SE502553C2 - Optisk fiber för sensorändamål och sätt att framställa den optiska fibern - Google Patents

Description

502 553 REnocöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Det är ett syfte med uppfinningen att anvisa fiberoptiska töj- ningsgivare, som på enkelt sätt och med standardapparatur kan framställas ur kommersiellt tillgängliga optiska fibrer.

Detta syfte uppnås med uppfinningen, vars närmare kännetecken framgår av de bifogade patentkraven.

För att erhålla permanent inducering av mikroböjar i en optisk fiber i syfte att framställa en fiberoptisk töjningssensor fixe- ras en optisk fiber först i två excentriskt inställda chuckar i en svetsmaskin, varefter fibern uppvärms medelst en svetsmaskin eller laser, varigenom en permanent mikroböj induceras. Vid en metod för att erhålla en mikroböjning av kärnan i en optisk hål- fiber försluts det längsgående hålet genom en lokal uppvärmning.

Allmänt uttryckt framställs en optisk fiber med varierande transmissionsegenskaper vid olika töjningstillstånd. Fibern kan- då ha ett område, i vilket område, när detta utsätts för en me- kanisk spänning, särskilt en dragspänning eller tryckspänning eller en böjspänning, en lokal störning eller ändring av bryt- ningsindex intill fiberkärnan uppstår. Området kan i det före- dragna fallet innefatta en mikroböj av kärnan i fibern. Vid framställningen uppvärms fibern lokalt över ett litet område med en utsträckning i fiberns längdriktning av högst några fiberdia- metrar, t ex mindre än 5 fiberdiametrar för optiska kvartsstan- dardfibrer av single-modtyp.

Vid den lokala uppvärmningen kan en ljusbåge i en konventionell svetsapparat för optiska fibrer användas eller alternativt en laserstråle med lämpligt hög effekt. Härvid kommer området på- verkat av ljusbågen resp laserstrålen sträcka sig över fiberns hela tjocklek. Vidare förskjuts fiberns partier på båda sidor av det uppvärmda området i förhållande till varandra i tvärrikt- ningen, dvs i en riktning väsentligen vinkelrätt mot fiberns längdriktning. Då bildas en mikroböj hos fiberkärnan med S-form.

Alternativ kan en optisk hålfiber uppvärmas lokalt, varvid hål- rummet i fibern faller samman och mekaniska spänningar induceras vfl-v 5Ü2 Db 3 i närheten av fiberkärnan. Dessa ger upphov till brytningsindex- förändringar, vilka påverkar transmissionsegenskaperna.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall nu beskrivas närmare i anslutning till ej begränsande utföringsexempel i samband med de bifogade ritning- arna, i vilka: - Fig. la och lb schematiskt visar åstadkommandet av en mikroböj med hjälp av en konventionell automatisk fibersvetsningsapparat, - Fig. 2 schematiskt visar en mikroböj åstadkommen i en konven- tionell optisk fiber, - Fig. 3 schematiskt visar en mikroböj åstadkommen i en optisk fiber med dubbel kärna, - Fig. 4 schematiskt visar hur en mikroböj kan åstadkommas i en hâlfiber, - Fig. 5 schematiskt visar en hålfiber med däri åstadkommen mik- roböjning av kärnan, - Fig. 6 schematiskt visar en optisk töjningsgivare fäst vid ett underlag, vars töjning skall mätas, - Fig. 7 schematiskt visar en optisk fiber med mikroböjar använd för att med hjälp av samma fiberstycke detektera töjning hos två olika föremål.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER I fig. la visas schematiskt sett från sidan eller uppifrån de centrala delarna av en konventionell fiberskarvningsapparat 1.

Denna har backar eller chuckar 2, som är fastgjorda vid hållare 3, vilka av ej visade mekanismer och drivanordningar kan för- flyttas i i allmänhet de tre koordinatriktningarna i förhållande till varandra. Vidare finns elektroder 5 anslutna till en ej visad spänningskälla för alstrande av en ljusbåge 6 mellan elektrodernas 5 spetsar. Ljusbågen 6 passerar genom ett område centralt mellan chuckarna 2, i det konventionella fallet för uppvärmning av ändarna av två optiska fibrer, som skall hopsvet- SaS .

För framställning av en töjningsgivare placeras i stället en enda konventionell optisk fiber 7, t ex en kvartsfiber, i de båda chuckarna 2, så att fibern passerar över utrymmet mellan 502 555 4 chuckarna 2 och genom det område mellan elektrodernas 5 spetsar, där ljusbågen 6 alstras. Chuckarna 2 innehåller såsom konventio- nellt styrningar, antydda vid 8, för de optiska fibrer, som skall hopsvetsas eller endast uppvärmas, och de kan i ett begyn- nelseskede vid det här behandlade förfarandet placeras mittför varandra, så att den optiska fibern 7 passerar utan väsentligen någon böjning från den ena chucken 2 till den andra. En ljusbåge 6 alstras sedan mellan elektrodernas 5 spetsar och kommer att uppvärma ett område 4 av den optiska fibern 7 centralt mellan chuckarnas 2 framsidor eller gavelytor. Detta område är tämligen lokalt, sett i fiberns längdriktning, och kan uppgå till t ex högst ca 5 fiberdiametrar för standardfibrer av single-modtyp.

Uppvärmningen åstadkoms runt om hela fibern 7 och tränger snabbt in i fiberns 7 inre.

När uppvärmningen är tillräcklig, så att glaset i den optiska fibern 7 inom det lokalt uppvärmda området är lagom mjukt eller halvsmält, förflyttas hållarna 3 en sträcka d i sidled i förhål- lande till varandra och härigenom förflyttas också chuckarna 2 samma sträcka d i sidled i förhållande till varandra. På grund av styvheten hos de ej uppvärmda fria partierna hos fibern och mjukheten hos det uppvärmda området ger detta en böjning av S- typ av den optiska fibern 7, som schematiskt visas i fig. 2. Ef- ter denna uppvärmning och förflyttning av hållarna 3 i förhål- lande till varandra, stoppas strömtillförseln till elektroderna 5, varigenom ljusbågen 6 försvinner. Den optiska fibern 7 har nu fått en permanent böjning inducerad, som är av den i fig. 2 vi- sade typen.

Ett föredraget alternativ till detta framställningssätt illust- reras i fig. lb. Här är styrningarna 8 i chuckarna 2 från början förskjutna sträckan d, varefter den optiska fibern 7 sätts på plats i styrningarna 8, så att den löper från den en chucken 2 till den andra. En svag böjning av fibern fås då i området mel- lan chuckarnas 2 gavelytor. Efter detta tillförs elektroderna 5 lämplig elektrisk högspänning för bildning av en ljusbåge 6 så- som ovan. Härvid uppvärms ett område av fibern 7 lokalt som ovan och blir mjukt och plastiskt. På grund av elasticiteten hos de ej uppvärmda områdena av den optiska fibern 7 rätas fiberstycke- 502 553 5 na 10 mellan det uppvärmda området 4 och gavelytorna på chuckar- na 2 ut för att ligga i linje med den intilliggande delen av fibern i motsvarande chuck, varigenom materialet i det uppvärmda området 4 böjs till samma form av S-typ, som visas i fig. 2.

Den i fig. 2 visade åstadkomna mikroböjningen av en optisk fiber 7 utmärks av att böjningen strängt taget består av två bågar sammansatt till en S-liknande form, så att fiberns 7 partier utanför uppvärmningsområdet är väsentligen parallella med var- andra men förskjutna i sidled ungefär sträckan d. Fiberns 7 kär- na 9 och ytan hos fibermanteln 11 har väsentligen samma profil.

Vid bildningen av mikroböjarna enligt figur 2 uppvärms, såsom har konstaterats ovan, fibern över ett område i sin längdrikt- ning med en längd av motsvarande några diametrar hos fiberns 7 mantel, t ex längre än någon fiberdiameter och kortare än ca 5 fiberdiametrar. Parallellförskjutningen d av den optiska fibern ligger i storleksordningen av en eller högst ett fåtal fiberdia- metrar, t ex mindre än 3 gånger fiberdiametern, i det föredragna fallet mindre än 1 fiberdiameter, i området 0,5 - 1 fiberdiame- ter.

En optisk fiber med dubbla kärnor är tillverkad med två nära varandra liggande, parallella kärnor omslutna av samma mantel.

Om kärnorna har samma geometri och ligger nära varandra, kan ljus kopplas periodiskt mellan de båda kärnorna. En sådan fiber kan böjas på samma sätt, som fibern visad i fig. 2, och detta visas i fig. 3. Här är böjningen åstadkommen i en lämplig rikt- ning i förhållande till ett plan, som går genom de båda fiber- kärnorna 9'. Annorlunda uttryckt kan alltså böjningen med fördel utföras, så att fiberkärnorna 9' också efter böjningen kommer att ligga i samma plan. De optiska egenskaperna hos de båda kär- norna förändras då och överkopplingen av ljus mellan dem föränd- ras därigenom.

Den ovan beskrivna metoden för att åstadkomma en mikroböjning i en optisk fiber kan också användas för andra fibrer, t ex en hålfiber 7'. En sådan visas schematiskt i fig. 5 och innefattar en längsgående hålighet 13, som går inuti fibermanteln 11 paral- lellt med fiberns kärna 9. För att åstadkomma en mikroböjning av 502 555 6 en hålfiber 7' kan också anordningen schematiskt visad i fig. 4 användas. Här finns en koldioxidlaser, som avger ett strålknippe 17, vilket får lokalt uppvärma en optisk hålfiber 7'. Vid den lokala uppvärmningen faller materialet, som ligger i fiberns 7 mantel omkring hålrummet 17, ihop, så att inget hålrum finns kvar inom ett stycke av det uppvärmda området. Vid materialets kollaps bildas ingen synbar böjning av fiberns 7' mantel 11 men däremot uppträder en mikroböjning av fiberns kärna 9, som är synlig vid 17 vid fig. 5. Mikroböjningen av kärnan är tämligen liten och parallellförskjutningen av kärnan uppgår till en bråk- del av fiberkärnans radie, typiskt av storleksordningen 0,1 av kärndiametern för optisk standardfiber med kärndiameter av ca 10 pm, och allmänt t ex högst 0,3 av kärnans diameter. Även en upp- värmning utan någon parallell förflyttning av hållarna 3 eller chuckarna 2 i en vanlig svetsmaskin av den i fig. 1-visade typen kan ge en motsvarande lokal uppvärmning av fibern med därav föl- jande motsvarande förslutning av längsgående håligheten 13 genom det uppvärmda området.

När de ovan beskrivna fibrerna 7, 7' med åstadkomna mikroböj- ningar av åtminstone kärnan 9 i fibern utsätts för en längdför- ändring, dvs en töjning, ändras både kärnans och mantelns geo- metriska förhållanden tíex genom en uträtning av mikroböjen, och vidare erhålls en ändring av fördelningen mellan brytningsindex i kärnan 9 och manteln 11. För en optisk fiber med dubbel kärna enligt fig. 3 erhålls sålunda vid töjning av en sådan fiber med däri anbragt mikroböj t ex att böjen rätas ut och att förhållan- det mellan dragspänning och tryckspänning i de två kärnorna mins- kar, vilket resulterar i en ändring av ljuskopplingen mellan de båda kärnorna.

Vid förslutning av håligheten i en hålfiber enligt fig. 4 och 5 kan det i extrema fall förekomma, att ingen synbar böjning av fiberkärnan 9 erhålls. Hålfibern kan ändå, när den utsätts för töjning, ge ändrade brytningsindex i området intill fiberkärnan 9, vilket kan detekteras.

En schematisk bild av användningen av en optisk fiber 7 för mät- ning av töjningen hos ett underlag 19 visas i fig. 6. Ett av- 7 snitt av en fiber 7 behandlad enligt ovan, t ex med ett flertal mikroböjar 20, är ingjutet i och styvt fäst vid underlaget 19 med hjälp av ett limskikt 21 av plastmaterial, t ex ett härd- plastlim såsom epoxilim. Vid limningen skall tillses, att skik- tet mellan fibern 7 och underlagets 19 yta blir så tunt och styvt som möjligt för en direkt överföring av töjningar i under- laget till fibern. Den optiska fiberns 7 ändar är anslutna till lämpliga detektionsanordningar. I det visade fallet används en uppställning för uppmätning av transmission och den kan då in- nefatta en ljuskälla 23 och en ljusdetektor 25. Från ljuskällan 23 utsänds ljus med lämplig våglängd genom fibern 7 och det transmitterade ljuset uppmäts av ljusdetektorn 25. Genom att, såsom visas i fig. 6, anordna flera mikroböjar intill varandra på ett avstånd från varandra av t ex ca 1 mm erhålls en ökad känslighet, när området med mikroböjningar utsätts för en töj- ning. Även andra sätt för detektionen kan utnyttjas. Ett sådant ar- rangemang visas i fig. 7, där två områden av en fiber 7' med Vmikroböjningar 20 i kärnan har placerats fastgjorda vid två oli- ka underlag 19' och 19". I detta fall fastgörs vardera området vid resp underlag med hjälp av limklumpar eller några andra hål- larorgan 26 på båda sidor av området av med en mikroböj 20, så att själva området med mikroböjen är fritt från underlaget. Fi- berns ena ände är ansluten till ett OTDR-instrument 27, som fun- gerar både som sändare och mottagare av ljus. Mottagardelen kan detektera storleken hos och skilja mellan tillbakaspritt ljus från olika punkter på den optiska fibern 7' och särskilt från de båda mikroböjarna 20. Härigenom kan töjningen hos vart och ett av de båda underlagen 19' och 19" bestämmas.

Claims (11)

502 555 8 PATENTKRAV

1. Sätt att framställa en optisk fiber med varierande transmis- sionsegenskaper vid olika töjningstillstånd, särskilt med ett område, i vilket när området utsätts för en mekanisk spänning, särskilt en dragspänning eller tryckspänning eller en böjspän- ning, en lokal störning eller ändring av brytningsindex intill fiberkärnan uppstår, särskilt ett område med en mikroböj, k ä n n e t e c k n a t av att fibern uppvärms lokalt över ett litet område med en utsträckning i fiberns längdriktning av högst några fiberdiametrar, särskilt mindre än 5 fiberdiametrar.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att vid den lokala uppvärmningen uppvärms området över fiberns hela tjock- lek.

3. Sätt enligt ett av krav 1 - 2, k ä n n e t e c k n a t av att vid den lokala uppvärmningen förskjuts fiberns partier på båda sidor av det uppvärmda området i förhållande till varandra i en riktning väsentligen vinkelrätt mot fiberns längdriktning för bildning av en böj med S-form.

4. Sätt att framställa en optisk fiber med varierande transmis- sionsegenskaper vid olika töjningstillstånd, k ä n n e t e c k - n a t av - att en optisk hålfiber med ett hålrum gående i fiberns längd- riktning i fiberns mantel på något avstånd från fiberns kärna framställs, - att hålfibern uppvärms lokalt över ett litet område med en ut- sträckning i fiberns längdriktning av högst några fiberdiamet- rar, särskilt mindre än 5 fiberdiametrar.

5. Sätt enligt ett av krav 1 - 4, k ä n n e t e c k n a t av att uppvärmning åstadkoms med hjälp av en elektrisk ljusbåge.

6. Sätt enligt ett av krav 1 - 5, k ä n n e t e c k.n a t av att uppvärmning åstadkoms med hjälp av en ljusstråle med hög in- tensitet, särskilt från en laser.

7. Optisk fiber för sensorändamål, k ä n n e t e c k n a d av (TI FO (TI 'lfl CN 9 att en kärna i fibern uppvisar en böjning i S-form med en paral- lellförskjutning av fiberns partier intill böjningen av högst några fiberdiametrar, särskilt mindre än två fiberdiametrar.

8. Optisk fiber enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av två kärnor och att båda kärnorna uppvisar en böjning.

9. Optisk fiber enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d av att de båda kärnorna och särskilt deras böjningar ligger väsentligen i ett och samma plan.

10. Optisk fiber för sensorändamål, k ä n n e t e c k n a d av att en kärna i fibern uppvisar en böjning i form av en utbukt- ning från kärnans väsentligen rätlinjiga förlopp intill böjning- en, där utbuktningen har en höjd av högst halva kärnradien och en längd av högst 5 manteldiametrar, särskilt högst två mantel- diametrar.

11. Optisk fiber enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a d av att fibern är en hålfiber och att en längsgående hålighet i fibern är försluten intill böjningen av kärnan.