Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine auf Druck ansprechende
Sensorvorrichtung, die im wesentlichen plan ist und in einem
Fußboden, im Erdboden oder dergleichen installiert wird. Die
auf Druck ansprechende Sensorvorrichtung der vorliegenden
Erfindung eignet sich für den Einsatz bei Alarmsystemen, die
Menschen oder Tiere erfassen, die darauf treten.
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Die Vorrichtung der Erfindung umfaßt eine Lichtleitfaser, und
die Druckerfassung beruht auf einer Dämpfung von durch die
Lichtleitfaser übertragenem Licht beim Einwirken von Druck auf
die Sensorvorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
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Auf Druck ansprechende Sensoren bilden einen integralen Teil
vieler Alarmsysteme für den häuslichen Bereich und solcher,
die in Sicherheitseinrichtungen eingesetzt werden. Ein
derartiger Sensor wird auf einem Fußboden, auf dem Erdboden oder
leicht unter der Erdbodenoberfläche angebracht, und wenn ein
Mensch auf diesen Sensor tritt, wird ein Alarm ausgelöst.
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Sensoren auf der Grundlage von Lichtleitfasern spielen
aufgrund ihrer Zuverlässigkeit, Lebensdauer und der relativen
Einfachheit der dazugehörigen Bauteile eine immer wichtigere
Rolle bei Sicherheits- und Alarmsystemen. Lichtleitfasern sind
dementsprechend auch bei Drucksensoren eingesetzt worden. Bei
einem derartigen Drucksensor auf Lichtleitfaserbasis,
Hergalite (Herga Electric, U.K.) werden Lichtleitkabel eingesetzt,
die an einer Oberseite einer starren Trageplatte angebracht
sind, wobei sich das Kabel aus einer äußeren Schicht aus
biegsamen
Material, sowie aus einem inneren Kern, der aus einer
Lichtleitfaser besteht, die von einem spiralförmigen starren
Draht umgeben ist, zusammensetzt.
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Bei anderen Arten von Drucksensoren auf Lichtleitfaserbasis
werden spezielle druckempfindliche Lichtleitfasern eingesetzt.
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Bei Sensoren des obenbeschriebenen Typs verursacht das
Einwirken von Druck auf den Sensor die Dämpfung des durch die
Lichtleitfaser übertragenen Lichtes.
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Bei allen derzeit erhältlichen Drucksensoren auf
Lichtleitfaserbasis, die sich für den Einsatz in Alarmsystemen eignen,
werden sehr teure Bauemheiten eingesetzt, und derartige
Sensoren eignen sich daher nicht für den Einsatz im großen
Maßstab, so daß sie sehr eingeschränkt verwendet worden sind.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
auf Druck ansprechenden Sensor auf Lichtleitfaserbasis zu
schaffen, der aus sehr kostengünstigen und leicht erhältlichen
Baueinheiten besteht und sich somit für den Einsatz im großen
Maßstab eignet.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine im wesentlichen plane,
auf Druck ansprechende Sensorvorrichtung, die eine obere
Platte umfaßt, die funktionell mit einer Lichtleitfaser
zusammenwirkt, die mit einer Lichtemissionseinrichtung an ihrem
einen Ende und mit einer Lichtdetektoreinrichtung an ihrem
anderen Ende verbunden ist, so daß durch das Einwirken von Druck
auf die obere Platte das durch die Detektoreinrichtung erfaßte
Licht gedämpft wird; wobei die Sensorvorrichtung dadurch
gekennzeichnet ist, daß:
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sie eine Druckerfassungsbaugruppe umfaßt, die zwischen der
oberen Platte, die im wesentlichen starr ist, und einer
starren
Unterlage eingeschlossen ist, wobei die
Erfassungsbaugruppe eine erste Schicht umfaßt, die aus einem flexiblen
Material besteht, eine zweite Schicht, die aus starren Drähten
besteht, und zwischen der ersten und der zweiten Schicht eine
gewundene Lichtleitfaser, die in einer Ebene zwischen den
beiden Schichten auf im wesentlichen einheitliche Weise über die
gesamte Ebene angeordnet ist.
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Die starren Drähte in der zweiten Schicht können
geeigneterweise in Form eines Netzes von Drähten angeordnet sein, obwohl
andere Arten der Anordnung, z.B. eine Vielzahl paralleler
Drähte, möglich sind.
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Der Ausdruck "auf einheitliche Weise" besagt, daß ungefähr die
gleiche Faserlänge durch gleiche Flächenabschnitte der Ebene
verläuft, d.h., daß in der gesamten Ebene ungefähr die gleiche
"Faserdichte" vorliegt. Es versteht sich jedoch, daß diese
Einheitlichkeit nur in einem relativ großen Maßstab vorliegt,
und es zu Abweichungen der Faserdichte in kleinerem Maßstab
kommen kann.
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Die Lichtleitfaser kann fast jeder beliebige Typ
Lichtleitfaser einschließlich Monomode- und Multimoden-Lichtleitfasern
der Art sein, die herkömmlicherweise in der
Nachrichtenübertragung eingesetzt werden.
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Die Lichtleitfaser kann in der Ebene zwischen der ersten und
der zweiten Schicht so angeordnet sein, daß die Form des Weges
der Faser in der gesamten Ebene der einer Sinuskurve,
beispielsweise einer einzelnen sinusartigen Kurve in einer
Richtung, zwei sinusartigen Kurven im rechten Winkel zueinander
und dergleichen ähnelt. Der Fachmann weiß zweifellos, daß dies
lediglich Beispiele für nahezu unbegrenzte
Anordnungsmöglichkeiten der Faser sind.
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Bei der Erfassungseinrichtung kann die erste Schicht auf der
gewundenen Lichtleitfaser und die zweite Schicht darunter
liegen,
oder als Alternative dazu kann die erste Schicht unter
der Lichtleitfaser und die zweite Schicht daraufliegen.
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Die Druckerfassung der Vorrichtung beruht auf der Dämpfung von
durch die Faser übertragenem Licht, die durch die leichten
Krümmungen bewirkt wird, zu denen es an den Kontaktpunkten
zwischen der Lichtleitfaser und den Drähten der zweiten
Schicht kommt. Wenn die Dichte der Drähte (Dichte bedeutet
hier die Anzahl der Drähte, die durch eine Linie einer
Längeneinheit geschnitten werden) erhöht wird, nimmt die Anzahl
der Kontaktpunkte zu, es liegt jedoch auf der Hand, daß es
einen bestimmten Optimalwert der Dichte der Drähte gibt,
oberhalb und unterhalb dessen die durch Druck bewirkte Dämpfung
des übertragenen Lichtes geringer ist. Die optimale Dichte der
Drähte hängt in großem Maße von den physikalischen Parametern
der Faser, z.B. ihrem Gesamtdurchmesser einschließlich der
Beschichtung und des Durchmessers ihres Kerns, ab. Für den
Fachmann stellt es kein Problem dar, mit einer begrenzten Anzahl
von Versuchen für jeden Fall eine geeignete Dichte der Drähte
zu bestimmen. Wenn beispielsweise der Außendurchmesser der
Faser (einschließlich der Beschichtung) ungefähr 250 µm beträgt,
und der des ummantelten Kerns ungefähr 125 µm betrgt, beträgt
der Abstand zwischen benachbarten Drähten in der zweiten
Schicht bei einer geeigneten Dichte der Drähte ungefähr
5-10 mm.
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Wenn die Sensorvorrichtung relativ klein ist, d.h., dazu
dient, eine kleine Fläche zu bedecken, kann sie aus einer
einzelnen oberen Platte bestehen. Wenn die Sensorvorrichtung
jedoch relativ groß ist, d.h., eine große Fläche bedecken soll,
umfaßt sie geeigneterweise eine Vielzahl oberer Platten, die
jeweils einem Teil dieser Fläche entsprechen.
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Die Sensorvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann einen
integralen Teil eines Fußbodens darstellen, wobei in diesem
Fall die obere Platte derselben eine der Fußbodenfliesen bzw.
-platten sein kann. Des weiteren kann in diesem Fall die
Unterlage der Vorrichtung, wenn gewünscht, das Betonfundament
des Fußbodens sein.
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Die Vorrichtung der Erfindung kann auch im Boden installiert
werden und mit einer dünnen Schicht Erdreich oder Kies bedeckt
sein. In diesem Fall stellt die Unterlage der Vorrichtung
einen integralen Teil derselben dar und kann geeigneterweise
eine starre Platte sein, die aus Metall, Holz, Kunststoff und
dergleichen besteht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf eine
Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei
ein Teil der oberen Platte entfernt worden ist, um die
darunterliegenden Bestandteile zu zeigen;
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Fig. 2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Sensorvorrichtung gemäß
der vorliegenden Erfindung der Art, die in den unten
dargestellten Versuchen eingesetzt wurde, die die
verschiedenen, mit 1 bis 19 numerierten Punkte zeigt, auf
die während der Versuche Lasten wirkten.
Beschreibung spezieller Ausführungen
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Im folgenden wird die Erfindung zeitweise unter Bezugnahme auf
einige nichteinschränkende spezielle Ausführungen beschrieben,
die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Der
Fachmann weiß, daß diese Darstellung lediglich als Beispiel dient
und die Erfindung innerhalb des hier definierten Umfangs der
Erfindung in verschiedenen anderen Ausführungen praktiziert
werden kann.
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Es wird auf Fig. 1 und 2 Bezug genommen, die eine
erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zeigen. Vorrichtung 20 umfaßt eine
obere Platte 21 und eine untere Platte 22, die beide aus einem
im wesentlichen starren Material, wie beispielsweise Holz,
Kunststoff, Metall und dergleichen, bestehen, und umfaßt eine
Erfassungsbaugruppe 23, die zwischen den beiden Platten
eingeschlossen ist.
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Erfassungsbaugruppe 23 umfaßt eine Lage 24 aus einem flexiblen
Material, wie beispielsweise Gummi, und ein starres Drahtnetz
25 und umfaßt des weiteren eine gewundene Lichtleitfaser 26,
die auf eine zwei sinusförmigen Kurven im rechten Winkel
zueinander ähnelnde Art angeordnet ist. Die Lichtleitfaser ist
so im wesentlichen einheitlich in der gesamten Ebene
angeordnet.
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Ein Ende 27 der Lichtleitfaser ist mit einer
Lichtemissionseinrichtung 28 versehen, die eine Lichtemitterdiode, ein Laser
und dergleichen sein kann. Das andere Ende 29 der
Lichtleitfaser ist mit einer Lichterfassungseinrichtung 30 verbunden.
Durch das Einwirken von Druck auf die obere Platte 21 wird die
Lichtleitfaser leicht verformt, wobei diese Verformung zu
einer Dämpfung des durch die Lichtleitfaser übertragenen und
damit des durch die Erfassungseinrichtung 30 erfaßten Lichtes
führt.
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Für den Fachmann ist ohne weiteres ersichtlich, daß, um die
Empfindlichkeit zu verbessern, d.h., um den Grad der Dämpfung
durch Druckeinwirkung zu verstärken, die Dichte der
Lichtleitfaser erhöht werden kann.
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Im folgenden werden Versuche, die mit einer erfindungsgemäßen
Sensorvorrichtung durchgeführt wurden, beschrieben.
Versuch Nr. 1:
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Die in diesem Versuch eingesetzte Sensorvorrichtung war 100 cm
lang und 60 cm breit. Zur Herstellung der Vorrichtung wurde
eine 2 mm dicke Gummischicht auf eine 9 mm dicke Holzplatte
aufgelegt, dann wurde eine gewundene Lichtleitfaser an der
Gummilage angebracht, die anschließend mit einem Netz bedeckt
wurde, das aus Kunststoffdrähten bestand, die im rechten
Winkel zueinander angeordnet waren, wobei der Abstand zwischen
zwei benachbarten Drähten 7 mm betrug. Die Lichtleitfaser war
eine Einmodenfaser (Corguide SMF-21 , Corning), die einen
Modenfeld-Nenndurchmesser von 10 µm, einen
Gesamtkerndurchmesser von 125 µm aufwies und mit einer UV-gehärteten
Acrylatbeschichtung mit einem Außendurchmesser von 250 µm beschichtet
war. Die Gesamtlänge der Lichtleitfaser in der Vorrichtung
betrug ungefähr 15 Meter, und die Lichtleitfaser war auf eine
zwei Sinuskurven im rechten Winkel ähnelnde Weise angeordnet,
wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.
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Ein Ende der Lichtleitfaser empfing einen Lichteingang von
einer Lichtemitterdiode (Ando AQ-4140 (130), Ando Ltd.), und das
andere Ende der Lichtleitfaser war mit einem ANDO AQ-2105 -
Detektor (Ando Ltd.) verbunden.
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Es wurden verschiedene Lasten auf die verschiedenen Punkte auf
der oberen Platte aufgesetzt, die mit den Bezugszeichen 1 bis
15 in Fig. 3 bezeichnet sind, und eine Lichtisolierung wurde
hergestellt. Es ist anzumerken, daß diese Punkte zunächst
willkürlich gewählt wurden. Vor jeder Messung mit einem
anderen Gewicht wurde eine Prüfmessung vorgenommen.
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Die mit den unterschiedlichen Lasten erzielten Ergebnisse sind
in der folgenden Tabelle I dargestellt:
TABELLE I
Puukt
Prüfwert*
*Prüfwert = Gewicht Null
nw = Nanowatt
pw = Picowatt
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Wie die obenstehenden Ergebnisse zeigen, trat bereits bei
einer Last von 19,2 kg eine merkliche Dämpfung des durch den
Detektor erfaßten Signals auf, während bei einer Last von 75 kg,
die ungefähr dem Gewicht eines durchschnittlichen männlichen
Erwachsenen entspricht, das Licht bis zum ungefähr 1000-fachen
gedämpft wurde.
Versuch Nr. 2:
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Um die Zuverlässigkeit der Vorrichtung zu überprüfen, wurde
eine Messung ohne Last vorgenommen, und anschließend wurde
eine Last von 125 kg auf verschiedene Punkte an der Oberfläche
der oberen Platte aufgesetzt. Nach 15 Messungen (wobei die
Last nacheinander auf die Punkte 1-15 aufgesetzt wurde) wurde
erneut eine Prüfmessung vorgenommen.
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Die Prüfmessung in diesem Versuch betrug 8,5 nw, und die beim
Einwirken einer Last an verschiedenen Punkten lag in allen
Fällen zwischen 5-10 pw. Beim Entfernen der Lasten kehrte der
Meßwert genau auf den Prüfwert zurück.
Versuch Nr. 3:
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Eine ähnliche Vorrichtung wie die in Versuch Nr. 1 wurde
hergestellt, sie unterschied sich jedoch von letzterer darin, daß
statt einer 2 mm dicken Gummischicht eine 1 mm dicke
Gummischicht eingesetzt wurde, und daß die Lichtquelle ein SM501 -
Laser (Lasertron Inc.), der Licht mit einer Wellenlänge von
1550 nm emittiert, war, der entsprechend den Vorschriften des
Herstellers mit einem 5-Volt-Gleichstrom von 30 Milliampere
betrieben wurde.
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Ähnlich wie in Versuch Nr. 1 wurden verschiedene Lasten an
unterschiedlichen Punkten aufgesetzt, und die Ergebnisse sind in
der folgenden Tabelle II dargestellt:
TABELLE II
Punkt
Prüfwert
µw= Mikrowatt
nw = Nanowatt
pw = Picowatt
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In diesem Fall wurde das Licht bei einer Last von 27,4 kg um
ungefähr das 100-1000-fache gedämpft, und bis zum 10&sup6;-fachen
bei einer Last von 126 kg.
Versuch Nr. 4:
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Die Vorrichtung von Versuch Nr. 3 wurde in 4 cm mit Kies
vermischtem Sand eingegraben. Ein ähnlicher Versuch wurde
wiederholt, und die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle III
dargestellt:
TABELLE III
Punkt
Prüfwert
nw = Nanowatt
pw = Picowatt
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Die obenstehenden Ergebnisse zeigen, daß es auch beim
Eingraben in Kies zu einer erheblichen Dämpfung von ungefähr dem
30-100-fachen auch bei einer Last von 27,4 kg kam, während bei
einer Last von 125 kg die Dämpfung des übertragenen Lichtes
ungefähr das 4000-8000-fache betrug.