arrangement of the optical fibre itself
    • G01D5/3538Optical fibre sensor using a particular arrangement of the optical fibre itself using a particular type of fiber, e.g. fibre with several cores, PANDA fiber, fiber with an elliptic core or the like

Definitions

  • Magnetostrictive sensor for distance or position measurement
  • the invention is based on a magnetostrictive sensor according to the preamble of the independent claims.
  • US Pat. No. 3,898,555 A discloses a position measuring device comprising an electrical waveguide (i.e., waveguide) having magnetostrictive properties.
  • the waveguide is acted upon by current pulses which lead to a magnetic field whose field lines run concentrically in the waveguide and surround it concentrically on the outside. Adjacent to the waveguide is a
  • slidable permanent magnet provided whose poles are arranged such that the magnet is a localized, extending mainly in the axial direction within the waveguide magnetic field
  • the permanent magnet is arranged on the object whose position or movement is to be measured.
  • Damping element arranged, which absorbs the sound wave impinging there and prevents reflection.
  • a wave detection device is arranged, which detects the vibration of the waveguide and converts it into signals.
  • the signals are fed to a signal evaluation arrangement, which determines the position of the permanent magnet and the associated object from the transit time of the shaft.
  • the wave detection is realized as a magnetic coil.
  • the magnetic coil surrounds the waveguide at one end over a short distance, while at the other end the damping element is again arranged.
  • the auxiliary permanent magnet is replaced by an always existing magnetic field of the waveguide, which can be referred to as remanent magnetic field.
  • the short-term change of the (remanence) magnetic field induces a measuring voltage in the magnetic coil.
  • Permanent magnet is again determined from the transit time of the wave in the waveguide, which is between the occurrence of the current pulse and the occurrence of the measuring voltage.
  • Applicant's previously published DE 10 2010 008 495 A1 also discloses a method for measuring the position of an object, in which a magnet associated with the object is moved along a magnetostrictive waveguide, whereby the magnet causes a first magnetic field component in a field region in the waveguide.
  • a current signal is provided with a current pulse which causes a current magnetic field in the waveguide, which has at least one field component in the waveguide, which caused by the magnet
  • the transit time of a mechanical shaft is used to determine the position of the position sensor.
  • the wave is created by superposition of a magnetic field from the current pulse with the magnetic field of the position sensor.
  • Signal detection has a decisive influence on the measuring accuracy.
  • a coil is used for this purpose in which the mechanical shaft induces a voltage twice.
  • the mechanical shaft is reflected after passing through the coil and then generates a voltage for the second time.
  • the two signals can be added so that an optimum useful signal, in particular an approximately twice as large useful signal arises.
  • a characteristic size of the signal for example a zero crossing, is evaluated.
  • Nanosecond range are evaluated, which corresponds to a measurement accuracy of a few m. Furthermore, from US 2007/0014506 A1 a fiber optic
  • Position measuring system which comprises a magnetic element and one or more segments of magnetostrictive material.
  • Fiber optics include a fiber Bragg grating. This measuring system detects changes in the relative position between a magnetic field source and one of said segments. The local measuring principle is based on
  • the fiber optic disclosed therein has more than one lattice constant.
  • the determination of position data by means of the relatively complex interferometric method described briefly takes place. Since the measuring section is not formed continuously but segmented, the
  • the measurement length accessible for the measurement is limited by the resolution of said interferometer.
  • US Pat. No. 6,433,543 B1 discloses a magnetostrictive magnetic sensor, in which a first glass fiber is attached to a
  • Bending beam is arranged and a second fiber from the first
  • Glass fiber is arranged spaced. Light is introduced into the first fiber.
  • the second optical fiber has means for detecting the end of the first optical fiber by optical coupling to the end of the second optical fiber
  • Magnetic field is, and therefore allows the determination of the size of the external magnetic field. Disclosure of the invention
  • the invention has for its object to provide a generic magnetostrictive sensor, which eliminates the disadvantages of the prior art described.
  • the invention is based on the idea of further developing a sensor based on a fiber optic technology having at least one optical fiber.
  • the senor according to the invention has a Bragg grating known per se, by means of which distance or position measurements are made possible by the interaction of the Bragg grating with the described principle of magnetostriction.
  • the at least one optical fiber can be formed by one or more individual fibers.
  • the use of such an optical fiber has the advantage that a flexible arrangement or laying of the
  • Measuring section is made possible.
  • the measuring method on which the invention is based measures the distance continuously and not only periodically. Magnetostrictive systems known in the prior art can only measure periodically, in particular due to the current impulse excitation.
  • the better damping compared to sound waves at the end face of an optical fiber allows a higher useful length than ultrasound-based displacement sensors and thus long measuring distances of eg greater than 7 m. Also, with a light guide, ultrasonic noise due to reflections decreases.
  • the measuring method does not generate a mechanical wave but is based on optical reflections taking place in the optical measuring section. Optical reflections can be significantly improve reflective coatings or by chamfering the fiber. In addition, optical reflections can be better damped by corresponding damping elements than mechanical waves.
  • the space to be provided for damping at the end of the measuring section is significantly reduced in optical fiber systems compared to mechanical ones
  • the proposed fiber optics especially in view of the relatively small number of electrical components, allows the use in an industrial environment, in particular under chemically or physically particularly aggressive or even potentially explosive environments.
  • the elimination of an electrical excitation also offers a higher E MV stability (electromagnetic compatibility) along the entire measuring path.
  • the optical fiber is provided with a continuous lattice constant grating lattice and then coated in a manner known per se with a magnetostrictive envelope or surrounded by such a sheath, e.g. by means of an adhesive bond, Schrumpf′′. Press connection, or by overmolding, remelting, threading, pressing, coating or doping.
  • a magnetostrictive envelope or surrounded by such a sheath e.g. by means of an adhesive bond, Schrumpf′′. Press connection, or by overmolding, remelting, threading, pressing, coating or doping.
  • magnetostrictive wrapping is not important, but it must be ensured that it is a non-positive connection, which mechanically takes place in the envelope held expansions or compressions on the fiber.
  • a suitable material for said enclosure is e.g. a
  • magnetostrictive polyethylene (PE) layer The exact material is not relevant to the invention, however, it is advantageous if the magnetostrictive material as similar or coincident mechanical properties such as the material of the fiber optic, in particular with respect to the bending flexibility, on the elongation over the temperature and on the material expansion over the temperature. Therefore, all magnetostrictive acting (MR) materials such as
  • Plastics, ceramics, magnetostrictive glasses or doped optical fibers suitable for the envelope are plastics, ceramics, magnetostrictive glasses or doped optical fibers suitable for the envelope.
  • the elongated extent of the magnetostrictive envelope along the optical fiber defines the actual measurement range, i. the area within which the magnetostrictive sensor is sensitive.
  • Light source a time-varying frequency modulated light signal is introduced or fed into the optical fiber.
  • the same light signal is e.g. fed by means of a splitter in a not provided with such a magnetostrictive envelope optical reference fiber or fed directly to the receiver, wherein the two signals from the reference path and the reflection from the measuring fiber are fed to a receiver.
  • the two exiting signals are superimposed and therefore give a modulated signal.
  • an optical component is provided, which combines the two exiting signals, or the two signals are fed directly to the receiver, which is connected to both optical fibers in a light-conducting or light-tight manner. The latter is made possible in particular by the small thickness of a single fiber.
  • the signals emerging from the first fiber and the reference fiber may also be separate
  • the light signal fed into the two fibers is preferably infrared (IR) liquid.
  • IR infrared
  • Fiber measuring technology is common wavelength and many standard components are available in this area.
  • the sensor according to the invention can in principle be realized with any wavelength of light
  • the feeding of said light signals and the detection of the two exiting light signals or the said modulated signal is preferably carried out by means of the known measuring principle of the modulated (FMCW) continuous wave radar.
  • FMCW modulated
  • the advantage of the FMCW method in comparison with normal magnetostrictive methods with mechanical waves is in particular that due to the sampling in the MHz to GHz range as well as due to the insensitivity to optical
  • a third optical fiber which is preferably arranged along the measuring section and which, like the reference fiber, is likewise not provided with a magnetostrictive envelope but is mirrored at its free end, can be provided.
  • this third fiber e.g. Variations in the thermal expansion of the measuring path caused by changing environmental conditions are detected and compensated by suitable measures, e.g. the length of the reference fiber is determined using the same method, and then the length extension of the measuring fiber is compensated for electronically or mathematically.
  • the sensor according to the invention has in comparison to the prior art, a Bragg grating, whereby the size of the by magnetostriction
  • the measurement resolution can be freely adapted to the measurement length, since the chirp frequency can be adapted to the position of the magnet or the application.
  • Said chirp frequency refers to a signal whose frequency changes over time, distinguishing between positive chirps, in which the frequency increases in time, and negative chirps, which have a frequency decrease.
  • the sensor according to the invention is preferably suitable for a position or displacement transducer for detecting the position of a magnetic
  • the senor can detect internal or external mechanical stresses or deflections of a body.
  • the sensor is in principle also suitable for detecting changes in temperature or pressure.
  • the very small cross-section and the great mechanical flexibility of the optical fibers used make it possible to use them in curved measuring sections or environments and to lay the measuring path in a mechanically and optically difficult or impossible area, e.g. in the interior of a
  • opaque cylinder e.g. for detecting the longitudinal position of a magnet in such a cylinder.
  • Figure 1 shows a glass fiber with a Bragg grating according to the prior art
  • Figures 2a-c show in a glass fiber according to Figure 1 resulting signal waveforms
  • Figure 3 shows a preferred embodiment of a
  • Figures 4a-e show in a sensor according to the invention according to Figure 3 resulting signal waveforms.
  • the optical waveguide (in this case a conventional glass fiber or POF) shown in FIG. 1 comprises, as is known, a cladding 100, a core 105 and an outer coating (not shown).
  • Bragg grating in which the so-called “Bragg reflection” takes place.
  • the Bragg grating corresponds to a periodic modulation of the refractive index and therefore influences a continuous signal such as an interference filter with a filter bandwidth ⁇ ⁇ (see FIG. 2).
  • Said periodic modulation of the refractive index n, with high and low refractive index ranges, causes the light of a certain wavelength to be reflected back according to a band-stop filter.
  • the center wavelength of the filter bandwidth in a monomode fiber is given by the following Bragg condition:
  • n 2 and n 3 are the effective refractive indices of the core of the optical fiber and ⁇ the grating period.
  • the spectral width of the band depends on the length of the fiber Bragg grating and the strength of the
  • Refractive index change between the adjacent refractive index ranges.
  • the infrared light 115 propagating in the glass fiber are reflected 120 at the Bragg grating 110.
  • the wavelength of the reflected light 120 depends in particular on the elongation of the glass fiber, i. of the
  • the wavelength of the filter bandwidth ⁇ shifts by ⁇ with the temperature 7 and the relative elongation e of the glass fiber:
  • the elongation of the fiber is made up of the proportion of the outside
  • a described fiber Bragg grating can resolve compressive forces of several bar and temperature changes of 100 K.
  • FIGS. 2a to 2c show a fiber according to FIG.
  • the light output P is plotted against the wavelength ⁇ .
  • the individual values of the light output are the input power P E corresponding to the input signal 115 in FIG. 1, the output power P R of the reflected signal 120, and the output power P D of the signal 125 exiting the optical fiber 100, 105.
  • the power P E of the input signal has a relatively large bandwidth of wavelengths ⁇ . Due to the above-mentioned filter function of the Bragg grating 110 is a relative
  • FIG. 3 shows an optical fiber according to the invention, in the present case formed from an arrangement of at least two individual fibers 300, 342.
  • the individual fibers 300, 342 may be glass fibers, plastic (polymer) fibers, or the like. Only the single fiber 300 has a Bragg grating 310 arranged in the respective fiber core 305 and is enveloped or coated with a magnetostrictive material 315.
  • Light signal 320 is fed to a splitter 325.
  • the splitter 325 is used to feed the input signal 320 into both the first measuring fiber 300 and the second reference fiber 342.
  • the signal fed into the measuring fiber 300 is fed to the signal current position of a magnetic object or measuring body 307 due to
  • magnetostrictive cladding 315 and in combination with the Bragg grating, and deflected by means of the beam splitter 325 so as to strike an optical receiver 370.
  • the optical elements shown here can also be dispensed with altogether if the measuring fiber and the reference fiber are arranged relatively close, e.g. are bundled so that the signals due to the small lateral offset are instantaneous, i. can be supplied to a receiver without the 90 ° deflection shown, or to be supplied to separate receivers and then to be electrically superimposed.
  • a third fiber can be provided, which is also fed via the identical input signal.
  • the third fiber also has a mirror finish at the end. Due to this mirroring the input signal is reflected back, whereby a change in length of the third fiber due to a
  • Temperature change in turn, known per se via the FMCW method can be determined. Based on the resulting value of the change in length, the sensor can be calibrated to a
  • the magnetostrictive envelope 315 is stretched or compressed by the magnetic field shown.
  • the magnetic measuring body 307 is formed in the present embodiment by a permanent magnet, but can also be realized by an electromagnet or the like, since it does not depend on the type of generating the magnetic field.
  • the position of the measuring body 307 in the longitudinal direction of the measuring fiber 300 and the reference fiber 342 corresponds to the position to be detected of the present sensor.
  • the path traveled by the magnetic measuring body along the length of the fibers can be detected.
  • a temperature change, a mechanical stress or
  • the sheath of the measuring fiber 300 is correspondingly stretched or compressed by the magnetostrictive effect. This deformation causes due to the Bragg grating 310 an intrinsic influence on the coupled-in light spectrum, which in turn a
  • FIGS. 4a-4e The measuring principle on which the invention is based is illustrated below with reference to the signal curves shown in FIGS. 4a-4e.
  • a typical frequency response i. shown in the embodiment shown a sawtooth with constant pitch.
  • FIG. 4b as a further exemplary embodiment of the aforementioned frequency characteristic, a triangular function with a constant gradient is shown.
  • FIG. 4c shows a typical transmission signal, in the present case an amplitude characteristic with the named sawtooth frequency response.
  • FIG. 4d shows a typical receiver signal 400, which results from the incoherent superimposition of the measurement signal 405 and the reference signal 410.
  • the frequency of the beat i. the envelope shown, are determined.
  • FIG. 4e illustrates how twice as large a distance as compared to FIG. 4a is twice as large
  • the Beating frequency of the receiver signal 415 The elongation or compression of the measuring fiber 300 caused by the magnetic measuring body 307 caused by the magnetic measuring body 307 at the location of the magnetic influencing, ie in the area of the mentioned measuring section, causes an intensified reflection of the coupled-in light signal due to the corresponding distortion of the Bragg grating.
  • This reflected light is supplied to the aforementioned optical receiver 370.
  • the light reflected from the reference fiber 342 is supplied to the receiver 370.
  • the light components of the measuring fiber 300 and the reference fiber 342 are superimposed incoherently or coherently, resulting in a correspondingly modulated signal.
  • the light signals from the measuring fiber and the reference fiber as already described, can be supplied to separate receivers and then subsequently be electrically superimposed.
  • the feeding of said light signals and the corresponding detection of the light signals emerging from the fibers 300, 342 and the said modulated signal by means of the known measuring principle of the modulated (FMCW) continuous wave radar takes place.
  • a radar signal is emitted with a constantly changing frequency. The frequency increases either linearly to drop abruptly at a certain value back to the initial value (sawtooth pattern), according to the waveform shown in Figure 4a, or it rises and falls alternately at a constant
  • Waveform By linear change of the frequency and by continuous transmission, it is possible, in addition to the differential speed between transmitter and object in particular to determine their absolute distance from each other. The exact position of the generated reflection can be over the
  • Determination of the beat frequency (envelope) can be determined, as can be seen from the waveform in Figure 4d. At twice as big

Abstract

The invention relates to a magnetostrictive sensor for measuring distance and position, comprising at least one optical fibre (300, 305) provided with a magnetostrictive sheath (315), which sensor can be used to detect the position of a magnetic object (307) in the direction of the at least one optical fibre (300, 305), said at least one optical fibre (300, 305) having, in particular, a Bragg grating (310), the lattice constant of which can be altered by the mechanical action of the magnetostrictive effect of the magnetostrictive sheath (315) brought about by the magnetic object (307).

Description

Beschreibung Titel  Description title
Magnetostriktiver Sensor zur Entfernungs- bzw. Positionsmessung Magnetostrictive sensor for distance or position measurement
Die Erfindung geht aus von einem magnetostriktiven Sensor nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. The invention is based on a magnetostrictive sensor according to the preamble of the independent claims.
Stand der Technik State of the art
Auf dem hier betroffenen Gebiet der Entfernungs- bzw. Positionsmessung sind unterschiedliche Ansätze bekannt. So geht aus der Patentschrift US 3 898 555 A eine Positionsmessvorrichtung hervor, die einen elektrischen Wellenleiter (d.h. Hohlleiter) mit magnetostriktiven Eigenschaften aufweist. Der Hohlleiter wird mit Stromimpulsen beaufschlagt, die zu einem Magnetfeld führen, dessen Feldlinien konzentrisch im Hohlleiter verlaufen und diesen außen konzentrisch umgeben. Benachbart zum Hohlleiter ist ein Different approaches are known in the field of distance or position measurement here concerned. Thus, US Pat. No. 3,898,555 A discloses a position measuring device comprising an electrical waveguide (i.e., waveguide) having magnetostrictive properties. The waveguide is acted upon by current pulses which lead to a magnetic field whose field lines run concentrically in the waveguide and surround it concentrically on the outside. Adjacent to the waveguide is a
verschiebbarer Permanentmagnet vorgesehen, dessen Pole derart angeordnet sind, dass der Magnet ein örtlich begrenztes, hauptsächlich in axialer Richtung innerhalb des Hohlleiters verlaufendes Magnetfeld slidable permanent magnet provided whose poles are arranged such that the magnet is a localized, extending mainly in the axial direction within the waveguide magnetic field
BESTÄTIGUNGSKOPIE verursacht. Der Permanentmagnet ist an demjenigen Objekt angeordnet, dessen Position oder Bewegung gemessen werden soll. CONFIRMATION COPY caused. The permanent magnet is arranged on the object whose position or movement is to be measured.
Die im Bereich des Magnetfelds des Permanentmagneten örtlich begrenzte Überlagerung mit dem zirkulären, während des Stromimpulses auftretenden Magnetfeld führt zu einer örtlich begrenzten Änderung des resultierenden Magnetfeldes, die aufgrund des magnetostriktiven Effekts eine The localized in the region of the magnetic field of the permanent magnet superposition with the circular, occurring during the current pulse magnetic field leads to a localized change of the resulting magnetic field, due to the magnetostrictive effect
Längenänderung des Hohlleiters verursacht, die sich als Schallwelle in beiden Richtungen bewegt. An einem Ende des Hohlleiters ist ein Changes the length of the waveguide causes, which moves as a sound wave in both directions. At one end of the waveguide is a
Dämpfungselement angeordnet, welches die dort auftreffende Schallwelle absorbiert und eine Reflexion verhindert. Am anderen Ende des Hohlleiters ist eine Wellenerfassungsvorrichtung angeordnet, welche die Schwingung des Hohlleiters erfasst und in Signale umsetzt. Die Signale werden einer Signalbewertungsanordnung zugeführt, die aus der Laufzeit der Welle die Position des Permanentmagneten und des damit verbundenen Objekts ermittelt. Damping element arranged, which absorbs the sound wave impinging there and prevents reflection. At the other end of the waveguide, a wave detection device is arranged, which detects the vibration of the waveguide and converts it into signals. The signals are fed to a signal evaluation arrangement, which determines the position of the permanent magnet and the associated object from the transit time of the shaft.
In der Offenlegungsschrift US 3,898,555 A ist eine Vorrichtung zur In the patent application US 3,898,555 A is an apparatus for
Positionsmessung beschrieben, die ebenfalls auf dem magnetostriktiven Effekt beruht. Anstelle der vergleichsweise aufwändigen, in der zuvor beschriebenen Vorrichtung vorgesehenen Wellen-Erfassung ist bei der hier beschriebenen Messvorrichtung die Wellen-Erfassung als Magnetspule realisiert. Die Magnetspule umgibt den Hohlleiter an einem Ende auf einer kurzen Strecke, während am anderen Ende wieder das Dämpfungselement angeordnet ist. Der Hilfs-Permanentmagnet ist durch ein stets vorhandenes Magnetfeld des Hohlleiters ersetzt, das als Remanenzmagnetfeld bezeichnet werden kann. Die kurzzeitige Änderung des (Remanenz-)Magnetfelds induziert eine Mess-Spannung in die Magnetspule. Die Position des Position measurement described, which is also based on the magnetostrictive effect. Instead of the comparatively complex wave detection provided in the device described above, in the measuring device described here, the wave detection is realized as a magnetic coil. The magnetic coil surrounds the waveguide at one end over a short distance, while at the other end the damping element is again arranged. The auxiliary permanent magnet is replaced by an always existing magnetic field of the waveguide, which can be referred to as remanent magnetic field. The short-term change of the (remanence) magnetic field induces a measuring voltage in the magnetic coil. The position of the
Permanentmagneten wird wieder aus der Laufzeit der Welle im Hohlleiter ermittelt, die zwischen dem Auftreten des Stromimpulses und dem Auftreten der Mess-Spannung liegt. Aus der vorveröffentlichten DE 10 2010 008 495 A1 der Anmelderin geht zudem ein Verfahren zur Positionsmessung eines Objekts hervor, bei dem ein dem Objekt zugeordneter Magnet entlang eines magnetostriktiven Wellenleiters bewegt wird, wodurch der Magnet in einem Feldbereich im Wellenleiter eine erste Magnetfeldkomponente verursacht. Dabei wird ein Stromsignal mit einem Stromimpuls bereitgestellt, das im Hohlleiter ein Strom-Magnetfeld verursacht, das zumindest eine Feldkomponente im Wellenleiter aufweist, die von der vom Magneten verursachten Permanent magnet is again determined from the transit time of the wave in the waveguide, which is between the occurrence of the current pulse and the occurrence of the measuring voltage. Applicant's previously published DE 10 2010 008 495 A1 also discloses a method for measuring the position of an object, in which a magnet associated with the object is moved along a magnetostrictive waveguide, whereby the magnet causes a first magnetic field component in a field region in the waveguide. In this case, a current signal is provided with a current pulse which causes a current magnetic field in the waveguide, which has at least one field component in the waveguide, which caused by the magnet
Feldkomponente abweicht. In dem genannten Feldbereich entsteht aufgrund der Feldänderung während des Stromimpulses infolge des magnetostriktiven Effekts eine Welle, die erfasst wird, wobei die Position des Objekts aus der Laufzeit dieser Welle im Wellenleiter ermittelt wird. Field component deviates. Due to the magnetostrictive effect, in the field area mentioned, a wave is generated due to the field change during the current pulse, which is detected, the position of the object being determined from the propagation time of this wave in the waveguide.
Bei den genannten magnetostriktiven Sensoren wird aus der Laufzeit einer mechanischen Welle auf die Position des Positionsgebers geschlossen. Die Welle entsteht durch Überlagerung eines Magnetfeldes aus dem Stromimpuls mit dem Magnetfeld des Positionsgebers. Die Signaldetektion hat hierbei einen ganz entscheidenden Einfluss auf die Messgenauigkeit. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Signalwandlern wird hierzu eine Spule benutzt, in der die mechanische Welle zweimal eine Spannung induziert. Die mechanische Welle wird nach dem Durchlaufen der Spule reflektiert und erzeugt dann zum zweiten Mal eine Spannung. Durch eine geeignete geometrische Anordnung der Komponenten, d.h. der Spule und des In the case of the magnetostrictive sensors mentioned, the transit time of a mechanical shaft is used to determine the position of the position sensor. The wave is created by superposition of a magnetic field from the current pulse with the magnetic field of the position sensor. Signal detection has a decisive influence on the measuring accuracy. In the case of signal converters known from the prior art, a coil is used for this purpose in which the mechanical shaft induces a voltage twice. The mechanical shaft is reflected after passing through the coil and then generates a voltage for the second time. By a suitable geometric arrangement of the components, i. the coil and the
Reflexionsendes, lassen sich die beiden Signale so addieren, dass ein optimales Nutzsignal, insbesondere ein etwa doppelt so großes Nutzsignal entsteht. Dabei wird im Stand der Technik eine charakteristische Größe des Signals, beispielsweise ein Nulldurchgang ausgewertet. Ein solcher Reflection end, the two signals can be added so that an optimum useful signal, in particular an approximately twice as large useful signal arises. In this case, in the prior art, a characteristic size of the signal, for example a zero crossing, is evaluated. Such a
Nulldurchgang kann heute bei Berücksichtigung des Rauschens im Zero crossing today can take into account the noise in the
Nanosekundenbereich ausgewertet werden, was einer Messgenauigkeit von einigen m entspricht. Ferner geht aus der US 2007/0014506 A1 ein faseroptisches Nanosecond range are evaluated, which corresponds to a measurement accuracy of a few m. Furthermore, from US 2007/0014506 A1 a fiber optic
Positionsmesssystem hervor, welches ein magnetisches Element sowie eines oder mehrere Segmente aus magnetostriktivem Material umfasst. Die Position measuring system forth, which comprises a magnetic element and one or more segments of magnetostrictive material. The
Faseroptik umfasst ein Faser-Bragg-Gitter. Dieses Messsystem erfasst Änderungen der relativen Position zwischen einer Magnetfeldquelle sowie einem der genannten Segmente. Das dortige Messprinzip beruht auf Fiber optics include a fiber Bragg grating. This measuring system detects changes in the relative position between a magnetic field source and one of said segments. The local measuring principle is based on
Änderungen der Segmentgröße, welche wiederum Abweichungen der von dem Bragg-Gitter reflektierten Wellenlänge hervorruft, welche Changes in the segment size, which in turn causes deviations of the wavelength reflected from the Bragg grating, which
interferometrisch erfasst werden. Bei bekannter räumlicher Anordnung des Magnetfeldes kann aus der Wellenlänge der reflektierten Welle auf die genannte Änderung der relativen Position geschlossen werden. Die dort offenbarte Faseroptik weist mehr als eine Gitterkonstante auf. Zudem erfolgt die Bestimmung von Positionsdaten mittels des kurz beschriebenen relativ aufwendigen interferometrischen Verfahrens. Da die Messstrecke zudem nicht kontinuierlich, sondern segmentiert ausgebildet ist, ist die be detected interferometrically. In a known spatial arrangement of the magnetic field can be concluded from the wavelength of the reflected wave on said change in the relative position. The fiber optic disclosed therein has more than one lattice constant. In addition, the determination of position data by means of the relatively complex interferometric method described briefly takes place. Since the measuring section is not formed continuously but segmented, the
Messauflösung durch die Segmentierung fest vorgegeben. Darüber hinaus ist die für die Messung zugängliche Messlänge durch die Auflösung des genannten Interferometers begrenzt. Measurement resolution fixed by the segmentation. In addition, the measurement length accessible for the measurement is limited by the resolution of said interferometer.
Schließlich geht aus der US 6,433,543 B1 ein magnetostriktiv arbeitender magnetischer Sensor hervor, bei dem eine erste Glasfaser an einem Finally, US Pat. No. 6,433,543 B1 discloses a magnetostrictive magnetic sensor, in which a first glass fiber is attached to a
Biegebalken angeordnet ist und eine zweite Glasfaser von der ersten Bending beam is arranged and a second fiber from the first
Glasfaser beabstandet angeordnet ist. In die erste Glasfaser wird Licht eingeleitet. Die zweite Glasfaser weist Mittel zur Erfassung des am Ende der ersten Glasfaser durch optische Kopplung auf das Ende der zweiten Glass fiber is arranged spaced. Light is introduced into the first fiber. The second optical fiber has means for detecting the end of the first optical fiber by optical coupling to the end of the second optical fiber
Glasfaser übertragenen Lichtes auf. Diese optische Kopplung ändert sich aufgrund des magnetostriktiven Effekts und der damit einhergehenden Verbiegung des Biegebalkens, wobei der magnetostriktive Effekt proportional zur Änderungen einer entsprechenden Komponente eines äußeren Glass fiber transmitted light. This optical coupling changes due to the magnetostrictive effect and the concomitant bending of the bending beam, the magnetostrictive effect being proportional to changes in a corresponding component of an external one
Magnetfeldes ist, und ermöglicht daher die Bestimmung der Größe des äußeren Magnetfeldes. Offenbarung der Erfindung Magnetic field is, and therefore allows the determination of the size of the external magnetic field. Disclosure of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen magnetostriktiven Sensor anzugeben, der die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik ausräumt. The invention has for its object to provide a generic magnetostrictive sensor, which eliminates the disadvantages of the prior art described.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen auf der Grundlage einer wenigstens eine optische Faser aufweisenden Glasfasertechnologie beruhenden Sensor weiterzubilden. The invention is based on the idea of further developing a sensor based on a fiber optic technology having at least one optical fiber.
Der erfindungsgemäße Sensor weist insbesondere ein an sich bekanntes Bragg-Gitter auf, mittels dessen Entfernungs- bzw. Positionsmessungen durch die Wechselwirkung des Bragg-Gitters mit dem beschriebenen Prinzip der Magnetostriktion ermöglicht werden. In particular, the sensor according to the invention has a Bragg grating known per se, by means of which distance or position measurements are made possible by the interaction of the Bragg grating with the described principle of magnetostriction.
Die wenigstens eine optische Faser kann dabei durch eine oder mehrere Einzelfasern gebildet sein. Die Verwendung einer solchen optischen Faser hat den Vorteil, dass eine flexible Anordnung bzw. Verlegung der The at least one optical fiber can be formed by one or more individual fibers. The use of such an optical fiber has the advantage that a flexible arrangement or laying of the
Messstrecke ermöglicht wird. Zudem wird eine gegenüber bekannten Measuring section is made possible. In addition, one over known
Wegmesssensoren höher getaktete Messung ermöglicht. Das der Erfindung zugrundeliegende Messverfahren misst die Distanz kontinuierlich und nicht nur periodisch. Im Stand der Technik bekannte magnetostriktive Systeme können, insbesondere bedingt durch die Stromimpulsanregung, nur periodisch messen. Distance measuring sensors higher clocked measurement allows. The measuring method on which the invention is based measures the distance continuously and not only periodically. Magnetostrictive systems known in the prior art can only measure periodically, in particular due to the current impulse excitation.
Die gegenüber Schallwellen bessere Dämpfung an der Endfläche einer optischen Faser ermöglicht eine höhere Nutzlänge als bei ultraschallbasierten Wegmesssensoren und damit lange Messstrecken von z.B. größer 7 m. Auch verringern sich bei einem Lichtleiter gegenüber Ultraschall Störeffekte aufgrund von Reflexionen. Das Messverfahren erzeugt keine mechanische Welle, sondern beruht auf in der optischen Messstrecke erfolgenden optischen Reflektionen. Optische Reflektionen lassen sich durch anti- reflektive Beschichtungen oder durch Anfasen der Faser wesentlich verbessern. Zudem lassen sich optische Reflektionen durch entsprechende Dämpfungselemente besser dämpfen als mechanische Wellen. Der für die Dämpfung vorzusehende Raum am Ende der Messstrecke reduziert sich bei optischen Fasersystemen wesentlich im Vergleich zu mechanischen The better damping compared to sound waves at the end face of an optical fiber allows a higher useful length than ultrasound-based displacement sensors and thus long measuring distances of eg greater than 7 m. Also, with a light guide, ultrasonic noise due to reflections decreases. The measuring method does not generate a mechanical wave but is based on optical reflections taking place in the optical measuring section. Optical reflections can be significantly improve reflective coatings or by chamfering the fiber. In addition, optical reflections can be better damped by corresponding damping elements than mechanical waves. The space to be provided for damping at the end of the measuring section is significantly reduced in optical fiber systems compared to mechanical ones
Systemen, und daher vergrößert sich vorteilhaft das Verhältnis Messstrecke zu Baulänge. Systems, and therefore increases advantageously the ratio of measuring distance to length.
Darüber hinaus ermöglicht die vorgeschlagene Faseroptik, insbesondere in Anbetracht der relativ geringen Anzahl an elektrischen Komponenten, den Einsatz in einem industriellen Umfeld, insbesondere unter chemisch oder physikalisch besonders aggressiven oder sogar explosionsgefährdeten Umgebungen. Der Entfall einer elektrischen Anregung bietet zudem eine höhere E MV-Stabilität (elektromagnetische Verträglichkeit) entlang der gesamten Messstrecke. In addition, the proposed fiber optics, especially in view of the relatively small number of electrical components, allows the use in an industrial environment, in particular under chemically or physically particularly aggressive or even potentially explosive environments. The elimination of an electrical excitation also offers a higher E MV stability (electromagnetic compatibility) along the entire measuring path.
Bevorzugt wird die optische Faser mit einem kontinuierlichen Bragg-Gitter einheitlicher Gitterkonstante versehen und danach in an sich bekannter Weise mit einer magnetostriktiven Umhüllung beschichtet bzw. von einer solchen Umhüllung umgeben, z.B. mittels einer Klebeverbindung, Schrumpfbzw. Pressverbindung, oder durch Umspritzen, Umschmelzen, Einfädeln, Einpressen, Beschichten oder Dotieren. Auf die genaue Art der Preferably, the optical fiber is provided with a continuous lattice constant grating lattice and then coated in a manner known per se with a magnetostrictive envelope or surrounded by such a sheath, e.g. by means of an adhesive bond, Schrumpfbzw. Press connection, or by overmolding, remelting, threading, pressing, coating or doping. On the exact nature of
mechanischen Verbindung zwischen der optischen Faser und der mechanical connection between the optical fiber and the
magnetostriktiven Umhüllung kommt es dabei nicht an, jedoch muss gewährleistet sein, dass es sich um eine kraftschlüssige Verbindung handelt, welche in der Umhüllung stattfindende Dehnungen bzw. Stauchungen auf die Faser mechanisch überträgt. magnetostrictive wrapping is not important, but it must be ensured that it is a non-positive connection, which mechanically takes place in the envelope held expansions or compressions on the fiber.
Ein geeignetes Material für die genannte Umhüllung ist z.B. eine A suitable material for said enclosure is e.g. a
magnetostriktiv wirkende Polyethylen- (PE-)Schicht. Das genaue Material ist für die Erfindung nicht relevant, allerdings ist es vorteilhaft, wenn das magnetostriktive Material möglichst ähnliche oder übereinstimmende mechanische Eigenschaften wie das Material der Faseroptik aufweist, insbesondere in Bezug auf die Biegeflexibilität, auf die Längenausdehnung über der Temperatur sowie auf die Materialausdehnung über der Temperatur. Daher sind alle magnetostriktiv wirkenden (MR-)Materialien wie z.B. magnetostrictive polyethylene (PE) layer. The exact material is not relevant to the invention, however, it is advantageous if the magnetostrictive material as similar or coincident mechanical properties such as the material of the fiber optic, in particular with respect to the bending flexibility, on the elongation over the temperature and on the material expansion over the temperature. Therefore, all magnetostrictive acting (MR) materials such as
Kunststoffe, Keramiken, magnetostriktive Gläser oder dotierte optische Fasern für die Umhüllung geeignet. Plastics, ceramics, magnetostrictive glasses or doped optical fibers suitable for the envelope.
Es ist anzumerken, dass die längliche Ausdehnung der magnetostriktiven Umhüllung entlang der optischen Faser den eigentlichen Messbereich definiert, d.h. den Bereich, innerhalb dessen der magnetostriktive Sensor sensitiv ist. It should be noted that the elongated extent of the magnetostrictive envelope along the optical fiber defines the actual measurement range, i. the area within which the magnetostrictive sensor is sensitive.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird mittels einer optischen According to a preferred embodiment, by means of an optical
Lichtquelle ein zeitlich veränderliches frequenzmoduliertes Lichtsignal in die optische Faser eingeleitet bzw. eingespeist. Dasselbe Lichtsignal wird z.B. mittels eines Splitters auch in eine nicht mit einer solchen magnetostriktiven Umhüllung versehene optische Referenzfaser eingespeist oder direkt dem Empfänger zugeführt, wobei die beiden Signale aus dem Referenzweg und die Reflexion aus der Messfaser einem Empfänger zugeführt werden. In dem Empfänger werden die beiden austretenden Signale überlagert und ergeben daher ein moduliertes Signal. Zu diesem Zweck ist entweder wiederum ein optisches Bauelement vorgesehen, welches die beiden austretenden Signale vereinigt, oder die beiden Signale werden unmittelbar dem Empfänger zugeführt, welcher mit beiden optischen Fasern lichtleitend bzw. lichtdicht verbunden ist. Letzteres wird insbesondere durch die geringe Dicke einer einzelnen Faser ermöglicht. Light source a time-varying frequency modulated light signal is introduced or fed into the optical fiber. The same light signal is e.g. fed by means of a splitter in a not provided with such a magnetostrictive envelope optical reference fiber or fed directly to the receiver, wherein the two signals from the reference path and the reflection from the measuring fiber are fed to a receiver. In the receiver, the two exiting signals are superimposed and therefore give a modulated signal. For this purpose, either again an optical component is provided, which combines the two exiting signals, or the two signals are fed directly to the receiver, which is connected to both optical fibers in a light-conducting or light-tight manner. The latter is made possible in particular by the small thickness of a single fiber.
An Stelle des Einsatzes nur eines Empfängers können die aus der ersten Faser und der Referenzfaser austretenden Signale auch separaten Instead of using only one receiver, the signals emerging from the first fiber and the reference fiber may also be separate
Empfängern zugeführt werden und anschließend (elektrisch) überlagert werden. Bei dem in die beiden Fasern eingespeisten Lichtsignal handelt es sich bevorzugt um I nf rarot-( I R-) Li cht . Die Verwendung von Licht dieser Receivers are supplied and then superimposed (electrically). The light signal fed into the two fibers is preferably infrared (IR) liquid. The use of light this
Wellenlänge hat den Vorteil, dass IR-Licht eine in der optischen Wavelength has the advantage that IR light is one in the optical
Fasermesstechnik gängige Wellenlänge ist und viele Standardkomponenten in diesem Bereich verfügbar sind. Jedoch kann der erfindungsgemäße Sensor grundsätzlich mit jeder Lichtwellenlänge realisiert werden Fiber measuring technology is common wavelength and many standard components are available in this area. However, the sensor according to the invention can in principle be realized with any wavelength of light
Die Einspeisung der genannten Lichtsignale und die Erfassung der beiden austretenden Lichtsignale bzw. des genannten modulierten Signals erfolgt bevorzugt mittels des an sich bekannten Messprinzips des modulierten (FMCW-)Dauerstrichradars. Der Vorteil des FMCW-Verfahrens im Vergleich zu normalen magnetostriktiven Verfahren mit mechanischen Wellen liegt insbesondere darin, dass aufgrund der Abtastung im MHz- bis GHz- Bereich sowie aufgrund der Unempfindlichkeit gegenüber optischen The feeding of said light signals and the detection of the two exiting light signals or the said modulated signal is preferably carried out by means of the known measuring principle of the modulated (FMCW) continuous wave radar. The advantage of the FMCW method in comparison with normal magnetostrictive methods with mechanical waves is in particular that due to the sampling in the MHz to GHz range as well as due to the insensitivity to optical
Reflektionen die geeignete Abtastrate von der Messlänge unabhängig ist. Reflections the appropriate sampling rate of the measuring length is independent.
Zusätzlich zu den beiden genannten optischen Fasern kann eine, bevorzugt entlang der genannten Messstrecke angeordnete, dritte optische Faser vorgesehen sein, welche wie die Referenzfaser ebenfalls nicht mit einer magnetostriktiven Umhüllung versehen ist, jedoch an ihrem freien Ende verspiegelt ist. Mittels dieser dritten Faser können z.B. durch sich ändernde Umgebungsbedingungen verursachte Schwankungen der thermischen Ausdehnung der Messstrecke erfasst und durch geeignete Maßnahmen kompensiert werden, indem z.B. mit dem gleichen Verfahren die Länge der Referenzfaser ermittelt wird und dann die Längenausdehnung der Messfaser elektronisch oder rechnerisch entsprechend kompensiert wird. In addition to the two mentioned optical fibers, a third optical fiber, which is preferably arranged along the measuring section and which, like the reference fiber, is likewise not provided with a magnetostrictive envelope but is mirrored at its free end, can be provided. By means of this third fiber, e.g. Variations in the thermal expansion of the measuring path caused by changing environmental conditions are detected and compensated by suitable measures, e.g. the length of the reference fiber is determined using the same method, and then the length extension of the measuring fiber is compensated for electronically or mathematically.
Der erfindungsgemäße Sensor weist im Vergleich zürn Stand der Technik ein Bragg-Gitter auf, wodurch die Größe des durch Magnetostriktion The sensor according to the invention has in comparison to the prior art, a Bragg grating, whereby the size of the by magnetostriction
verursachten Messeffekts entlang der Messstrecke im Wesentlichen unabhängig von der Position ist. Aufgrund der vorgeschlagenen Anordnung des Bragg-Gitters ergibt sich zudem insbesondere eine kontinuierliche Messstrecke. Aufgrund der inkohärenten Überlagerung des Mess- und Referenzsignals gestaltet sich die Auswertung des modulierten caused measurement effect along the measuring section is essentially independent of the position. Due to the proposed arrangement of the Bragg grating also results in particular a continuous Measuring section. Due to the incoherent superposition of the measurement and reference signal, the evaluation of the modulated
Ausgangssignals relativ einfach. Output signal relatively simple.
Darüber hinaus ist die Messauflösung beliebig an die Messlänge anpassbar, da die Chirpfrequenz an die Position des Magneten bzw. der Anwendung angepasst werden kann. Die genannte Chirpfrequenz betrifft ein Signal, dessen Frequenz sich zeitlich ändert, wobei man zwischen positiven Chirps, bei denen die Frequenz zeitlich zunimmt, und negativen Chirps, die eine Frequenzabnahme aufweisen, unterscheidet. So kann auch bei großen Messlängen eine hochauflösende Messung sichergestellt werden. Da die erfindungsgemäße Faseranordnung nahezu beliebig verlängerbar ist, sind insgesamt sehr unterschiedliche, und insbesondere sehr große Messlängen, möglich. In addition, the measurement resolution can be freely adapted to the measurement length, since the chirp frequency can be adapted to the position of the magnet or the application. Said chirp frequency refers to a signal whose frequency changes over time, distinguishing between positive chirps, in which the frequency increases in time, and negative chirps, which have a frequency decrease. Thus, a high-resolution measurement can be ensured even with large measuring lengths. Since the fiber arrangement according to the invention can be extended almost as desired, altogether very different, and in particular very long, measuring lengths are possible.
Der erfindungsgemäße Sensor eignet sich bevorzugt für einen Positionsoder Wegaufnehmer zur Erfassung der Position eines magnetischen The sensor according to the invention is preferably suitable for a position or displacement transducer for detecting the position of a magnetic
Messkörpers. Auch können mit dem Sensor innere oder äußere mechanische Spannungen oder Verbiegungen eines Körpers erfasst werden. Darüber hinaus ist der Sensor prinzipiell auch zur Erfassung von Temperatur- oder Druckänderungen geeignet. Der sehr geringe Querschnitt und die große mechanische Flexibilität der verwendeten optischen Fasern ermöglichen den Einsatz in gekrümmten Messtrecken oder Umgebungen sowie das Verlegen der Messstrecke in einem von außen mechanisch und optisch schwer oder nicht zugänglichen Bereich, z.B. in den Innenbereich eines Measuring body. Also, the sensor can detect internal or external mechanical stresses or deflections of a body. In addition, the sensor is in principle also suitable for detecting changes in temperature or pressure. The very small cross-section and the great mechanical flexibility of the optical fibers used make it possible to use them in curved measuring sections or environments and to lay the measuring path in a mechanically and optically difficult or impossible area, e.g. in the interior of a
lichtundurchlässigen Zylinders, z.B. zur Erkennung der longitudinalen Position eines Magneten in einem solchen Zylinder. opaque cylinder, e.g. for detecting the longitudinal position of a magnet in such a cylinder.
Kurzbeschreibung der Figuren Brief description of the figures
Figur 1 zeigt eine Glasfaser mit einem Bragg-Gitter gemäß dem Stand der Technik; Figuren 2a-c zeigen bei einer Glasfaser gemäß Figur 1 sich ergebende Signalverläufe; Figure 1 shows a glass fiber with a Bragg grating according to the prior art; Figures 2a-c show in a glass fiber according to Figure 1 resulting signal waveforms;
Figur 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines  Figure 3 shows a preferred embodiment of a
erfindungsgemäßen magnetostriktiven Sensors;  magnetostrictive sensor according to the invention;
Figuren 4a-e zeigen bei einem erfindungsgemäßen Sensor gemäß Figur 3 sich ergebende Signalverläufe.  Figures 4a-e show in a sensor according to the invention according to Figure 3 resulting signal waveforms.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele Detailed description of the embodiments
Der in der Figur 1 gezeigte Lichtleiter (vorliegend eine übliche Glasfaser oder POF) besteht, wie an sich bekannt, aus einem Mantel 100, einem Kern 105 und einer (nicht gezeigten) Außenbeschichtung. Durch die The optical waveguide (in this case a conventional glass fiber or POF) shown in FIG. 1 comprises, as is known, a cladding 100, a core 105 and an outer coating (not shown). By the
Außenbeschichtung erhält die Glasfaser 100, 105 robuste Eigenschaften, so dass sie für den Einsatz in einer rauen Umgebung besonders gut geeignet ist. Outside coating gives the fiberglass 100, 105 robust properties, making it particularly suitable for use in a harsh environment.
Zusätzlich sind in regelmäßigen Abständen und in an sich bekannter Weise längs des Kerns oder quer zum Kern strichmusterartige Strukturen 110 mit gegenüber dem Umgebungsmaterial geändertem Brechungsindex In addition, at regular intervals and in known manner along the core or transversely to the core pattern-like structures 110 with respect to the surrounding material changed refractive index
eingearbeitet. Diese Strukturen 110 bilden ein„Bragg-Gitter", in dem die sogenannte„Bragg-Reflexion" stattfindet. Das Bragg-Gitter entspricht einer periodischen Modulation des Brechungsindex' und beeinflusst daher ein durchlaufendes Signal wie ein Interferenz-Filter mit einer Filterbandbreite λΒ (siehe Figur 2). incorporated. These structures 110 form a "Bragg grating" in which the so-called "Bragg reflection" takes place. The Bragg grating corresponds to a periodic modulation of the refractive index and therefore influences a continuous signal such as an interference filter with a filter bandwidth λ Β (see FIG. 2).
Die genannte periodische Modulation der Brechzahl n, mit hohen und niedrigen Brechzahlbereichen, bewirkt, dass das Licht einer bestimmten Wellenlänge entsprechend einer Bandsperre zurückreflektiert wird. Die Mittenwellenlänge der Filterbandbreite in einer Monomodefaser ergibt sich durch die folgende Bragg-Bedingung: Said periodic modulation of the refractive index n, with high and low refractive index ranges, causes the light of a certain wavelength to be reflected back according to a band-stop filter. The center wavelength of the filter bandwidth in a monomode fiber is given by the following Bragg condition:
2 (1) In der Gleichung (1) sind n2 und n3 die effektiven Brechzahlen des Kerns der Lichtleitfaser und Λ die Gitterperiode. Die spektrale Breite des Bandes hängt von der Länge des Faser-Bragg-Gitters und der Stärke der 2 (1) In the equation (1), n 2 and n 3 are the effective refractive indices of the core of the optical fiber and Λ the grating period. The spectral width of the band depends on the length of the fiber Bragg grating and the strength of the
Brechzahländerung zwischen den benachbarten Brechzahlbereichen ab. Refractive index change between the adjacent refractive index ranges.
Aufgrund der Bragg-Reflexion werden nur bestimmte Wellenlängen des sich in der Glasfaser ausbreitenden infraroten Lichts 115 am Bragg-Gitter 110 reflektiert 120. Die Wellenlänge des reflektierten Lichts 120 ist dabei insbesondere abhängig von der Dehnung der Glasfaser, d.h. von der Due to the Bragg reflection, only certain wavelengths of the infrared light 115 propagating in the glass fiber are reflected 120 at the Bragg grating 110. The wavelength of the reflected light 120 depends in particular on the elongation of the glass fiber, i. of the
Verformung und mechanischen Belastung der Glasfaser am betrachteten Ort. Diese Änderungen werden in an sich bekannter Weise ausgewertet. Deformation and mechanical stress on the glass fiber at the location considered. These changes are evaluated in a conventional manner.
Die Wellenlänge der Filterbandbreite ΛΒ verschiebt sich um \ mit der Temperatur 7 und der relativen Dehnung e der Glasfaser:
Figure imgf000012_0001
The wavelength of the filter bandwidth ΛΒ shifts by \ with the temperature 7 and the relative elongation e of the glass fiber:
Figure imgf000012_0001
mit: o«: Änderung des Brechungsindex, typ 5...8 χ 10"6 K"1 with: o «: refractive index change, type 5 ... 8 χ 10 " 6 K "1
k Konstante (typisch: 0,78)  k constant (typically: 0.78)
Die Dehnung der Faser setzt sich aus dem Anteil der von außen The elongation of the fiber is made up of the proportion of the outside
aufgebrachten Dehnung £m und der thermischen Ausdehnung eT zusammen: eva +τ und man erhält für die applied strain £ m and the thermal expansion e T together: e - va + τ and one receives for the
Tem peraturabhängigkeit von λβ : mit: Temperature dependence of λβ: With:
-1  -1
ατ: thermische Ausdehnung der Glasfaser, typ 0,6 χ 10"6 K" ατ: thermal expansion of the glass fiber, type 0.6 χ 10 "6 K "
und für die Dehnungsabhängigkeit e:and for the strain dependence e:
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0001
Daher ergibt sich bei gleichzeitig geänderter Temperatur und mechanischer Belastung für die Dehnung e:
Figure imgf000013_0002
Therefore, with the temperature and mechanical stress simultaneously changing for the strain e:
Figure imgf000013_0002
Ein beschriebenes Faser-Bragg-Gitter kann Druckkräfte von mehreren bar und Temperaturänderungen von 100 K auflösen. Ein typisches Bragg-Gitter, welches auf 1500 nm abgestimmt ist, verschiebt sich um 0,1 nm bei einer Temperaturänderung von 10 K, ebenso bei einer Längenänderung von 10~4. A described fiber Bragg grating can resolve compressive forces of several bar and temperature changes of 100 K. A typical Bragg grating tuned to 1500 nm shifts by 0.1 nm with a temperature change of 10 K, as well as a change in length of 10 -4 .
In den Figuren 2a bis 2c sind in einer Faser gemäß Figur 1 sich FIGS. 2a to 2c show a fiber according to FIG
typischerweise ergebende Signalverläufe dargestellt, wobei jeweils die Lichtleistung P über die Wellenlänge λ aufgetragen ist. Bei den einzelnen Werten der Lichtleistung handelt es sich um die Eingangsleistung PE entsprechend dem Eingangssignal 115 in Figur 1 , die Ausgangsleistung PR des reflektierten Signals 120, sowie die Ausgangsleistung PD des an der Glasfaser 100, 105 austretenden Signals 125. typically resulting signal waveforms shown, in each case the light output P is plotted against the wavelength λ. The individual values of the light output are the input power P E corresponding to the input signal 115 in FIG. 1, the output power P R of the reflected signal 120, and the output power P D of the signal 125 exiting the optical fiber 100, 105.
Wie aus der Figur 2a zu ersehen, besitzt die Leistung PE des Eingangssignals eine relativ große Bandbreite an Wellenlängen λ. Aufgrund der oben genannten Filterfunktion des Bragg-Gitters 110 wird ein relativ As can be seen from Figure 2a, the power P E of the input signal has a relatively large bandwidth of wavelengths λ. Due to the above-mentioned filter function of the Bragg grating 110 is a relative
schmalbandiges Signal mit der Leistung PR und der mittleren Wellenlänge AB am Bragg-Gitter zurückreflektiert (Figur 2b). So ergibt sich am Ausgang der Glasfaser 100, 105 ein Ausgangssignal 125 mit dem in Figur 2c gezeigten Spektralverlauf, bei dem im Bereich der Wellenlänge λΒ des rückreflektierten Signals eine entsprechende Absenkung der Leistung PD auftritt. narrow band signal with power P R and average wavelength AB reflected back at the Bragg grating (Figure 2b). This results in the output of the glass fiber 100, 105, an output signal 125 with the spectral curve shown in Figure 2c, in which in the region of the wavelength λ Β of the back-reflected signal, a corresponding reduction of the power P D occurs.
In der Figur 3 ist eine erfindungsgemäße, vorliegend aus einer Anordnung wenigstens zweier Einzelfasern 300, 342 gebildete optische Faser dargestellt. Bei den Einzelfasern 300, 342 kann es sich um Glasfasern, Kunststoff- (Polymer-)fasern, oder dergleichen handeln. Nur die Einzelfaser 300 weist ein im jeweiligen Faserkern 305 angeordnetes Bragg-Gitter 310 auf und ist mit einem magnetostriktiven Material 315 umhüllt bzw. ummantelt. FIG. 3 shows an optical fiber according to the invention, in the present case formed from an arrangement of at least two individual fibers 300, 342. The individual fibers 300, 342 may be glass fibers, plastic (polymer) fibers, or the like. Only the single fiber 300 has a Bragg grating 310 arranged in the respective fiber core 305 and is enveloped or coated with a magnetostrictive material 315.
Es versteht sich, dass zur Erhöhung der Signalsicherheit auch mehrere Fasern zu einer gezeigten Einzelfaser 300, 342 gebündelt werden können, da dann der Bruch einer einzelnen Faser keine Auswirkung auf die Messung bzw. Auswertung hat. Allerdings setzt dies voraus, dass die einzelnen Fasern dieser Bündel kraftschlüssig miteinander verbunden sind, so dass etwaige Längenänderungen auch gebündelt auftreten. It goes without saying that in order to increase the signal security, it is also possible to bundle a plurality of fibers to form a single fiber 300, 342, since then the breakage of a single fiber has no effect on the measurement or evaluation. However, this requires that the individual fibers of these bundles are non-positively connected, so that any changes in length also occur bundled.
Ein eingehendes) wie beschrieben frequenzmoduliertes und vorliegend von einem IR-Laser (z.B. einem LED-basierten Laser) 302 bereitgestelltes An incoming) frequency modulated as described herein and provided by an IR laser (e.g., an LED based laser) 302
Lichtsignal 320 wird einem Strahlteiler („Splitter") 325 zugeführt. Mittels des Splitters 325 wird erreicht, dass das Eingangssignal 320 sowohl in die erste Messfaser 300 als auch in die zweite Referenzfaser 342 eingespeist wird. Das in die Messfaser 300 eingespeiste Signal wird an der aktuellen Position eines magnetischen Objekts bzw. Messkörpers 307 aufgrund der Light signal 320 is fed to a splitter 325. The splitter 325 is used to feed the input signal 320 into both the first measuring fiber 300 and the second reference fiber 342. The signal fed into the measuring fiber 300 is fed to the signal current position of a magnetic object or measuring body 307 due to
magnetostriktiven Umhüllung 315, und in Kombination mit dem Bragg-Gitter, reflektiert und mittels des Strahlteilers 325 so umgelenkt, dass es auf einen optischen Empfänger 370 trifft. magnetostrictive cladding 315, and in combination with the Bragg grating, and deflected by means of the beam splitter 325 so as to strike an optical receiver 370.
Das in die Referenzfaser 342 eingespeiste, identische Eingangssignal 320, welches mittels des Splitters 325 abgelenkt und in die Referenzfaser 342 eingeleitet wird 340, wird entsprechend am Ende der Referenzfaser an einem Spiegel 344 reflektiert und vorliegend über den Strahlteiler 325 ebenso dem Empfänger 370 zugeführt. The identical input signal 320 fed into the reference fiber 342, which is deflected by means of the splitter 325 and into the reference fiber 342 is initiated 340, is accordingly reflected at the end of the reference fiber to a mirror 344 and in the present case via the beam splitter 325 also supplied to the receiver 370.
Es ist hervorzuheben, dass die vorliegend gezeigte Anordnung von Splitter und Umlenkspiegeln nur beispielhaft ist, wobei es auf die genaue It should be emphasized that the arrangement shown here of splitter and deflecting mirrors is only an example, and it is based on the exact
Signalführung für die vorliegende Erfindung nicht ankommt. So können die hier gezeigten optischen Elemente auch ganz entfallen, wenn die Messfaser und die Referenzfaser relativ nahe angeordnet, z.B. gebündelt sind, so dass die Signale aufgrund des geringen lateralen Versatzes unmittelbar, d.h. ohne die gezeigte 90°-Umlenkung, einem Empfänger zugeführt werden können, oder separaten Empfängern zugeführt werden und anschließend elektrisch überlagert werden zu müssen. Signaling for the present invention does not matter. Thus, the optical elements shown here can also be dispensed with altogether if the measuring fiber and the reference fiber are arranged relatively close, e.g. are bundled so that the signals due to the small lateral offset are instantaneous, i. can be supplied to a receiver without the 90 ° deflection shown, or to be supplied to separate receivers and then to be electrically superimposed.
Es kann zusätzlich eine dritte Faser vorgesehen sein, welche ebenfalls über das identische Eingangssignal gespeist wird. Im Gegensatz zu den anderen beiden Fasern weist die dritte Faser ebenfalls am Ende eine Verspiegelung auf. Aufgrund dieser Verspiegelung wird das Eingangssignal rückreflektiert, wodurch eine Längenänderung der dritten Faser aufgrund einer In addition, a third fiber can be provided, which is also fed via the identical input signal. In contrast to the other two fibers, the third fiber also has a mirror finish at the end. Due to this mirroring the input signal is reflected back, whereby a change in length of the third fiber due to a
Temperaturänderung in wiederum an sich bekannter Weise über das FMCW- Verfahren ermittelt werden kann. Anhand des sich ergebenden Wertes der Längenänderung kann der Sensor kalibriert werden, um eine Temperature change in turn, known per se via the FMCW method can be determined. Based on the resulting value of the change in length, the sensor can be calibrated to a
Tem peratu rkompensation d u rchzuf ü h ren . Tem perature compensation.
An der aktuellen Position eines magnetischen Objekts bzw. Messkörpers 307 wird durch das gezeigte Magnetfeld die magnetostriktive Umhüllung 315 gestreckt oder gestaucht. Der magnetische Messkörper 307 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch einen Permanentmagneten gebildet, kann aber auch durch einen Elektromagneten oder dergleichen realisiert sein, da es auf die Art der Generierung des Magnetfeldes vorliegend nicht ankommt. Die Position des Messkörpers 307 in Längsrichtung der Messfaser 300 und der Referenzfaser 342 entspricht der zu erfassenden Position des vorliegenden Sensors. Alternativ kann mittels des vorliegenden Sensors der vom magnetischen Messkörper längs der der Fasern zurückgelegte Weg erfasst werden. Auch kann mittels des Sensors anhand der obigen Gleichung (5) eine Temperaturänderung, eine mechanische Spannung (bzw. At the current position of a magnetic object or measuring body 307, the magnetostrictive envelope 315 is stretched or compressed by the magnetic field shown. The magnetic measuring body 307 is formed in the present embodiment by a permanent magnet, but can also be realized by an electromagnet or the like, since it does not depend on the type of generating the magnetic field. The position of the measuring body 307 in the longitudinal direction of the measuring fiber 300 and the reference fiber 342 corresponds to the position to be detected of the present sensor. Alternatively, by means of the present sensor, the path traveled by the magnetic measuring body along the length of the fibers can be detected. Also, by means of the sensor based on the above equation (5), a temperature change, a mechanical stress (or
mechanische Dehnung gemäß einem Dehnungsmessstreifen), eine mechanical strain according to a strain gauge), a
Verbiegung oder eine Druckänderung erfasst werden. Bending or a pressure change are detected.
Aufgrund des genannten Kraftschlusses wird durch den magnetostriktiven Effekt der Mantel der Messfaser 300 entsprechend gestreckt bzw. gestaucht. Diese Verformung bewirkt aufgrund des Bragg-Gitters 310 eine intrinsische Beeinflussung des eingekoppelten Lichtspektrums, welche wiederum eineDue to the mentioned frictional connection, the sheath of the measuring fiber 300 is correspondingly stretched or compressed by the magnetostrictive effect. This deformation causes due to the Bragg grating 310 an intrinsic influence on the coupled-in light spectrum, which in turn a
Reflexion oder Phasenänderung hervorruft. Diese intrinsische Beeinflussung Causes reflection or phase change. This intrinsic influence
i  i
ermöglicht daher, die jeweilige genannte Änderung mit der Position des magnetischen Objekts 307 in der nachfolgend beschriebenen Weise zu korrelieren. Therefore, it is possible to correlate the respective change mentioned with the position of the magnetic object 307 in the manner described below.
Das der Erfindung zugrunde liegende Messprinzip wird im Folgenden, unter Bezugnahme auf die in den Figuren 4a - 4e gezeigten Signalverläufe, veranschaulicht. In der Figur 4a ist ein typischer Frequenzverlauf, d.h. in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Sägezahnfunktion mit konstanter Steigung, gezeigt. In der Figur 4b ist, als ein weiteres Ausführungsbeispiel des genannten Frequenzverlaufs, eine Dreiecksfunktion mit konstanter Steigung, dargestellt. Die Figur 4c zeigt ein typisches Sendesignal, und zwar vorliegend einen Amplitudenverlauf mit genanntem Sägezahn- Frequenzverlauf. Die Figur 4d zeigt ein typisches Empfängersignal 400, welches sich durch die genannte inkohärente Überlagerung des Messsignals 405 und des Referenzsignals 410 ergibt. Zur Positionsbestimmung muss die Frequenz der Schwebung, d.h. der gezeigten Einhüllenden, bestimmt werden. Schließlich veranschaulicht die Figur 4e, wie sich bei einem doppelt so großen Abstand im Vergleich zu Figur 4a eine doppelt so große The measuring principle on which the invention is based is illustrated below with reference to the signal curves shown in FIGS. 4a-4e. In Figure 4a, a typical frequency response, i. shown in the embodiment shown a sawtooth with constant pitch. In FIG. 4b, as a further exemplary embodiment of the aforementioned frequency characteristic, a triangular function with a constant gradient is shown. FIG. 4c shows a typical transmission signal, in the present case an amplitude characteristic with the named sawtooth frequency response. FIG. 4d shows a typical receiver signal 400, which results from the incoherent superimposition of the measurement signal 405 and the reference signal 410. To determine the position, the frequency of the beat, i. the envelope shown, are determined. Finally, FIG. 4e illustrates how twice as large a distance as compared to FIG. 4a is twice as large
Schwebungsfrequenz des Empfängersignals 415 ergibt. Die durch den am Ort der magnetischen Beeinflussung, d.h. im Bereich der genannten Messstrecke, durch den magnetischen Messkörper 307 hervorgerufene Dehnung oder Stauchung der Messfaser 300 bewirkt aufgrund der entsprechenden Verzerrung des Bragg-Gitters eine verstärkte Reflexion des eingekoppelten Lichtsignals. Dieses reflektierte Licht, wird dem genannten optischen Empfänger 370 zugeführt. Zusätzlich wird das von der Referenzfaser 342 reflektierte Licht dem Empfänger 370 zugeführt. An dem Empfänger 370 überlagern sich die Lichtanteile der Messfaser 300 und der Referenzfaser 342 inkohärent oder kohärent und ergeben ein entsprechend moduliertes Signal. Zudem können die Lichtsignale aus der Messfaser und der Referenzfaser, wie bereits beschrieben, separaten Empfängern zugeführt werden und dann anschließend elektrisch überlagert werden. Beating frequency of the receiver signal 415. The elongation or compression of the measuring fiber 300 caused by the magnetic measuring body 307 caused by the magnetic measuring body 307 at the location of the magnetic influencing, ie in the area of the mentioned measuring section, causes an intensified reflection of the coupled-in light signal due to the corresponding distortion of the Bragg grating. This reflected light is supplied to the aforementioned optical receiver 370. In addition, the light reflected from the reference fiber 342 is supplied to the receiver 370. At the receiver 370, the light components of the measuring fiber 300 and the reference fiber 342 are superimposed incoherently or coherently, resulting in a correspondingly modulated signal. In addition, the light signals from the measuring fiber and the reference fiber, as already described, can be supplied to separate receivers and then subsequently be electrically superimposed.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt die Einspeisung der genannten Lichtsignale und die entsprechende Erfassung der aus den Fasern 300, 342 austretenden Lichtsignale bzw. des genannten modulierten Signals mittels des an sich bekannten Messprinzips des modulierten (FMCW- )Dauerstrichradars. Dabei wird ein Radarsighal mit einer sich ständig ändernden Frequenz ausgesendet. Die Frequenz steigt entweder linear an, um bei einem bestimmten Wert abrupt wieder auf den Anfangswert abzufallen (Sägezahnmuster), entsprechend dem in Figur 4a gezeigten Signalverlauf, oder sie steigt und fällt abwechselnd mit konstanter According to a further embodiment, the feeding of said light signals and the corresponding detection of the light signals emerging from the fibers 300, 342 and the said modulated signal by means of the known measuring principle of the modulated (FMCW) continuous wave radar takes place. A radar signal is emitted with a constantly changing frequency. The frequency increases either linearly to drop abruptly at a certain value back to the initial value (sawtooth pattern), according to the waveform shown in Figure 4a, or it rises and falls alternately at a constant
Änderungsgeschwindigkeit, entsprechend dem in Figur 4b gezeigten Rate of change, corresponding to that shown in Figure 4b
Signalverlauf. Durch lineare Änderung der Frequenz und durch stetiges Senden ist es möglich, neben der Differenzgeschwindigkeit zwischen Sender und Objekt insbesondere auch deren absolute Entfernung voneinander zu ermitteln. Die genaue Position der erzeugten Reflexion kann über die Waveform. By linear change of the frequency and by continuous transmission, it is possible, in addition to the differential speed between transmitter and object in particular to determine their absolute distance from each other. The exact position of the generated reflection can be over the
Bestimmung der Schwebungsfrequenz (Einhüllende) bestimmt werden, wie aus dem Signalverlauf in Figur 4d zu ersehen. Bei doppelt so großem Determination of the beat frequency (envelope) can be determined, as can be seen from the waveform in Figure 4d. At twice as big
Abstand verdoppelt sich auch die Schwebungsfrequenz entsprechend, wie aus der Figur 4e zu ersehen. Es ist anzumerken, dass eine aus oben beschriebenen einzelnen Bragg- Gitter-Sensoren gebildete, netzwerkartige Anordnung solcher Sensoren auch die Erfassung von Informationen über bestehende Verformungen und Belastungen eines gesamten Bauteils ermöglicht. Distance also doubles the beat frequency accordingly, as seen in Figure 4e. It should be noted that a network-like arrangement of such sensors formed from the above-described individual Bragg grating sensors also enables the detection of information about existing deformations and loads of an entire component.

Claims

Ansprüche claims
1. Magnetostriktiver Sensor zur Entfernungs- bzw. Positionsmessung, 1. Magnetostrictive sensor for distance or position measurement,
welcher wenigstens eine mit einer magnetostriktiven Umhüllung (315) versehene optische Faser (300, 305) aufweist, mittels der die Position eines magnetischen Objekts (307) in Richtung der wenigstens einen optischen Faser (300, 305) erfassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine optische Faser (300, 305) ein Bragg-Gitter (310) aufweist, dessen Gitterkonstante durch mechanische Einwirkung des durch das magnetische Objekt (307) hervorgerufenen magnetostriktiven Effekts der magnetostriktiven Umhüllung (315) wenigstens lokal veränderbar ist.  which comprises at least one optical fiber (300, 305) provided with a magnetostrictive envelope (315), by means of which the position of a magnetic object (307) in the direction of the at least one optical fiber (300, 305) can be detected, characterized in that at least one optical fiber (300, 305) has a Bragg grating (310) whose grating constant is at least locally changeable by mechanical action of the magnetostrictive effect of the magnetostrictive cladding (315) caused by the magnetic object (307).
2. Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine optische Faser (300, 305) ein kontinuierliches Bragg-Gitter (310) mit einer einheitlichen Gitterkonstante aufweist. 2. Sensor according to claim 1, characterized in that the at least one optical fiber (300, 305) has a continuous Bragg grating (310) with a uniform lattice constant.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die 3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the
Position des magnetischen Objekts (307) mittels des durch die geänderte Gitterkonstante des Bragg-Gitters veränderten Reflexionsvermögens der wenigstens einen optischen Faser (300, 305) ermittelbar ist.  Position of the magnetic object (307) by means of the changed by the changed lattice constant of the Bragg grating reflectivity of the at least one optical fiber (300, 305) can be determined.
4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine optische Faser (300, 305) durch eine die genannte 4. Sensor according to claim 3, characterized in that the at least one optical fiber (300, 305) by a said
magnetostriktiven Umhüllung (315) aufweisende Messfaser (300) und eine die genannte magnetostriktiven Umhüllung (315) nicht aufweisende Referenzfaser (342) gebildet ist, wobei das veränderte  magnetostrictive cladding (315) having measuring fiber (300) and a said magnetostrictive cladding (315) not having reference fiber (342) is formed, wherein the modified
Reflexionsvermögen der Messfaser durch einen Vergleich der Messfaser (300) und der Referenzfaser (342) ermittelbar ist.  Reflectance of the measuring fiber by a comparison of the measuring fiber (300) and the reference fiber (342) can be determined.
5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Messfaser (300) und die Referenzfaser (342) ein zeitlich veränderliches, insbesondere frequenzmoduliertes Lichtsignal eingeleitet wird und die an der Messfaser (300) und der Referenzfaser (342) austretenden 5. Sensor according to claim 4, characterized in that in the measuring fiber (300) and the reference fiber (342) a time-variable, in particular frequency-modulated light signal is introduced and the at the measuring fiber (300) and the reference fiber (342) exiting
Lichtsignale (350, 360) zum Zweck der Auswertung überlagert werden.  Light signals (350, 360) are superimposed for the purpose of evaluation.
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Messfaser (300) und die Referenzfaser (342) ein Lichtsignal, insbesondere ein infrarotes Lichtsignal, eingeleitet wird. 6. Sensor according to claim 5, characterized in that in the measuring fiber (300) and the reference fiber (342), a light signal, in particular an infrared light signal is introduced.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Messfaser (300) und der Referenzfaser (342) 7. Sensor according to one of claims 4 to 6, characterized in that on the measuring fiber (300) and the reference fiber (342)
austretenden Lichtsignale (350, 360) mittels eines modulierten  exiting light signals (350, 360) by means of a modulated
Dauerstrichradars ausgewertet werden.  Continuous wave radar are evaluated.
8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 8. Sensor according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass die magnetostriktive Umhüllung (315) mit der wenigstens einen optischen Faser (300, 305) kraftschlüssig verbunden ist.  in that the magnetostrictive envelope (315) is non-positively connected to the at least one optical fiber (300, 305).
9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 9. Sensor according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass die magnetostriktive Umhüllung (315) aus einem magnetostriktiv wirkenden Material, welches mit den mechanischen Eigenschaften des Materials der optischen Faser (300, 305) möglichst übereinstimmt, gebildet ist.  in that the magnetostrictive sheath (315) is formed from a magnetostrictive material that matches as closely as possible with the mechanical properties of the material of the optical fiber (300, 305).
10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die 10. Sensor according to claim 9, characterized in that the
magnetostriktive Umhüllung (315) aus einem Kunststoff, insbesondere einer magnetostriktiv wirkenden Polyethylen-(PE-)Schicht, oder aus einer Keramik oder einem magnetostriktiven Glas oder einer dotierten optischen Faser gebildet ist.  magnetostrictive sheath (315) is formed from a plastic, in particular a magnetostrictive acting polyethylene (PE) layer, or from a ceramic or a magnetostrictive glass or a doped optical fiber.
11. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 11. Sensor according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass eine nicht mit einer magnetostriktiven Umhüllung (315) versehene optische Kalibrierfaser (347) vorgesehen ist, welche an ihrem freien Ende verspiegelt ist und mittels der eine Änderung der thermischen Ausdehnung der wenigstens einen optischen Faser (300, 305) erfassbar ist. in that an optical calibration fiber (347) not provided with a magnetostrictive envelope (315) is provided, which is mirrored at its free end and by means of which a change in the thermal expansion of the at least one optical fiber (300, 305) can be detected.
PCT/DE2014/000011 2014-01-20 2014-01-20 Magnetostrictive sensor for measuring distance and position WO2015106732A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112014006216.2T DE112014006216B4 (en) 2014-01-20 2014-01-20 Magnetostrictive sensor for distance or position measurement
PCT/DE2014/000011 WO2015106732A1 (en) 2014-01-20 2014-01-20 Magnetostrictive sensor for measuring distance and position

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/DE2014/000011 WO2015106732A1 (en) 2014-01-20 2014-01-20 Magnetostrictive sensor for measuring distance and position

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015106732A1 true WO2015106732A1 (en) 2015-07-23

Family

ID=50276879

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2014/000011 WO2015106732A1 (en) 2014-01-20 2014-01-20 Magnetostrictive sensor for measuring distance and position

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE112014006216B4 (en)
WO (1) WO2015106732A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2541896A (en) * 2015-09-01 2017-03-08 Airbus Operations Ltd Position sensing
RU2674574C2 (en) * 2016-06-01 2018-12-11 Общество с ограниченной ответственностью "Современные технологии" Digital fiber-optical displacement sensor

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3898555A (en) 1973-12-19 1975-08-05 Tempo Instr Inc Linear distance measuring device using a moveable magnet interacting with a sonic waveguide
EP1020734A2 (en) * 1999-01-15 2000-07-19 Biosense, Inc. Optical position sensors
US6433543B1 (en) 2002-01-04 2002-08-13 Mohsen Shahinpoor Smart fiber optic magnetometer
WO2006123103A1 (en) * 2005-05-17 2006-11-23 Petróleo Brasileiro Sa - Petrobras Fiber optic position transducer with magnetostrictive material and position calibration process
DE102010008495A1 (en) 2010-02-18 2011-08-18 BALLUFF GmbH, 73765 Moving object's position measuring method, involves starting current signal with preset current raising ramp, where current impulses of current signal are provided in connection with raising ramp for guiding detectable wave
WO2013083192A1 (en) * 2011-12-07 2013-06-13 Aktiebolaget Skf Optical angle encoder

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011050717B4 (en) * 2011-05-30 2018-12-27 BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Measuring system and method for validating a fiber optic sensor

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3898555A (en) 1973-12-19 1975-08-05 Tempo Instr Inc Linear distance measuring device using a moveable magnet interacting with a sonic waveguide
EP1020734A2 (en) * 1999-01-15 2000-07-19 Biosense, Inc. Optical position sensors
US6433543B1 (en) 2002-01-04 2002-08-13 Mohsen Shahinpoor Smart fiber optic magnetometer
WO2006123103A1 (en) * 2005-05-17 2006-11-23 Petróleo Brasileiro Sa - Petrobras Fiber optic position transducer with magnetostrictive material and position calibration process
US20070014506A1 (en) 2005-05-17 2007-01-18 Petroleo Brasileiro S.A. - Petrobras Fiber optic position transducer with magnetostrictive material and position calibration process
DE102010008495A1 (en) 2010-02-18 2011-08-18 BALLUFF GmbH, 73765 Moving object's position measuring method, involves starting current signal with preset current raising ramp, where current impulses of current signal are provided in connection with raising ramp for guiding detectable wave
WO2013083192A1 (en) * 2011-12-07 2013-06-13 Aktiebolaget Skf Optical angle encoder

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2541896A (en) * 2015-09-01 2017-03-08 Airbus Operations Ltd Position sensing
US10220956B2 (en) 2015-09-01 2019-03-05 Airbus Operations Limited Position sensing
RU2674574C2 (en) * 2016-06-01 2018-12-11 Общество с ограниченной ответственностью "Современные технологии" Digital fiber-optical displacement sensor

Also Published As

Publication number Publication date
DE112014006216A5 (en) 2016-09-29
DE112014006216B4 (en) 2020-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19514852C2 (en) Method and arrangement for acceleration and vibration measurement
EP2016373B1 (en) Method and measuring device for the spatially distributed and/or remote measurement of physical variables
DE112021000002T5 (en) SENSING DEVICE AND METHOD FOR AN IMPROVED HYDROPHONE BASED ON CHIRP LOW BEND-LOSS GRATITING ARRAY FIBER
EP2426466B1 (en) Deflection measuring device using the interferometry principle
DE102008054915A1 (en) Measuring device with an optical sensor
EP2483647A1 (en) Optical method and device for a spatially resolved measurement of mechanical parameters, in particular mechanical vibrations by means of glass fibers
DE112014006216B4 (en) Magnetostrictive sensor for distance or position measurement
EP3762691A1 (en) Measuring device and method for determining a physical measurement variable
DE102009058520B4 (en) Apparatus and method for rapid strain measurement
DE3717687C1 (en) Fiber optic actuator
DE102011008273A1 (en) Sensor for detecting relative movements between objects
EP1088209B1 (en) Fibre optic detection device for forces or strains
DE102008038883B4 (en) microphone array
EP1828739B1 (en) Method and device for detecting mechanical stress to a pipe, particularly a pipe which is buried in the ground
WO2009149971A1 (en) Bearing shell for a plain bearing, and device and method for the spatially resolved determination of the temperature of a bearing shell in a plain bearing
DE102018205722A1 (en) Distance measurement by reflectometry in optical waveguides
EP1151242B1 (en) Sensor and method for detecting changes in distance
EP2564175B1 (en) Device and method for measuring a measured variable in a quasi-distributed manner
DE102006014766A1 (en) Interferometric measuring device for e.g. optical distance measurement in quality control, has reference and modulation interferometers, and dispersive optical component that is arranged in one of optical paths of reference interferometer
DE3518002A1 (en) Fibre-optic Fabry-Perot sensor
EP3563126B1 (en) Acoustic emission sensor
EP1460400A1 (en) Confocal, fiber optic pressure sensor for a combustion chamber
EP2983023A1 (en) Optical coupler
DE102010022641B4 (en) Measuring device and method for measuring optical path length changes
WO2011044887A1 (en) Optical measuring method having scattered-light elimination and device therefor

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14709867

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 112014006216

Country of ref document: DE

REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R225

Ref document number: 112014006216

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14709867

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1