[发明专利]光学应变片

说明书

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的用于检测多轴应变的光学应变片以及如权利要求11前序部分所述的该光学应变片的制造方法。

背景技术

为了在测量技术上分析计算力或者为了监视受机械负载的构件，经常使用电子应变片，它们检测被加载力的结构元件的应变。这些电子应变片大多由光蚀制成的曲折形电阻材料测量栅组成，电阻材料被涂覆在塑料的载体膜上并且为了机械保护大多用另一塑料保护膜覆盖。为了检测与负载相关的应变，这些电子应变片被敷设在变形体上并通过测量栅的电阻变化将应变转变成电信号，该信号与应变或作用力成比例。

为了两轴测量应变，一般使用构造为所谓应变花的应变片。在此大多在一个公共的载体膜上安置两个或三个单个的测量栅，它们通常以45°，60°或90°角相互错置。这种测量应变的应变花大多被用于测量沿着或垂直于主轴的应变或力的大小或者获知主轴的定向。对此已知具有两个测量栅的T形应变花，它们以90°角相互错开地设置。它们尤其用在存在主方向已知的两轴应力状态时。具有三个测量栅的应变花大多用于确定主应力方向未知的两轴应力状态。在此必需使测量栅尽可能相互靠近地设置，以便也可以检测相同位置上的相同应变，由此才保证精确的测量。因此这种公知的具有三个测量栅的矩形应变花极少大于10×20mm。但这种电子应变片对于电磁场或高压影响很敏感并且也不允许在有爆炸危险的区域使用。

由EP 1 129 327 B1已知一种用于对高压和电磁不敏感地检测两轴机械应力的传感器，它光学地获取要测量的应变。为此设置光学波导体，它们由光导纤维组成。在这些光导纤维中写入所谓的布拉格(Bragg)光栅，它们产生与所检测的应变成比例的反射波长。具有压制的布拉格光栅的光导纤维被嵌入到环氧树脂载体层中或者粘接在板上。然后可将载体层固定到变形体的表面上并由此将作用于载体层上的应变传递到测量应变的布拉格光栅上。由于应变，反射的布拉格波长对应于应变改变并且可以被检测到。该光学应变传感器构造为用于测量两轴应力的应变花并且由具有至少两个或三个前后设置的布拉格光栅的光波导体组成，这些布拉格光栅以45°，60°或90°角相互定向并由此可以如同电子应变花那样检测变形体的应变。在此，布拉格光栅之间的波导体连接段被弧形地引导并且由于反射损失而不允许低于确定的曲率半径。为了使曲率最小化，还建议，使弧形的连接段大大变细，因为由此能够减少反射损失。但布拉格光栅之间的波导体连接段显然还显著比测量应变的布拉格光栅本身长，布拉格光栅已经需要约10mm的长度。因此，对于这种由在一个公共载体层上具有两个或三个布拉格光栅的光导纤维组成的应变花，在精度可比较的情况下，还需要比电子应变花所需的敷设面积明显更大的敷设面积。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供用于两轴应变测量的用光学从光波导体制成的预制的应变片，它们在测量精度高的情况下具有紧凑的结构形式。

该目的通过权利要求1和11中给出的发明实现。在从属权利要求中给出改进方案和有利的实施例。

本发明的优点是，通过将具有布拉格光栅的光波导体固定在载体膜上的所设置的引导通道中可以制成很扁平的光学应变片。尤其通过射线扩展元件可以在连接段中无长的转向弧的情况下节省载体层上的结构空间，由此尤其能够实现具有电子应变花的紧凑性的应变花。

通过使用射线扩展元件可以同时使所有波导体段直线形构成，由此其实只由布拉格光栅的长度得到应变花大小，因为具有馈送段的射线扩展元件只具有小的结构长度。由此以有利的方式得到很小面积的光学应变片。因为射线扩展元件也只具有很小的、不显著大于波导体本身的横截面积，因此它们也可以有利地组合在一个薄的载体膜中。

通过使用射线扩展元件也只需一个公共的馈送波导体用于光馈入和馈出，因此尤其当测量位置与分析计算单元之间距离较长时和当多位置测量时以有利的方式明显节省连接导线的距离。

本发明的另一优点是，所设置的引导通道最好可通过照相蚀刻方法或者机械加工方法很精确地制成，使得这种光学应变片具有高的可重复制造精度并且也可以作为批量件成本有利地大量预制，以便能够简单方式应用到规定的变形体或者其它应变体上。这种预制的扁平且小面积的光学应变片也可以有利地固定在纤维复合材料中或上，其中它们对纤维结构只有小的影响并有利地使应变变化到10％无损地保持，如同在用纤维复合材料制成的变形体中常见的那样。